Tính toán tiết diện Compton của nhôm, sắt, đồng, thép C45 và thép CT3 trong vùng năng lượng 250 keV–2600 keV

Trong bài viết này, tiết diện tán xạ Compton đối với một số vật liệu như nhôm, sắt, đồng, thép C45 và CT3 đã được tính toán bằng chương trình Mathematica và Fortran 95 cho vùng năng lượng từ 250 keV đến 2600 keV.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính toán tiết diện Compton của nhôm, sắt, đồng, thép C45 và thép CT3 trong vùng năng lượng 250 keV–2600 keVScience & Technology Development, Vol 18, No.T1- 2015Tính toán tiết diện Compton của nhôm,sắt,đồng, thép C45 và thép CT3 trongvùng năng lượng 250 keV–2600 keV Nguyễn Thảo Ngân Trần Thiện Thanh Châu Văn TạoTrường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Lê Quang Vương Nguyễn Thị Bình Hoàng Đức TâmTrường Đại học Sư phạm TpHCM( Bài nhận ngày 17 tháng 11 năm 2014, nhận đăng ngày 18 tháng 06 năm 2015)TÓM TẮTTrong công trình này, tiết diện tán xạgamma truyền qua để xác định hệ số suyCompton đối với một số vật liệu như nhôm,giảm tuyến tính từ đó tính toán tiết diệnsắt, đồng, thép C45 và CT3 đã được tínhCompton. Độ sai biệt lớn nhất 6 % cho thấytoán bằng chương trình Mathematica vàchương trình tính toán phù hợp tốt với cơ sởFortran 95 cho vùng năng lượng từ 250 keVdữ liệu NIST, chương trình MCNP5 và thựcđến 2600 keV. Bên cạnh đó, chương trìnhnghiệm.MCNP5 và thực nghiệm đã sử dụng kỹ thuậtTừ khóa: Tiết diện Compton, MCNP5, gamma truyền qua.GIỚI THIỆUPhương pháp gamma tán xạ được ứng dụngnhiều trong các lĩnh vực kiểm tra không phá hủy(NDT – Non-destructive testing) như xác định độăn mòn vật liệu [5], đo độ dày của phim hữu cơphủ trên tấm thép [2], kiểm tra khuyết tật trên cấutrúc đa lớp [4], đo mật độ của chất lỏng [6],…Các ứng dụng này cho thấy được tầm quan trọngcũng như tính phổ biến của phương pháp gammatán xạ. Ưu điểm của phương pháp này là nguồngamma và thiết bị ghi đo không cần tiếp xúc trựctiếp với đối tượng cần đo, nguồn phát gamma vàđầu dò có thể đặt cùng một phía so với vật mẫu.Do đó, khi cần đo trực tiếp các vật mẫu đặt trongmột môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, áp suấtlớn,…) hoặc khi điều kiện đo chỉ cho phép hệ đotiếp cận từ một phía (thành lò chịu nhiệt, ốngtrụ,…) thì hệ đo tán xạ gamma là giải pháp hữuTrang 34hiệu. Tiết diện tán xạ Compton trở nên lớn hơntiết diện hiệu ứng quang điện và tiết diện hiệuứng tạo cặp trong vùng năng lượng từ 250 keVđến 3000 keV. Do đó, tính toán tiết diện tán xạCompton hỗ trợ tốt cho các nghiên cứu tương táccủa gamma với mẫu sinh học [7].Trong công trình này, một chương trình tínhtoán được phát triển để tính tiết diện tán xạCompton dựa trên công thức Klein – Nishina [1]đối với vật liệu dạng đơn chất (nhôm, sắt, đồng)và hỗn hợp (thép CT3, thép C45). Kết quả tínhtoán được so sánh với thực nghiệm và mô phỏngbằng chương trình MCNP5. Độ sai biệt 6 % giữachương trình phát triển với thực nghiệm, môphỏng và cơ sở dữ liệu NIST [11]. Điều này chothấy, chương trình tính toán của chúng tôi là đángTAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ T1 - 2015tin cậy và có thể áp dụng tính toán tiết diệnCompton cho các vật liệu khác.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUCơ sở lý thuyếtTiết diện vi phân của tán xạ Compton đượctính toán bằng công thức Klein – Nishina [1]:1  cos2  2 (1  cos)2 d 21 (1)   re2 2d2[1  (1  cos)]  (1  cos )[1  (1  cos)]  ComptKhi lượng tử gamma tới mang năng lượng E(keV) tương tác với electron, tiết diện toàn phầntán xạ Compton được tính bằng công thức:Compt    c m2  104 e 22 23  182  16  4   2  2  2  (2) ln 1  2 232  1  2 re  e /  40 mc  ,  E / mc2 ,  e / 40 c , đơn vị tính của Compt là  cm2  .2Với2Công thức gần đúng để tính tiết diện tán xạCompton cho toàn bộ Z electron của nguyên tử[3]:Ctot  ZCompt(3)Đối với vật liệu đơn chất, tiết diện tán xạCompton được xác định thông qua hệ số hấp thụkhối Compton:Ctot M  Ctot N Av   Hệ số hấp thụ khối Compton của vật liệu hỗn hợpgồm n nguyên tố:n   C i Ctot i i 1  i(5)Công thức tính tiết diện tán xạ Compton đối vớivật liệu dạng hỗn hợp:Ctot n Zii i 1 M  n i  ComptniiN Av i 1 M ii 1 M iCtot(6)Trong đó, i là phần trăm khối lượng củanguyên tố thứ i và Ctot có đơn vị (cm2)Chương trình tính toánHình 1 thể hiện giải thuật tính tiết diện tán xạCompton bằng Fortran 95. Trong đó, số khối M,số bậc nguyên tử Z, khối lượng riêng  của cácnguyên tố được lấy theo NIST. Khối lượngelectron lấy theo đơn vị năng lượng, nghĩa làm  510,99891(keV).(4)Trong đó, M (mol/g) là khối lượng nguyên tử,N Av là hằng số Avogadro.Trang 35Science & Technology Development, Vol 18, No.T1- 2015Bắt đầui 1ts1  0ts2  0Đúngn: số nguyên tố có trong hỗn hợpSaiinNhập Mi , Zi , its1   ii 1 M ints1  ts1  i / M i1Tính Ctot22ts2  ts2   Zi i  / M iZts2   i ii 1 M inTính Compt1 26i  i 1Kết thúcHình 1. Lưu đồ chương trình tính tiết diện tán xạ Compton.Thành phần nguyên tố của thép C45 và thép CT3 được lấy theo tiêu chuẩn [10].Mô phỏng và thực nghiệmChìBiaĐầu dòNaI(Tl)ChìNaI(Tl)Nguồn(A)(B)Hình 2. Hệ thực nghiệ ...