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


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 

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



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

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

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

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

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


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

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

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)


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;
