BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Lâm Duy Nhất

NGHIÊN CỨU
CÁC ĐẶC TRƯNG SUY GIẢM CỦA TIA GAMMA
ĐỐI VỚI MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Thành phố Hồ Chí Minh – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Lâm Duy Nhất

NGHIÊN CỨU
CÁC ĐẶC TRƯNG SUY GIẢM CỦA TIA GAMMA
ĐỐI VỚI MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

Chuyên ngành:

Vật lí nguyên tử

Mã số

60 44 01 06

:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HỒNG ĐỨC TÂM
Thành phố Hồ Chí Minh - 2018


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Hoàng Đức Tâm. Người Thầy
hướng dẫn tận tụy, góp ý chân thành, định hướng khoa học chính xác giúp tơi hồn thành
đề tài luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ của mình.
Trong thời gian hơn 2 năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Thành
phố Hồ Chí Minh, tơi đã được hồn thiện bản thân cả về kiến thức chuyên ngành và kỹ
năng nghiên cứu khoa học, đó là nhờ Ban Giám hiệu nhà trường, các Thầy cô trong khoa
Vật lý cũng như các Thầy cơ ở Phịng Sau đại học đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi và các
bạn học viên, sinh viên của trường.
Tôi xin chân thành các bạn trong nhóm nghiên cứu đã giúp tơi được tham gia vào môi
trường nghiên cứu khoa học thực thụ, đã hỗ trợ tơi trong suốt q trình tơi tiến hành nghiên
cứu tại phịng thí nghiệm, tơi đã học hỏi thêm được rất nhiều kiến thức chuyên môn và kỹ
năng nghiên cứu khoa học từ các bạn.
Sau cùng, tôi không quên những lời động viên, an ủi của gia đình và người thân trong
suốt thời gian tôi thực hiện đề tài. Nhờ những đóng góp tinh thần của gia đình và người
thân đã giúp tơi có động lực để hồn thành đề tài luận văn.

TP.HCM, ngày 03 tháng 07 năm 2018
Tác giả luận văn


Lâm Duy Nhất


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu độc lập của riêng tơi. Các dữ
liệu dùng trong luận văn có trích dẫn rõ ràng, theo đúng quy định. Toàn bộ kết quả trong
luận văn là do chính bản thân tơi thực hiện một cách trung thực, khách quan dưới sự hướng
dẫn khoa học của thầy hướng dẫn TS. Hoàng Đức Tâm. Các kết quả trong luận văn chưa
được công bố trong bất kỳ công trình khoa học khác mà tơi khơng tham gia.
Tác giả luận văn

Lâm Duy Nhất


MỤC LỤC
Lời cảm ơn 
Lời cam đoan 
Mục lục 
Danh mục các từ viết tắt 
Danh mục các bảng biểu 
Danh mục hình vẽ - đồ thị  
MỞ ĐẦU

............................................................................................................ 1 

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI
VẬT CHẤT. PHƯƠNG PHÁP GAMMA TRUYỀN QUA VÀ
PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ............................................ 10 
1.1. Tổng quan về tương tác gamma với vật chất ...................................................... 10 
1.1.1. Hiệu ứng quang điện ................................................................................... 11 

1.1.2. Tán xạ Compton .......................................................................................... 12 
1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp.......................................................................................... 14 
1.2.  Phương pháp gamma truyền qua và phương pháp gamma tán xạ ....................... 16 
1.2.1. Phương pháp gamma truyền qua ................................................................. 16 
1.2.2. Phương pháp gamma tán xạ ........................................................................ 17 
1.2.3. Kết hợp phương pháp gamma tán xạ và phương pháp gamma truyền qua. 19 
1.3.  Cơ sở lý thuyết tính các đặc trưng suy giảm gamma .......................................... 21 
1.3.1. Hệ số suy giảm khối .................................................................................... 21 
1.3.2. Quãng đường tự do trung bình .................................................................... 22 
1.3.3. Bề dày một nửa và bề dày một phần mười.................................................. 23 
1.3.4. Nguyên tử số hiệu dụng .............................................................................. 23 
1.3.5. Mật độ electron hiệu dụng........................................................................... 24 


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH
MCNP5. MƠ HÌNH MƠ PHỎNG MONTE CARLO ................. 25 
2.1. Phương pháp Monte Carlo ................................................................................... 25 
2.2. Chương trình MCNP5.......................................................................................... 26 
2.2.1. Giới thiệu MCNP5 ...................................................................................... 26 
2.2.2. Định nghĩa hình học trong MCNP5 ............................................................ 28 
2.2.3. Định nghĩa vật liệu trong MCNP5 (Material cards).................................... 30 
2.2.4. Định nghĩa nguồn trong MCNP5 (Source cards) ........................................ 31 
2.2.5. Đánh giá phân bố độ cao xung - Tally F8 ................................................... 32 
2.3.  Mơ hình mơ phỏng Monte Carlo ......................................................................... 34 
2.3.1. Mơ hình mơ phỏng gamma truyền qua ....................................................... 34 
2.3.2. Mơ hình mơ phỏng kết hợp phương pháp gamma tán xạ làm thay đổi năng
lượng bức xạ tới trong phương pháp gamma truyền qua........................... 42 
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................... 45 
3.1. Các đặc trưng suy giảm sử dụng phương pháp gamma truyền qua .................... 45 
3.1.1. Hệ số suy giảm khối (µm) ........................................................................... 45 

3.1.2. Qng đường tự do trung bình (MFP), bề dày một nửa (HVT) và bề dày một
phần mười (TVT) ........................................................................................ 49 
3.1.3. Nguyên tử số hiệu dụng (Zeff) ...................................................................... 52 
3.1.4. Mật độ electron hiệu dụng (Neff).................................................................. 52 
3.2. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối theo năng lượng bức xạ
gamma 53 
3.3.  Kết hợp phương pháp gamma tán xạ để làm thay đổi năng lượng bức xạ gamma
tới trong phương pháp gamma truyền qua .......................................................... 63 
KẾT LUẬN

......................................................................................................... 68 


KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 72
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ ............................................................... 74 
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 74 
Phụ lục

 


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Việt

Tiếng Anh

HVT


Bề dày một nửa

The Half-Value Thickness

TVT

Bề dày một phần mười

The Tenth-Value
Thickness

MCNP

Chương trình mơ phỏng Monte Carlo

Monte Carlo N - Particle

Độ lệch tương đối

Relative Deviation

Kiểm tra không phá mẫu

Non Destructive Testing

Neff

Mật độ electron hiệu dụng

Effective electron density


Zeff

Nguyên tử số hiệu dụng

Effective atomic number

Quãng đường tự do trung bình

The Mean Free Path

RD
NDT

MFP


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Một số mặt thường dùng trong MCNP5 ........................................................... 29
Bảng 2.2. Các biến nguồn thông dụng .............................................................................. 32
Bảng 2.3. Thành phần và hàm lượng các nguyên tố trong vật liệu đá Granite ................. 38
Bảng 2.4. Thành phần và hàm lượng các nguyên tố trong vật liệu thủy tinh pha
Gadolinium và thủy tinh pha chì....................................................................... 39
Bảng 3.1. Giá trị hệ số suy giảm khối của hệ thủy tinh pha Gadolinium và hệ thủy
tinh pha chì tính bằng mơ phỏng, đo thực nghiệm và tính bằng lý thuyết
ở các mức năng lượng photon tới là 662 keV, 1173 keV và 1332 keV ........... 46
Bảng 3.2. Giá trị hệ số suy giảm khối của các mẫu đá Granite tính bằng mơ phỏng,
đo thực nghiệm và tính bằng lý thuyết ở các mức năng lượng photon tới
là 662 keV, 1173 keV và 1332 keV .................................................................. 47
Bảng 3.3. Các đặc trưng suy giảm xác định bằng MCNP5 và tính theo lý thuyết

NIST của hệ thủy tinh pha chì ở mức năng lượng 279 keV ............................. 50
Bảng 3.4. Các đặc trưng suy giảm xác định bằng MCNP5 và tính theo lý thuyết
NIST của hệ thủy tinh pha Gadolinium ở mức năng lượng 1408 keV ............. 51
Bảng 3.5. Các đặc trưng suy giảm xác định bằng MCNP5 và tính theo lý thuyết
NIST của đá Granite ở mức năng lượng 835 keV ............................................ 51
Bảng 3.6. Giá trị hệ số suy giảm khối xác định bằng mô phỏng của các vật liệu ở
các mức năng lượng khác nhau......................................................................... 54
Bảng 3.7. Giá trị các tham số và hệ số tương quan R2 của hàm làm khớp cho các
loại vật liệu ........................................................................................................ 55
Bảng 3.8. Giá trị hệ số suy giảm khối tính từ NIST của các vật liệu ở các mức năng
lượng khác nhau ................................................................................................ 56
Bảng 3.9. Giá trị hệ số suy giảm khối nội suy từ hàm HyperbolaGen của các vật liệu
ở các mức năng lượng khác nhau ..................................................................... 61


Bảng 3.10. Giá trị hệ số suy giảm khối xác định bằng phương pháp kết hợp của các
vật liệu ở 2 mức năng lượng photon tới là 279 keV và 320 keV...................... 64
Bảng 3.11. Giá trị hệ số suy giảm khối xác định bằng phương pháp kết hợp của các
vật liệu ở mức năng lượng photon tới là 229,96 keV ....................................... 65


DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Mơ hình hiệu ứng quang điện ............................................................................ 12
Hình 1.2. Mơ hình tán xạ Compton ................................................................................... 13
Hình 1.3. Mơ hình hiệu ứng tạo cặp .................................................................................. 14
Hình 1.4. Xác suất tương đối xảy ra các hiệu ứng ............................................................ 15
Hình 1.5. Bức xạ gamma xuyên qua vật chất .................................................................... 17
Hình 1.6. Minh họa phương pháp gamma tán xạ .............................................................. 19
Hình 1.7. Kết hợp phương pháp gamma tán xạ làm thay đổi năng lượng trong
phương pháp gamma truyền qua....................................................................... 20

Hình 2.1. Các thơng số kích thước nguồn phát gamma chuẩn .......................................... 35
Hình 2.2. Mơ tả khối chì chứa nguồn và ống chuẩn trực tại phịng thí nghiệm vật
lý hạt nhân trường Đại học Sư Phạm TP. HCM ............................................... 36
Hình 2.3. Các thơng số của đầu dị NaI(Tl) dùng trong mơ phỏng ................................... 37
Hình 2.4. Đầu dị NaI(Tl) tại phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học Sư
Phạm TP. HCM................................................................................................. 37
Hình 2.5. Cấu hình thực nghiệm xác định các đặc trưng suy giảm của chùm tia
gamma xuyên qua vật liệu theo phương pháp gamma truyền qua ................... 40
Hình 2.6. Hình ảnh cấu hình đo trong không gian 2 chiều và không gian 3 chiều
trong chương trình MCNP5 .............................................................................. 40
Hình 2.7. Phổ được xử lý bằng Colegram ......................................................................... 41
Hình 2.8. Mơ tả phổ của nguồn 60Co được xử lý bằng Colegram ..................................... 42
Hình 2.9. Hình ảnh thực tế phổ của nguồn 60Co trong Colegram ..................................... 42
Hình 2.10. Cấu hình kết hợp phương pháp gamma tán xạ điều chỉnh năng lượng
trong chương trình MCNP5 .............................................................................. 43
Hình 3.1. Độ lệch của hệ số suy giảm khối xác định bằng mô phỏng so với các
giá trị của NIST ở 3 mức năng lượng photon tới là 662 keV, 1173 keV
và 1332 keV ...................................................................................................... 48


Hình 3.2. Khớp hàm mơ tả sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối theo năng lượng
bức xạ gamma cho các loại vật liệu .................................................................. 60
Hình 3.3. Độ lệch của hàm mô tả sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối theo năng
lượng so với các giá trị của NIST và mô phỏng cho các loại vật liệu .............. 62
Hình 3.4. Độ lệch của giá trị hệ số suy giảm khối xác định bằng phương pháp kết
hợp so với các giá trị của NIST cho các loại vật liệu ở các mức năng
lượng khác nhau ................................................................................................ 66


1


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

 

 

hiệu dụng Zeff , mật độ electron hiệu dụng Neff , quãng đường tự do trung bình (MFP),
bề dày một nửa (HVT) và bề dày một phần mười (TVT) có ý nghĩa thực tiễn trong việc
bảo vệ con người đối với tác dụng của bức xạ.
Đến nay, đã có một lượng lớn các cơng trình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến
việc xác định hệ số suy giảm của các chất, hợp chất, hỗn hợp khác nhau. Trong số đó, nổi
bật lên các cơng trình khảo sát các đặc trưng suy giảm tia gamma của các vật liệu che
chắn bức xạ dùng trong lĩnh vực xây dựng. Năm 2009, Kurudirek và cộng sự [8] đã xác
định hệ số suy giảm tuyến tính    của một số vật liệu xây dựng được dùng pha trộn với
xi măng Portland, từ đó các tác giả đã xác định quãng đường tự do trung bình MFP, bề
dày một nửa, bề dày một phần mười và quan trọng nhất là hệ số suy giảm khối (đặc trưng
cho khả năng che chắn của vật liệu) của chúng. Đến năm 2013, Singh và cộng sự [9] đã
xác định hệ số suy giảm khối, nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng của

thép cacbon và thép không gỉ bằng chương trình WinXcom, kết quả thu được rất phù hợp
với thực nghiệm đã được xác định trước đó. Năm 2015, Elmahroung và cộng sự [10]
cũng sử dụng chương trình WinXcom để khảo sát tương tác gamma với 8 loại vật liệu


2

che chắn khác nhau, kết quả cho thấy các đặc trưng suy giảm thay đổi theo năng lượng
photon tới do sự đóng góp khác nhau của các loại tương tác bao gồm tạo cặp, quang điện
và tán xạ. Đến thời điểm này, phương pháp lý thuyết sử dụng dữ liệu hạt nhân thực
nghiệm sẵn có để nội suy cho các trường hợp còn lại trong vùng năng lượng khảo sát đã
được sử dụng khá phổ biến. Phương pháp lý thuyết sử dụng chương trình WinXCom
(phiên bản Windows của chương trình XCOM) trở thành một công cụ đắc lực bổ sung
cho các nhà nghiên cứu các kết quả lý thuyết để so sánh với thực nghiệm. Tuy nhiên,
phương pháp này vẫn còn đặt ra nhiều nghi vấn về độ tin cậy của kết quả thu được và cần
thêm nhiều kết quả thực nghiệm hoặc các phương pháp khác đáng tin cậy hơn để kiểm
chứng và hoàn thiện.
Năm 2016, Yildirim và cộng sự [11] đã tiến hành khảo sát tính chất che chắn của một
số hợp kim nhôm sử dụng kỹ thuật gamma truyền qua với nguồn phóng xạ có hoạt độ
khá cao là

137

Cs và

60

Co, kết quả được so sánh với lý thuyết thơng qua chương trình

XCOM với sai lệch dưới 5%. Trước đó, một loạt các cơng trình thực nghiệm tương tự

xác định hệ số suy giảm và các đặc trưng suy giảm của bê tông-loại vật liệu che chắn phổ
biến nhất - do Akkurt và Khayatt [12] thực hiện năm 2013, của xi măng Portland do
Kurudirek và cộng sự [13] khảo sát năm 2010, của một số vật liệu xây dựng ở Ai Cập do
Medhat [14] khảo sát năm 2012, của thủy tinh-loại vật liệu có ưu thế về khả năng truyền
quang trong xây dựng công cộng- do El-Sersy và cộng sự [15] khảo sát năm 2014… Việc
khảo sát sử dụng các nguồn phóng xạ hoạt độ cao kéo theo nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe
cho các nhà khoa học khi tiếp xúc với nguồn phóng xạ. Hầu hết các nghiên cứu thực
nghiệm này đều sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe có độ phân giải cao nên cho kết quả rất
khả quan (sai lệch so với dữ liệu của trang NIST đều dưới 5%). Tuy nhiên, khi sử dụng,
đầu dò HPGe cần được làm lạnh ở nhiệt độ nitơ lỏng, điều này dẫn đến hao phí và sự kém
linh động của đầu dò HPGe trong việc đo đạc các vật liệu ở hiện trường. Trước đây, các
nhà nghiên cứu cũng sử dụng đầu dò NaI(Tl) hoạt động ở nhiệt độ phòng nên linh động
hơn, tuy nhiên độ phân giải của loại đầu dò này kém nên kết quả xử lý dễ sai số. Điều
này đã được khắc phục nhờ phương pháp xử lý phổ cải tiến trong cơng trình [1] và các


3

cơng trình nghiên cứu hồn thiện liên quan [25, 26], giúp mở ra hướng nghiên cứu có
hiệu quả về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy của kết quả. Việc đo thực nghiệm
hiển nhiên cho các kết quả đáng tin cậy trong khoa học, tuy nhiên vẫn có thể xuất hiện
sai số do sai lệch về cách bố trí thí nghiệm, sai số trong xử lý kết quả. Đặc biệt, các thí
nghiệm hạt nhân rất tốn kém nên việc khảo sát nhiều lần với nhiều trường hợp để giảm
sai số sẽ rất khó khăn, kém linh động.
Gần đây, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hạt nhân đã tích cực sử dụng phương
pháp mơ phỏng Monte Carlo để xác định các đặc trưng suy giảm đối với bức xạ gamma
của các loại vật liệu có nguyên tử số hiệu dụng khác nhau, đặc biệt là các vật liệu che
chắn vì thường được nghiên cứu tương tác với bức xạ gamma năng lượng cao. Năm 2013,
Gurler và Tarim [16] đã sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo khảo sát các đặc
trưng suy giảm bức xạ gamma đối với các loại xi măng và bê tơng đã có trong các nghiên

cứu thực nghiệm khác để phát triển phương pháp Monte Carlo, kết quả thu được rất phù
hợp giữa mơ phỏng và thực nghiệm. Trước đó, vào năm 2009, Moravek và cộng sự [17]
cũng đã xem xét tương tác của gamma trong nước bằng phương pháp Monte Carlo sử
dụng chương trình Geant4. Năm 2010, Stankovic và cộng sự [18] sử dụng chương trình
MCNP để mơ phỏng xác định hệ số suy giảm của bê tông thường và bê tông pha bari oxit
dùng để che chắn bức xạ. Đến năm 2014, Elkhayatt và cộng sự [19] sử dụng chương trình
MCNP 4B để mô phỏng xác định hệ số suy giảm của các vật liệu có số Z thấp ứng dụng
trong y tế. Các nghiên cứu của A.Waly và cộng sự [20] năm 2016 sử dụng chương trình
MicroShield cho thủy tinh pha chì, của Tarim [21] năm 2013, của Medhat và cộng sự
[22] năm 2014 cho các mẫu đất. Mới đây nhất, năm 2017, các cơng trình sử dụng phương
pháp mơ phỏng như của Tarim và cộng sự [23] khảo sát các đặc trưng suy giảm gamma
của thủy tinh bismuth borat, của Ozyurt và cộng sự [24] dùng chương trình GATE mô
phỏng cho các mẫu đá granite. Cho đến nay, đã có rất nhiều cơng trình sử dụng phương
pháp mơ phỏng dùng các chương trình tương thích khác nhau để nghiên cứu các đặc trưng
suy giảm bức xạ gamma của các loại vật liệu che chắn khác nhau hoặc kết hợp cả hai
phương pháp mô phỏng và thực nghiệm để so sánh độ tin cậy của kết quả thu được [27,


4

28, 29, 30, 31]…. Các kết quả mô phỏng thu được rất phù hợp với lý thuyết lấy từ XCOM
với sai lệch dưới 1% và sai lệch so với thực nghiệm dưới 16% [24]. Sự sai lệch so với
với thực nghiệm được các nhà nghiên cứu chỉ ra là do cách bố trí cấu hình đo và sự khơng
đồng nhất của vật liệu. Như vậy, phương pháp mô phỏng giúp cho các nhà nghiên cứu
khắc phục được vấn đề này.
Hiện nay, ở nước ta phương pháp mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình
MCNP5 đã được một số nhóm áp dụng chủ yếu trong lĩnh vực kiểm tra không phá hủy
mẫu - gọi tắt là NDT [1, 2, 3, 4, 6]. Việc áp dụng mô phỏng Monte Carlo để xác định các
đặc trưng suy giảm của các vật liệu che chắn ở nước ta vẫn còn là hướng nghiên cứu mới
mẻ. Trong một đề tài nghiên cứu, với phương pháp xử lý phổ cải tiến, tác giả Hoàng Đức

Tâm đã xác định bề dày thép C45 bằng phương pháp gamma tán xạ ngược sử dụng đầu
dò NaI(Tl), kết quả sai lệch giữa mô phỏng bằng MCNP5 và lý thuyết thu được dưới 3%
[1]. Các cơng trình nghiên cứu tương tự nhưng các tác giả xác định bề dày của vật liệu
khác là đồng, thép, nhơm [2]; của thành bình thủy tinh [6] hay dùng chương trình mơ
phỏng khác là Geant4 để xác định bề dày của vật liệu nhôm [3]. Riêng đề tài của tác giả
Hồ Thị Tuyết Ngân đã xác định số nguyên tử hiệu dụng và mật độ electron hiệu dụng của
một số nhựa, polymer phổ biến trên thị trường bằng phương pháp gamma truyền qua, kết
quả thu được có độ sai lệch so với lý thuyết của NIST dưới 2%. Trong đề tài này, để kiểm
tra tính chính xác của phương pháp mơ phỏng, tác giả đã dùng MCNP5 để tính lại các hệ
số suy giảm của nhựa PMMA và Kapton rồi so sánh với kết quả thực nghiệm đã có trước
đó, kết quả thu được có độ sai lệch dưới 5% [4].
Trong các phương pháp kiểm tra khơng phá hủy mẫu, ngồi các phương pháp như
siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, thẩm thấu lỏng…, hiện nay các nhà nghiên cứu đang rất
quan tâm đến phương pháp gamma truyền qua và phương pháp gamma tán xạ. Mỗi
phương pháp có một thế mạnh riêng được ứng dụng cho từng trường hợp cụ thể. Phương
pháp gamma truyền qua thường được sử dụng nhiều hơn nhờ cấu hình đo đơn giản, dễ
thực hiện và lý thuyết để tính các hệ số suy giảm cũng đơn giản [4, 8, 11, 12, 13, 14].
Trong thời gian gần đây, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước dần quan tâm hơn về


5

phương pháp gamma tán xạ [1, 2, 3, 5, 6, 32, 33]. Phương pháp gamma tán xạ tuy phức
tạp hơn so với phương pháp gamma truyền qua nhưng nhờ cấu hình có nguồn phát gamma
và đầu dị nằm cùng phía so với vật liệu bia nên rất phù hợp cho các trường hợp đo bia
dày, khơng thể đặt đầu dị phía sau bia như phương pháp gamma truyền qua. Đặc biệt, về
mặt kinh tế, việc kết hợp phương pháp gamma tán xạ để tạo ra các chùm photon hẹp năng
lượng khác nhau theo góc tán xạ từ một nguồn gamma năng lượng lớn duy nhất vào
phương pháp gamma truyền qua có thể giúp các nhà nghiên cứu giảm chi phí trong việc
chuẩn bị nguồn gamma, nhất là trong các nghiên cứu khảo sát các đặc trưng suy giảm đối

với tia gamma theo năng lượng photon tới.
Trong một số cơng trình nghiên cứu [8, 9, 12, 15, 18, 20, 21, 23, 24, 27, 30, 34], các
vật liệu thường dùng trong xây dựng như đất, đá, xi măng, bê tông, thép, thủy tinh…đã
được khẳng định về khả năng che chắn bức xạ. Năm 2017, hệ số suy giảm khối đối với
các chùm tia gamma hẹp ở các mức năng lượng 662 keV (nguồn

137

Cs), 1173 keV và

1332 keV (nguồn 60Co) của các mẫu đá Granite phổ biến trên thị trường đá xây dựng ở
Thổ Nhĩ Kì đã được đo bằng thực nghiệm và mô phỏng sử dụng mã GATE (là một ứng
dụng của chương trình Geant4 trong lĩnh vực chụp cắt lớp bức xạ) [24]. Các loại đá
Granite được biết đến như là loại vật liệu xây dựng bền, rẻ và có màu sắc đa dạng nên rất
được ưa chuộng. Qua kết quả trong cơng trình này, lợi ích của các mẫu đá Granite lại
được tăng lên qua khả năng che chắn phóng xạ tương đương với thủy tinh. Trước đó, vào
năm 2016, các hệ số suy giảm khối, nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng
đối với các chùm tia gamma hẹp ở các mức năng lượng 356 keV (nguồn 133Ba), 662 keV
(nguồn 137Cs), 1173 keV và 1332 keV (nguồn 60Co) của 9 mẫu thủy tinh trong hệ thủy
tinh pha chì đã được đo thực nghiệm bằng phương pháp gamma truyền qua [34]. Thủy
tinh là loại vật liệu che chắn đang được các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng rất
quan tâm để thay thế cho vật liệu bê tơng truyền thống nhờ tính linh động hơn. Ngồi ra,
thủy tinh cũng là loại vật liệu có hệ số truyền quang cao, rất phù hợp cho các cơng trình
xây dựng cơng cộng, nó lại rất dễ thay đổi hình dạng nên có tính thẩm mỹ cao. Chì là một
loại vật liệu được biết đến như là một loại vật liệu che chắn hiệu quả nhất hiện nay. Tuy


6

nhiên, việc sử dụng vật liệu chì với hàm lượng cao trong một thời gian dài lại ảnh hưởng

đến sức khỏe. Qua kết quả của cơng trình này, việc pha trộn một hàm lượng chì vào thủy
tinh giúp tăng hiệu quả che chắn bức xạ nhưng lại có nguy cơ ảnh hưởng cho sức khỏe
con người. Để loại bỏ hoàn tồn tác hại của chì, các nhà nghiên cứu tích cực tìm các chất
khác thay chì để pha trộn với thủy tinh mà vẫn đảm bảo che chắn bức xạ gamma hiệu
quả. Cụ thể, năm 2017, các nhà nghiên cứu đã khảo sát sự thay đổi của hệ số suy giảm
khối của hệ thủy tinh pha Gadolinium khi có oxit flo và khi khơng có oxit flo [27]. Kết
quả nghiên cứu của cơng trình cho thấy khả năng che chắn bức xạ của thủy tinh pha
Gadolinium bị giảm khi pha thêm oxit flo vào thành phần vật liệu.
Như vậy, việc xác định các đặc trưng suy giảm của gamma đối với các loại vật liệu
che chắn rất có ý nghĩa trong khoa học và thực tiễn. Trong các phương pháp được sử
dụng hiện nay, phương pháp mô phỏng Monte Carlo đã được nhiều cơng trình nghiên
cứu trong và ngồi nước kiểm tra tính chính xác và cho kết quả đáng tin cậy. Phương
pháp mơ phỏng cịn có ưu điểm linh động khi muốn thay đổi cấu hình hệ đo, năng lượng
photon tới, các loại vật liệu, hàm lượng chất pha hoặc khảo sát các loại vật liệu hỗn hợp
mới có khả năng che chắn tốt mà khi đo thực nghiệm sẽ rất khó khăn và hao phí. Đặc biệt
là trong các trường hợp sử dụng liều bức xạ cao, sử dụng phương pháp mô phỏng sẽ tránh
được cho các nhà nghiên cứu khỏi nguy cơ nhiễm bức xạ. Ngoài ra, việc kết hợp giữa hai
phương pháp gamma truyền qua và phương pháp gamma tán xạ, đồng thời sử dụng
phương pháp xử lý phổ cải tiến hứa hẹn mở ra cho các nhà nghiên cứu hướng nghiên cứu
hiệu quả về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu. Đây là
hướng nghiên cứu rất phù hợp cho điều kiện nghiên cứu còn hạn chế của nước ta hiện
nay trong lĩnh vực hạt nhân.
Sau khi tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước như trên, tôi đã chọn đề
tài: “Nghiên cứu các đặc trưng suy giảm của tia gamma đối với một số loại vật liệu bằng
phương pháp Monte Carlo” làm đề tài luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ của mình.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Trong đề tài, chúng tôi sẽ kiểm tra lại độ tin cậy
của phương pháp mô phỏng Monte Carlo, sử dụng chương trình MCNP5 để xác định các


7


đặc trưng suy giảm tia gamma gồm hệ số suy giảm khối, quãng đường tự do trung bình,
bề dày một nửa và bề dày một phần mười của các vật liệu che chắn bức xạ đã có kết quả
thực nghiệm ở 3 mức năng lượng 662, 1173, 1332 keV là các mẫu đá Granite [24], hệ
thủy tinh pha Gadolinium [27] và hệ thủy tinh pha chì [34]. Sau đó chúng tôi sẽ dùng
MCNP5 khảo sát sự thay đổi các đặc trưng suy giảm này theo các mức năng lượng photon
tới là 122, 145, 279, 320, 391, 511, 662, 835, 1115, 1173, 1275, 1332, 1408, 1836 keV
tương ứng với các nguồn 57Co, 141Ce, 203Hg, 51Cr, 120Sn, 22Na, 137Cs, 54Mn,65Zn,60Co, 22Na,
60

Co, 152Eu, 88Y sử dụng phương pháp gamma truyền qua với đầu dò nhấp nháy NaI(Tl),

kết hợp phương pháp xử lý phổ cải tiến. Tiếp theo, chúng tơi tìm hàm làm khớp sự thay
đổi của hệ số suy giảm khối theo năng lượng của 3 loại vật liệu này theo kết quả mô
phỏng và theo kết quả từ dữ liệu NIST. Từ hàm làm khớp phù hợp, chúng tôi sẽ nội suy
hệ số suy giảm khối cho các mức năng lượng mới và so sánh kết quả với dữ liệu NIST.
Sau cùng, chúng tôi sẽ kết hợp phương pháp gamma tán xạ để sử dụng 2 mức năng lượng
là 279 và 320 keV từ nguồn 662 keV (137Cs) để khảo sát các đặc trưng suy giảm gamma
của các loại vật liệu đã chọn theo cơ chế gamma truyền qua, kết quả được so sánh với
phương pháp truyền qua truyền thống dùng nguồn phóng xạ để phát năng lượng trực tiếp
qua bia vật liệu.
Mục đích nghiên cứu của đề tài: Cùng với sự phát triển của ngành khoa học hạt
nhân và các ứng dụng của nó, vấn đề chọn vật liệu che chắn bức xạ ngày càng cấp thiết
và đa dạng tùy theo mục đích sử dụng. Các vật liệu che chắn đơn chất như đồng, chì,
thép, nhơm khơng cịn đáp ứng đủ nhu cầu che chắn bức xạ gamma cả về chất lượng, tính
thẩm mỹ và ảnh hưởng sức khỏe con người. Điều này địi hỏi cần có thêm nhiều vật liệu
che chắn khác là các hợp chất hay hỗn hợp phù hợp với từng điều kiện sử dụng để người
dùng lựa chọn. Thông thường, để lựa chọn loại vật liệu che chắn phù hợp thì cần có dữ
liệu về các hệ số suy giảm đối với tia gamma của loại vật liệu đó, đặc biệt là hệ số suy
giảm khối. Đối với các loại vật liệu là hợp chất hay hỗn hợp thì việc xác định nguyên tử

số khá phức tạp vì nó thay đổi theo thành phần cấu tạo của hợp chất, mật độ vật liệu và
theo cả năng lượng photon tới. Nguyên tử số của các loại vật liệu này được gọi là nguyên


8

tử số hiệu dụng (Zeff). Ngoài ra, mật độ electron cũng ảnh hưởng đến sự suy giảm của bức
xạ gamma khi tương tác với vật liệu là hợp chất hay hỗn hợp được gọi là mật độ electron
hiệu dụng (Neff). Quãng đường tự do trung bình (MFP) cho chúng ta biết khoảng cách
giữa 2 lần va chạm liên tiếp khi photon di chuyển trong vật liệu bia. Bề dày một nửa
(HVT) cho biết bề dày của vật liệu làm cho năng lượng photon bị suy giảm đi một nửa.
Bề dày một phần mười (TVT) cho biết bề dày của vật liệu làm cho năng lượng photon bị
suy giảm đi mười lần. Trong nghiên cứu này, chúng tôi xác định cả 5 tham số là hệ số
suy giảm khối, nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng, quãng đường tự do
trung bình, bề dày một nửa, bề dày một phần mười cho các loại vật liệu gồm 19 mẫu hợp
chất và hỗn hợp bao gồm: 8 mẫu đá Granite, 9 mẫu thủy tinh pha chì và 2 mẫu thủy tinh
pha Gadolinium bằng phương pháp Monte Carlo thông qua chương trình mơ phỏng
MCNP5, nhằm bổ sung dữ liệu khả quan nhất về khả năng che chắn của chúng. Các kết
quả mơ phỏng thu được đều được chúng tơi tính độ lệch tương đối RD (%) so với kết quả
thực nghiệm trong các cơng trình [24, 27, 34] và với kết quả lý thuyết. Việc sử dụng
phương pháp mô phỏng xác định các hệ số suy giảm tia gamma có độ sai lệch ít so với
kết quả thực nghiệm và kết quả lý thuyết lấy từ trang NIST cũng góp phần làm tăng độ
tin cậy của phương pháp. Đồng thời, trong nghiên cứu này, chúng tôi kết hợp phương
pháp xử lý phổ cải tiến có thể sử dụng đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) với độ phân giải kém
hơn đầu dò bán dẫn HPGe nhưng vẫn cho kết quả có độ tin cậy cao, góp phần bổ sung
thêm cho các nhà nghiên cứu phương pháp nghiên cứu hạt nhân bằng mô phỏng một cách
tin cậy và tiết kiệm về chi phí. Ngồi ra, trong luận văn, chúng tơi tiến hành tìm hàm khớp
thể hiện quy luật thay đổi của hệ số suy giảm khối theo năng lượng của các loại vật liệu
đã chọn nhằm giúp cho các nhà nghiên cứu có cơ sở nghiên cứu hệ số này cho các mức
năng lượng khác hoặc cho các loại vật liệu che chắn khác có liên quan, giúp tiết kiệm

thời gian cũng như chi phí nghiên cứu. Như vậy, đề tài: “Nghiên cứu các đặc trưng suy
giảm của tia gamma đối với một số loại vật liệu bằng phương pháp Monte Carlo” mà
chúng tôi chọn thực hiện có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn và khoa học.


9

Nội dung luận văn: Ngoài phần phụ lục, các danh mục hình vẽ và bảng biểu, phần
mở đầu và phần kết luận thì nội dung chính của luận văn gồm 3 chương trình bày các nội
dung như sau:
Chương 1. Tổng quan về tương tác của bức xạ gamma với vật chất. Phương pháp
gamma truyền qua và phương pháp gamma tán xạ. Chương này trình bày 3 tương tác chủ
yếu của bức xạ gamma với vật chất là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng
tạo cặp. Cách xác định hệ số suy giảm tuyến tính đối với bức xạ gamma của các vật liệu
che chắn bằng cả 2 phương pháp gamma truyền qua và phương pháp gamma tán xạ. Cơ
sở lý thuyết để xác định các đặc trưng suy giảm của vật liệu từ hệ số suy giảm tuyến tính.
Chương 2. Phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP5. Mơ hình mơ phỏng
Monte Carlo. Chương này trình bày tổng quan về mô phỏng và các đặc điểm của phương
pháp Monte Carlo, cấu trúc xây dựng chương trình MCNP5 trong mô phỏng tương tác
của photon với vật chất. Cấu hình mơ phỏng hệ đo gamma truyền qua, kết hợp gamma
tán xạ trong hệ đo gamma truyền qua bằng chương trình MCNP5 và các thơng tin cần
thiết cho việc mơ phỏng.
Chương 3. Kết quả và thảo luận. Trong chương này, đầu tiên chúng tơi trình bày và
thảo luận các kết quả thu được về các đặc trưng suy giảm gamma bằng mô phỏng sử dụng
phương pháp gamma truyền qua, so sánh các kết quả này với cơ sở dữ liệu của NIST và
các kết quả thực nghiệm trong 3 công trình nghiên cứu [24, 27, 34]. Tiếp theo, chúng tơi
trình bày và thảo luận các tham số và hệ số tương quan R2 của dạng hàm làm khớp hệ số
suy giảm khối theo năng lượng, các giá trị hệ số suy giảm khối nội suy từ hàm khớp được
và đánh giá độ lệch RD (%) so với NIST và so với mơ phỏng. Sau cùng, chúng tơi trình
bày và thảo luận kết quả thu được về các đặc trưng suy giảm gamma bằng mô phỏng sử

dụng phương pháp gamma truyền qua có kết hợp gamma tán xạ để điều chỉnh năng lượng
photon tới, so sánh độ tin cậy của kết quả khi sử dụng phương pháp này với phương pháp
gamma truyền qua.


10

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA
VỚI VẬT CHẤT. PHƯƠNG PHÁP GAMMA TRUYỀN QUA
VÀ PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ
1.1. Tổng quan về tương tác gamma với vật chất
Khi đi xuyên qua vật chất, các hạt photon trong tia gamma không mang điện nên
không trực tiếp ion hóa các nguyên tử vật chất. Tuy nhiên, năng lượng của các photon
này có thể làm bật các electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hoặc tạo ra cặp electronpozitron. Chính các hạt mang điện này sẽ ion hóa các phân tử môi trường vật chất khi
bức xạ gamma tương tác với vật chất. Phần này sẽ trình bày 3 loại tương tác chủ yếu


11

gồm: Hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton (hay còn gọi là tán xạ không kết hợp) và hiệu
ứng tạo cặp.
1.1.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của chùm tia gamma với electron liên
kết chủ yếu ở lớp K trong nguyên tử vật chất. Đây là loại tương tác xảy ra chủ yếu đối
với chùm tia photon năng lượng thấp (<1 MeV) [4]. Kết quả là các electron liên kết hấp
thụ toàn bộ năng lượng của photon tới, chuyển lên trạng thái kích thích và bị bắn ra khỏi
nguyên tử trở thành các quang electron.
Các electron quỹ đạo K có năng lượng liên kết với hạt nhân nguyên tử là A, khi
nhận toàn bộ năng lượng của photon tới sẽ bứt ra khỏi nguyên tử với động năng ban đầu
cực đại là Ke. Theo thuyết lượng tử ánh sáng và định luật bảo toàn năng lượng,

K

hν

A,

(1.1)

với Eγ = hν là năng lượng photon tới.
Hiệu ứng quang điện có hiệu suất lớn nhất khi tương tác xảy ra với các electron liên
kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử (lớp quỹ đạo K) và hầu như không xảy ra khi bức xạ
tương tác với các electron tự do. Các quang electron bứt ra để lại các vị trí mang điện
dương trên quỹ đạo gọi là các lỗ trống, các electron ở các quỹ đạo bên ngoài sẽ chuyển
xuống lấp đầy các lỗ trống này. Quá trình này dẫn đến việc phát ra các tia X đặc trưng
hoặc bứt các electron Auger tiếp theo.


12

Quang electron
Gamma tới

Tia X

Hình 1.1. Mơ hình hiệu ứng quang điện [35]
Tiết diện của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng Eγ của photon tới và
nguyên tử số Z của vật liệu [7]:
σqđ ≈ Z5 Eγ 7/2 .

(1.2)


Theo công thức (1.2), tiết diện của hiệu ứng quang điện có giá trị lớn đối với bia là
các vật liệu đơn nguyên tử nặng (có số Z lớn) và năng lượng chùm bức xạ gamma nhỏ.
Ta có thể nói, hiệu ứng quang điện là loại tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất có
ý nghĩa quan trọng khi mơi trường vật chất là nguyên tố nặng hấp thụ các photon năng
lượng thấp [4].
1.1.2. Tán xạ Compton
Khác với hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton là quá trình tương tác giữa photon
năng lượng cao (cỡ vài MeV) [4] với electron liên kết yếu ở lớp ngồi, trong đó photon
sẽ truyền một phần năng lượng cho electron tự do này làm cho nó kích thích và bị đánh
bật ra khỏi ngun tử, khi đó năng lượng và động lượng của photon sẽ bị giảm đi và bay
ra theo một phương mới lệch với phương ban đầu một góc θ.


13

Gamma tán xạ


Gamma tới


Electron bay ra
Hình 1.2. Mơ hình tán xạ Compton [36]
Tán xạ Compton là một quá trình phức tạp với sự thay đổi hướng bay của photon
phụ thuộc vào sự không đồng nhất của chiết suất môi trường vật chất. Tuy nhiên, một
cách đơn giản có thể xem tán xạ Compton như là sự va chạm của các quả cầu trong mơi
trường nên định luật bảo tồn năng lượng và động lượng vẫn được bảo tồn. Khi đó, động
năng của electron sau tán xạ sẽ được xác định:
Ke Eγ  E'γ


h h’

h

1

h
λc (1 cos θ )
= Eγ
λc (1 cos θ )
1 λc (1 cos θ )

(1.3)

Ta tính được năng lượng của photon sau tán xạ:
E'γ

Eγ

1
1 λc (1

cos θ )

(1.4)

với
 E = h : Năng lượng photon tới;



E'γ = h’: Năng lượng photon sau tán xạ;

 𝜆


h
, với m0c2 = 511 keV là năng lượng nghỉ của electron;
m0 .𝑐2

θ : Góc tán xạ, là góc hợp bởi hướng chùm tia gamma tới và hướng của chùm tia

gamma tán xạ.