Mô phỏng Monte Carlo bằng chương trình MCNP và kiểm chứng thực nghiệm phép đo chiều dày vật liệu đối với hệ chuyên dụng MYO-101

MÔ PHỎNG MONTE CARLO BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP VÀ KIỂM CHỨNG THỰC NGHIỆM PHÉP ĐO CHIỀU DÀY VẬT LIỆU ĐỐI VỚI HỆ CHUYÊN DỤNG MYO-101 doikhongdoithủpo@yahoo.com.vn Tóm tắt: Hiện nay, phép đo chiều dày vật liệu dựa trên hiệu ứng gamma tán xạ ngược được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ở nước ta. Báo cáo trình bày việc khảo sát chiều dày một số vật liệu như giấy, plastic, nhôm và thép trên hệ đo chuyên dụng MYO-101 (sử dụng đầu dò nhấp nháy YAP(Ce) và tia gamma 60 keV của nguồn Am-241) bằng phép mô phỏng Monte-Carlo sử dụng chương trình MCNP và đã được kiểm chứng bằng phép đo thực nghiệm. Kết quả cho thấy chúng phù hợp nhau trong phạm vi sai số. Nghiên cứu này rất có ích cho công tác đào tạo nhằm phát triển nguồn nhận lực về lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp ở Việt Nam. Từ khóa: Mô phỏng Monte-Carlo, MCNP, gamma tán xạ ngược, đầu dò nhấp nháy, kỹ thuật hạt nhân. MỞ ĐẦU Hiện nay, phương pháp bức xạ tán xạ được ứng dụng trong các ngành công nghiệp để đo chiều dày vật liệu nhẹ, như ở các nhà máy giấy với việc sử dung hệ đo chuyên dụng dùng nguồn phóng xạ beta hay gamma mềm. Ưu điểm của phương pháp này là đo chiều dày vật liệu chỉ cần dùng một phía của vật liệu (nguồn phóng xạ và detector ở cùng môt phía, thuận lợi trong hệ thống băng chuyền công nghiệp), tốt với vật liệu nhẹ nhưng hiệu suất xác định thấp [4]. Tuy nhiên về mặt lý thuyết, việc hiểu bản chất một cách trực quan về hiệu ứng tán xạ Compton còn là điều khó khăn đối với học viên khi tiến hành các bài thực tập về đo cường độ và chiều dày vật liệu sử dụng bức xạ tán xạ. Vì vậy, để hỗ trợ và so sánh với kết quả đo thực nghiệm, trong báo cáo này đã áp dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng Monte Carlo bằng chương trình MCNP (Monte Carlo N-Particles) đối với phép đo chiều dày một số liệu nhẹ khác nhau dựa trên hiệu ứng bức xạ gamma tán xạ ngược [1,2]. Thiết bị thực nghiệm là hệ đo chiều dày vật liệu chuyên dụng MYO-101 dựa trên hiệu ứng gamma tán xạ ngược, được NuTEC/JAEA, Nhật Bản viện trợ năm 2007. Hệ này dùng nguồn kín Am-241 (hoạt độ 370 MBq, năng lượng gamma 60 keV) được đặt cố định trong detector nhấp nháy chuyên dụng YAP(Ce) [Yttrium Aluminum Perovskite with activated Cerium], đã được sử dụng đo thực nghiệm trong một số khóa huấn luyện về “Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp và môi trường“ phối hợp với NuTEC/JAEA tổ chức tại Viện Nghiên cứu hạt nhân. Nội dung của báo cáo này gồm 2 phần: phần mô phỏng lý thuyết phép đo cường độ chiều dày vật liệu trên hệ MYO-101 bằng chương trình MCNP, phần đo thực nghiệm số liệu chiều dày một số vật liệu nhẹ (như giấy, plastic, nhôm và thép), và kết qủa so sánh giữa số liệu mô phỏng lý thuyết và kết quả đo thực nghiệm [2,5,7]. Đối với hiệu ứng tán xạ ngược, cường độ I của gamma tán xạ là hàm của chiều dày x của vật liệu như sau: I(x) = I0 + Is[1 - exp(-mx)] (1) trong đó I0 là cường độ bức xạ tán xạ phông (khi không có vật liệu); Is là hệ số và Is{1 - exp[(-(m/ρ)x]} là cường độ bức xạ tán xạ của vật liệu; m là hệ số hấp thụ tuyến tính của vật liệu; ρ là mật độ của vật liệu (g/cm3) và x là chiều dày khối của vật liệu (g/cm2) [2]. THỰC NGHIỆM Thí nghiệm mô phỏng sử dụng nguồn Am-241 hình trụ (có kích thước hình học được minh họa trên Hình 1 và mô phỏng bằng MCNP trên Hình 2), đặt trong detector nhấp nháy chuyên dụng YAP(Ce) của hệ MYO-101 để đo chiều dày vật liệu nhẹ (giấy trắng, giấy vàng, plastic, nhôm và thép) dựa trên hiệu ứng gamma tán xạ ngược. Các tấm vật liệu chuẩn (kích thước 10x10 cm2/tấm) với chiều dày khác nhau được đặt đối diện và xuyên tâm so với nguồn Am-241 (sát bề mặt nguồn). Sau đó đo tốc độ đếm xung khi tăng dần các tấm vật liệu của mỗi loại. Bề dày các loại vật liệu này được tăng dần đến khi số đếm thu được đạt mức bão hòa [2]. Hình 1. Kích thước hình học của nguồn Am-241. Hình 2. Sơ đồ 3D nguồn Am-241 mô phỏng bằng MCNP (xz). Hệ đo chuyên dụng MYO-101 bao gồm các khối sau: detector với tinh thể nhấp nháy YAP(Ce) hình giếng (đường kính ngoài 60 mm; đường kính trong 15 mm; dày 1 mm; cửa sổ bằng nhôm dày 0,3 mm) và ống nhân quang làm việc ở cao thế 1300 V; nguồn Am-241 dạng đĩa (đường kính ngoài 8 mm và cao 5 mm; đường kính nguồn 4,2 mm; cửa sổ berilli dày 1 mm) với hoạt độ 370 MBq (10 mCi), được đặt trong giếng của tinh thể. Hình ảnh của detector có hình học như Hình 3 và được mô phỏng bằng phần mềm MCNP (có thêm phần chì che chắn phía bên, trước tinh thể) được thể hiện trên Hình 4 [1]. Tungsten container (Collimator) Collimator Housing Photomultiplier Fitting for probe Hình 3. Kích thước hình học detector nhấp nháy YAP(Ce). Với mô hình là hệ đo MYO-101, cho chương trình chạy 50.000.000 hạt gieo thì thu được bảng số liệu tính toán từ MCNP và so sánh với kết quả tiến hành đo thực nghiệm [3]. Qua các bảng số liệu, có thể xây dựng các đồ thị và phương trình làm khớp cửa từng loại vật liệu khác nhau. Việc xử lý kết quả đo và vẽ đồ thị được thực hiện bằng phần mềm Origin. Kết quả phương trình làm khớp, chiều dày bão hòa 97% cho mỗi loại vật liệu được nêu trong Bảng 1, trong đó ký hiệu I là tốc độ đếm xung (cps) và x là chiều dày khối (g/cm2). Bảng 1. So sánh đặc trưng vật liệu được đo từ thực nghiệm trên hệ MYO-101 và mô phỏng bằng phần mềm MCNP. TT Vật liệu Thực nghiệm MCNP Độ lệch (%) Phương trỡnh làm khớp Chiều dày bóo hũa (cm) Phương trỡnh làm khớp Chiều dày bóo hũa (cm) 1 Giấy trắng 6,90 7,97 13,44 2 Giấy vàng 6,87 7,88 12,87 3 Plastic 5,61 6,10 8,14 4 Nhôm 6,80 7,10 4,19 5 Thép 1,07 1,10 3,23 Đồ thị mô tả sự phụ thuộc giữa tốc độ đếm theo chiều dày khối được trình bày trên Hình 5 đối với giấy trắng, Hình 6 đối với giấy vàng, Hình 7 đối với plastic, Hình 8 đối với nhôm và Hình 9 đối với thép. Hình 4. Sơ đồ cắt dọc của hệ gamma tán xạ ngược mô phỏng bằng MCNP (xz). Hình 5. Đồ thị so sánh tốc độ đếm theo bề dày giữa mô phỏng bằng MCNP và thực nghiệm đối với giấy trắng. Hình 6. Đồ thị so sánh tốc độ đếm theo bề dày giữa mô phỏng bằng MCNP và thực nghiệm đối với giấy vàng. Hình 7. Đồ thị so sánh tốc độ đếm theo bề dày giữa mô phỏng bằng MCNP và thực nghiệm đối với plastic. Hình 8. Đồ thị so sánh tốc độ đếm theo bề dày giữa mô phỏng bằng MCNP và thực nghiệm đối với nhôm. Hình 9. Đồ thị so sánh tốc độ đếm theo bề dày giữa mô phỏng bằng MCNP và thực nghiệm đối với thép. So sánh số liệu giữa thực nghiệm và tính toán bằng MCNP có thể rút ra hệ số chuyển đổi đối với một số loại vật liệu cho hệ đo MYO-101 như chỉ ra trong Bảng 2 [3]. Bảng 2. Hệ số chuyển đổi giữa thực nghiệm và MCNP đối với một số loại vật liệu cho hệ đo MYO-101. TT Vật liệu Thực nghiệm MCNP Hệ số chuyển đổi 1 Giấy trắng 0,51 0,44 1,16 2 Giấy vàng 0,51 0,44 1,15 3 Plastic 0,62 0,57 1,09 4 Nhôm 0,52 0,49 1,04 5 Thép 3,28 3,18 1,03 Trung bình 1,09 Từ việc so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy khi bề dày vật liệu càng lớn, cường độ tán xạ ngược càng tăng. Tuy nhiên cường độ gamma tán xạ ngược chỉ tăng đến một mức nào đó và không tăng nữa khi tăng thêm bề dày. Trong trường hợp ở đây với nguồn Am-241 thì vật liệu nhẹ thường dùng để đo chiều dày dựa trên hiệu ứng tán xạ ngược là giấy trắng, giấy vàng, plastic, nhôm và thép. Khi tăng bề dày vật liệu đến ngưỡng xác định như trong Bảng 1 thì số đếm không tăng nữa ta xem như đây là bề dày bão hòa của tán xạ ngược đối với từng loại vật liệu (vật liệu càng nặng thì chiều dày bão hòa càng nhỏ) với năng lượng và góc tán xạ theo bố trí hình học của hệ đo chiều dày vật liệu MYO-101. Điều này được giải thích là do khi tăng bề dày vật liệu thì tia gamma sẽ có cơ hội gây tán xạ nhiều hơn và khi đó nó bị quá trình hấp thụ trong vật liệu gây cạnh tranh và khi tăng bề dày tới một giá trị nào đó thì hai quá trình tán xạ và hấp thụ sẽ bù trừ nhau. Do đó số tia gama tán xạ ngược có thể thoát ra khỏi vật liệu để đến tinh thể detector là không đổi nữa và tạo nên vùng bão hòa [4,5,6]. Từ Bảng 2 ta thấy rằng, sai số tương đối giữa kết quả tính toán mô phỏng và đo thực nghiệm nằm trong dải 3,3 - 15,5% và sai số tăng dần từ vật liệu thép (3,3%) đến giấy trắng (15,5%). Điều này cũng dễ hiểu vì đối với vật liệu nhẹ nhất là giấy, phải sử dụng nhiều tấm khi tăng chiều dày nhưng trong MCNP đã bỏ qua các lớp không khí mỏng giữa 2 tấm liền nhau nên có sự sai khác nhiều hơn so với các vật liệu nặng hơn như thép hay nhôm. KẾT LUẬN Qua kết quả so sánh giữa tính toán MCNP và đo đạc bằng thực nghiệm, có thể thấy tính ưu việt của chương trình MCNP trong quá trình mô phỏng hiệu ứng gamma tán xạ ngược đối với hệ đo chuyên dụng MYO-101 sử dụng detector nhấp nháy YAP(Ce). Kết quả bước đầu thực hiện trên một số loại vật liệu như giấy trắng, giấy vàng, plastic, nhôm và thép đã xác định được hệ số chuyển đổi từ MCNP qua thực nghiệm. Các kết quả này sẽ là cơ sở giúp cho quá trình nghiên cứu các vật liệu nhẹ khác bằng mô phỏng nhằm dự đoán hệ số hấp thụ tuyến tính, dự đoán bề dày bão hòa trước khi tiến hành thực nghiệm. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu này còn rất có ích đối với công tác đào tạo cán bộ cũng như sinh viên về lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kunihiro Ishii, Gamma-ray Gauge: Model MYO-101, Ohyo Keken Kogyo Co.Ltd, Japan (2006). [2] Hiroshi Tominaga, Experimental practice for nucleonic thickness gauge, NuTEC/JAEA, Japan (2007). [3] I.F. Briesmeister, Ed., MCNP4C2 - Monte Carlo N-Particle Transport Code System, CCC-701 (2001). [4] IAEA-TECDOC-1459, Technical data on nucleonic gauges, IAEA (2005). [5] Glen F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, Third edition, John Wiley & Sons (1999). [6] Gordon R.Gilmore, Practical Gamma-ray Spectrometry, Second Edition, Nuclear Training Services Ltd Warrington, UK, John Wiley & Sons Ltd (2008). [7] Syed Naeem Ahmed, Physics and Engineering of Radiation Detection, First edition, Academic Press Inc, Published by Elsevier (2007). MONTE CARLO SIMULATION BY CODE OF MCNP AND EXPERIMENTAL CHECK FOR MEASURING THICKNESS OF MATERIALS FOR THE SPECIALIZING SYSTEM OF MYO-101 Abstract: At present, thickness measurement of materials based on effect of backscattering gamma has been used widely in industry in our country. The report was presented research in thickness of some materials such as paper, plastic, aluminum and steel using the specializing system of MYO-101 (with using scintillation detector of YAP(Ce) and gamma-ray of 60 keV of source of Am-241) by Monte-Carlo simulation with using the code of MCNP, and the simulation was checked by experimental measurements. The results were shown that they were in accordance with the range of error. This research has been useful for training activities in order to human resources development in the field of application of nuclear technique in industry in Vietnam. Keywords: Monte-Carlo simulation, Monte Carlo N-Particle, Backscattering gamma, Scintillation detector, Nuclear technique.