Tải bản đầy đủ

Đánh giá hiện tượng ăn mòn của bề dày vật liệu bằng phương pháp gamma tán xạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ - VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
--------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

ĐÁNH GIÁ HIỆN TƯỢNG ĂN MÒN CỦA BỀ DÀY VẬT
LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ

SVTH: NGUYỄN HIỀN ĐĂNG
CBHD: TS. TRẦN THIỆN THANH
CBPB: ThS. LƯU ĐẶNG HOÀNG OANH

Tp. Hồ Chí Minh – 2014


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và làm khóa luận tốt nghiệp tại bộ môn Vật lý Hạt
nhân thuộc khoa Vật lý- Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành
phố Hồ Chí Minh, em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình, những lời động viên,
những đóng góp ý kiến quý báu cũng như sự tận tụy truyền đạt kinh nghiệm và kiến
thức của các thầy cô, bạn bè và gia đình. Khoảng thời gian em học tập tại bộ môn là
khoảng thời gian vô cùng quý báu, em đã được học những kiến thức cơ bản về
chuyên môn, kỹ năng làm việc, khả năng tư duy cũng như những kinh nghiệm trong
cuộc sống. Sau khi hoàn thành khóa luận, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
 Quý thầy cô bộ môn Vật lý Hạt nhân đã tạo môi trường học tập thân thiện,
gần gũi, nghiêm khắc để em học tập, tiếp thu kiến thức và tạo mọi điều kiện
cơ sở vật chất, trang thiết bị cần thiết để em có thể tiến hành thí nghiệm
nhanh và chính xác nhất.
 Thầy Trần Thiện Thanh, người hướng dẫn khoa học và là người thầy tận tình
giảng dạy, đóng góp ý kiến và những định hướng quan trọng để em hoàn
thành tốt khóa luận.
 Anh Võ Hoàng Nguyên đã chia sẻ những kinh nghiệm, đã đồng hành và hỗ
trợ kiến thức cũng như kỹ thuật khi em tiến hành thí nghiệm.
 Quý thầy cô phản biện và hội đồng khoa học đã dành thời gian đọc và cho ý
kiến đánh giá giúp khóa luận hoàn thiện hơn.
 Tập thể lớp 10VLHN đã giúp đỡ và tạo môi trường lành mạnh để tôi học tập.
 Gia đình tạo mọi điều kiện vật chất, tinh thần và luôn là điểm tựa để con vượt
qua khó khăn và sẻ chia niềm vui.
Tp.HCM, ngày 6 tháng 6 năm 2014

NGUYỄN HIỀN ĐĂNG


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................................... vi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ............................................................ 3
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu về phương pháp gamma tán xạ ngược ......... 3
1.1.1. Nghiên cứu của thế giới về phương pháp gamma tán xạ ........................... 3
1.1.2. Nghiên cứu trong nước về phương pháp gamma tán xạ............................. 4
1.2. Lý thuyết tán xạ ................................................................................................ 5
1.2.1. Phép đo gamma tán xạ ngược ..................................................................... 5


1.2.2. Tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần ............................................................. 6
1.3. Xác định bề dày và phương trình đường cong bão hòa ................................... 8
1.4. Nhận xét chương 1 ......................................................................................... 12
CHƯƠNG 2: HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC ............................................ 13
2.1. Khối nguồn ..................................................................................................... 14
2.2. Khối đầu dò .................................................................................................... 18
2.3. Bia tán xạ........................................................................................................ 21
2.4. Hệ cơ giá đỡ ................................................................................................... 22
2.5. Nhận xét chương 2 ......................................................................................... 24
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 25
3.1. Xử lý số liệu đo .............................................................................................. 25
3.2. Xây dựng đường cong bão hòa ...................................................................... 29
3.3. Đánh giá giá trị To của đường cong bão hòa .................................................. 33
3.3.1. Sử dụng ống chuẩn trực đầu dò đường kính 9,5 cm ................................. 33
3.3.2. Sử dụng chương trình MCNP ................................................................... 36
3.3.3. Xác định bề dày vật liệu khuyết tật .......................................................... 39
i


3.4. Nhận xét chương 3 ......................................................................................... 40
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 43
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 45

ii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Tiếng Anh

HPGe

High Purity Germanium

Germanium siêu tinh khiết

MCA

MultiChannel Analyzer

Máy phân tích đa kênh

MCNP

Monte Carlo N Particles

Chương trình mô phỏng MCNP

MSF

Tiếng Việt

Multiple Scattered

Phần đóng góp của tán xạ nhiều lần

Fraction

NDT

Non Destructive Testing

Kỹ thuật không phá hủy mẫu

USB

Universal Serial Bus

Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng

iii


DANH MỤC BẢNG
Chỉ số

Nội dung

bảng

Trang

2.1

Đặc trưng phát photon nguồn 137Cs

14

2.2

Hàm lượng các nguyên tố trong thép C45

21

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

Diện tích đỉnh tán xạ một lần sử dụng ống chuẩn trực đầu dò
đường kính 3 cm
Hệ số phương trình đường cong bão hòa được làm khớp loại
ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3 cm
Diện tích đỉnh tán xạ một lần vùng bão hòa loại ống chuẩn trực
đầu dò đường kính 3 cm
Hệ số phương trình đường thẳng được làm khớp loại ống chuẩn
trực đầu dò đường kính 3 cm
Diện tích đỉnh tán xạ một lần sử dụng ống chuẩn trực đầu dò
đường kính 9,5 cm
Hệ số phương trình đường cong bão hòa được làm khớp loại
ống chuẩn trực đầu dò đường kính 9,5 cm
Diện tích đỉnh tán xạ một lần vùng bão hòa loại ống chuẩn trực

3.7

3.8
3.9

đầu dò đường kính 9,5 cm
Hệ số phương trình đường thẳng được làm khớp loại ống chuẩn
trực đầu dò đường kính 9,5 cm
Diện tích đỉnh tán xạ một lần sử dụng chương trình MCNP

iv

29

30

31

32

33

34

35

36
37


3.10

3.11

3.12

Hệ số phương trình đường cong bão hòa được làm khớp của
MCNP
Diện tích đỉnh tán xạ một lần vùng bão hòa của chương trình
MCNP
Hệ số phương trình đường thẳng được làm khớp của chương
trình MCNP

v

37

38

39


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Chỉ số

Nội dung

hình

Trang

1.1

Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo gamma tán xạ ngược

6

1.2

Tán xạ Compton

7

1.3

Quá trình tán xạ một lần của gamma lên vật liệu

9

2.1

Bố trí hệ đo gamma tán xạ ngược

13

2.2

Hộp chứ nguồn phóng xạ 137Cs

15

2.3

Bản vẽ chi tiết hộp chứa nguồn

16

2.4

Bản vẽ chi tiết ống chuẩn trực nguồn

16

2.5

Bản vẽ chi tiết lắp ráp của khối nguồn

17

2.6

Hình ảnh khối nguồn thực tế

17

2.7

Đầu dò NaI(Tl)

18

2.8

Bản vẽ chi tiết khối đầu dò

19

2.9

Ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3 cm

20

2.10

Chương trình Amptek ADMCA

20

2.11

Các bia tán xạ

22

2.12

Mô hình xe nâng và khung dịch chuyển

23

2.13

Bố trí khối nguồn và khối đầu dò

24

3.1

Phổ gamma tán xạ loại bia dày 1,826 cm

25

3.2

Phổ gamma tán xạ loại bia dày 1,826 cm và phông môi trường

26

3.3
3.4

Phổ gamma tán xạ loại bia dày 1,826 cm sau khi trừ phông môi
trường
Làm khớp diện tích đỉnh tán xạ một lần của bia 1,826 cm

vi

27
28


3.5
3.6

3.7

3.8

3.9

Sự lệch phổ của bia có bề dày 1,826 cm
Đường cong bão hòa loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3
cm
Đồ thị phương trình đường thẳng loại ống chuẩn trực đầu dò
đường kính 3 cm
Đường cong bão hòa loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính
9,5 cm
Đồ thị phương trình đường thẳng loại ống chuẩn trực đầu dò
đường kính 9,5 cm

28
30

32

34

35

3.10

Đường cong bão hòa bằng chương trình MCNP

36

3.11

Đồ thị phương trình đường thẳng bằng chương trình MCNP

38

3.12

Mẫu khuyết tật của bia thép và inox

39

vii


MỞ ĐẦU
Ngày nay khoa học kỹ thuật ngày càng hiện đại, nên những hiểu biết của con
người về hạt nhân nguyên tử ngày càng nhiều. Chính vì thế, con người ngày càng
chủ động nắm bắt và ứng dụng chúng vào thực tiễn trong tất cả mọi lĩnh vực trong
cuộc sống: y học, quân sự, công nghiệp, khảo cổ…và đạt được nhiều thành tựu. Bên
cạnh đó cũng có những hạn chế: ô nhiễm môi trường, đột biến…nhưng lợi ích có
được là vô cùng lớn.
Việt Nam đang triển khai ứng dụng những thành tựu khoa học về hạt nhân
nguyên tử trong nhiều lĩnh vực như trong y học có: máy PET, PET/CT…phục vụ
cho việc chẩn đoán và điều trị; trong công nghiệp: diệt khuẩn dụng cụ y tế, nông
sản, kiểm tra chất lượng công trình, đường ống, thăm dò dầu mỏ, đặt biệt là chuẩn bị
xây dựng nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận…
Trong công nghiệp, việc kiểm tra những sai sót trong đường ống, bê tông, các
mối hàn…rất quan trọng. Có nhiều phương pháp để kiểm tra như siêu âm, chụp X
quang, đo bức xạ bằng kỹ thuật đo gamma truyền qua, phương pháp gamma tán xạ
ngược…Trong đó phương pháp gamma tán xạ ngược có những ưu điểm đặc trưng
như sau:
-

Phương pháp gamma tán xạ ngược làm việc được khi đối tượng cần đo trong
môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, áp suất lớn.

-

Trong những điều kiện phức tạp như đối tượng làm việc quá lớn khi đó
không gian làm việc lại hạn chế, hay ta chỉ tiếp cận được một phía…Phương
pháp gamma tán xạ ngược vẫn thực hiện được vì không cần tiếp xúc với đối
tượng cần kiểm tra, tất cả các thiết bị từ nguồn đến đầu dò đều nằm cùng một
phía.

-

Có tính cơ động cao, nguồn có hoạt độ thấp và thao tác đơn giản.

-

Phương pháp gamma tán xạ ngược không làm thay đổi hay phá hủy cấu trúc,
đặc tính của mẫu, cho kết quả nhanh và chính xác tiết kiệm được tối đa thời
gian thực hiện.

1


Trong khóa luận này tác giả sử dụng phương pháp gamma tán xạ ngược để
nghiên cứu trên vật liệu thép C45 dạng tấm phẳng 10 cm x 10 cm với bề dày của
từng tấm là khác nhau, sử dụng nguồn phóng xạ

137

Cs có hoạt độ 5mCi, và đầu dò

nhấp nháy NaI(Tl) 7,6 cm x 7,6 cm.
Nội dung khóa luận được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong nước và thế giới về phương
pháp gamma tán xạ ngược. Trình bày những lý thuyết liên quan đến phép đo tán xạ
ngược.
Chương 2: Trình bày về mô hình của hệ đo, những cấu tạo chi tiết của các bộ
phận trong hệ và cách bố trí thí nghiệm để có một phép đo hoàn chỉnh.
Chương 3: Xử lý số liệu thực nghiệm và đưa ra kết quả: phổ gamma thu được
từ thực nghiệm tính toán tìm ra phương trình đường cong bão hòa. So sánh giá trị To
giữa thực nghiệm và mô phỏng, tính toán giá trị bề dày của vật liệu bị khuyết tật.

2


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu về phương pháp gamma tán xạ ngược
Phương pháp gamma tán xạ ngược là phương pháp kiểm tra khuyết tật của sản
phẩm mà không cần phá hủy mẫu (NDT). Phương pháp này có những ưu điểm vượt
trội, vì vậy trên thế giới và trong nước có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng.
Phần lớn sử dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo và phân thành hai hướng:
-

Ứng dụng gamma tán xạ ngược trong việc kiểm tra không phá hủy mẫu: phát
hiện vết nứt trong bê tông, mối hàn, kiểm tra đánh giá mức độ ăn mòn của
vật liệu hay trong các đường ống, đo mực chất lỏng, xác định mật độ hay bề
dày của vật liệu…

-

Nghiên cứu khảo sát các hiện tượng tán xạ một lần hay nhiều lần theo cách
bố trí hình học khác nhau: thay đổi góc tán xạ, thay đổi ống chuẩn trực, thay
đổi hình dạng hoặc vật liệu của bia, thay đổi nguồn phóng xạ…

1.1.1. Nghiên cứu của thế giới về phương pháp gamma tán xạ
P. Priyada, M. Margret, R. Ramar, Shivaramu, M. Menaka [10] trình bày
nghiên cứu so sánh các phương pháp gamma tán xạ, chụp ảnh X quang và bằng tia
gamma đối với những khuyết tật của thép nhẹ. Tác giả sử dụng nguồn 137Cs có hoạt
độ 155,4 GBq, đầu dò HPGe, góc tán xạ 1130, và những tấm thép phẳng có độ
khuyết tật khác nhau có kích thước 0,235 x 0,155 x 0,010 m3. Kết quả cho thấy sai
số độ lớn khuyết tật của 3 phương pháp thu được so với thực tế là không lớn và lần
lượt là 3%, 2% và 2%, trong đó phương pháp gamma tán xạ có nhiều lợi thế hơn.
Fernández [8] nghiên cứu ảnh hưởng cường độ tán xạ hai lần của hai tán xạ
Compton và Rayleigh có được từ thuyết chuyển động cho mẫu dày vô hạn với bức
xạ đơn năng. Hai tán xạ Compton và Rayleigh tạo thành những loại tán xạ
Compton-Compton, Compton-Rayleigh, Rayleigh-Compton và Rayleigh-Rayleigh
dưới bức xạ không phân cực. Cường độ tán xạ một lần và hai lần được tác giả xây
dựng từ những bậc của phương trình cường độ tán xạ tổng quát có được dựa vào

3


phương trình chuyển động Boltzaman đối với photon không phân cực. Các kết quả
này được so sánh với thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo.
Manpreet Singh [9] và các cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của ống chuẩn trực
đầu dò và bề dày mẫu đối với tán xạ nhiều lần Compton. Các tác giả sử dụng nguồn
137

Cs phát gamma năng lượng 0,662 MeV có hoạt độ 22,2.1010 Bq, đầu dò tinh thể

NaI(Tl) kích thước 51 mm x 51 mm, góc tán xạ 900, các loại ống chuẩn trực có
đường kính từ 0,2 cm đến 6,5 cm, sử dụng nhôm dạng hình trụ làm bia tán xạ với
những đường kính từ 0,8 cm đến 7,98 cm. Kết quả cho thấy ảnh hưởng của tán xạ
nhiều lần rất quan trọng và có năng lượng tương đương với một quá trình tán xạ
Compton riêng lẻ, xác định được giá trị bề dày bão hòa của nhôm là không đổi đối
với các loại ống chuẩn trực 7 cm, và đưa ra hệ số đóng góp của tán xạ nhiều lần
trên tổng các loại tán xạ (MSF).
1.1.2. Nghiên cứu trong nước về phương pháp gamma tán xạ
Nhóm tác giả Trương Thị Hồng Loan, Phan Thị Quý Trúc, Đặng Nguyên
Phương, Trần Thiện Thanh, Trần Ái Khanh, Trần Đăng Hoàng [2] sử dụng chương
trình MCNP để mô phỏng phổ gamma tán xạ ngược đối với bia nhôm dùng đầu dò
HPGe, nguồn

192

Ir và 60Co hoạt độ 3,7.1010 Bq. Các tác giả đã khảo sát các góc tán

xạ khác nhau từ 600 đến 1200, các bia nhôm có bề dày khác nhau trong hai trường
hợp góc giữa bia và chùm tia tới là 300 và 450. Kết quả thu được, khi tăng góc tán xạ
thì thành phần tán xạ một lần tăng, thành phần tán xạ nhiều lần giảm, đỉnh tán xạ
ngược một lần có xu hướng dịch chuyển về phía năng lượng thấp, sai số vị trí đỉnh
trong mô phỏng và thực nghiệm nhỏ hơn 10%. Đối với nguồn

192

Ir có năng lượng

316,5 keV, bề dày bão hòa của nhôm là 1cm.
Trần Đại Nghiệp [3] nghiên cứu phương pháp kiểm tra khuyết tật kỹ thuật số
dùng tia gamma tán xạ ngược bằng thực nghiệm với nguồn

137

Cs hoạt độ 290 kBq,

đầu dò NaI(Tl), máy phân đa kênh (MCA) 4096 kênh, vật liệu khảo sát là thép
cacbon, thép không gỉ và gạch chịu lửa. Kết quả thu được, tác giả xác định vị trí và
hình dạng khuyết tật thông qua các số đếm tán xạ ngược thu được từ đầu dò ,và cho
hình ảnh rất cụ thể (2D, 3D).

4


Hoàng Sỹ Minh Phương, Nguyễn Văn Hùng [5] khảo sát bề dày một số vật
liệu như giấy, plastic, nhôm và thép trên hệ đo chuyên dụng MYO, sử dụng đầu dò
nhấp nháy YAP(Ce), với nguồn

241

Am có hoạt độ 370 MBq, năng lượng 60keV và

đối chiếu với mô phỏng bằng phần mềm MCNP. Các tác giả đã đưa ra các phương
trình làm khớp từ dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm về mối tương quan giữa cường
độ chùm tia tán xạ ngược với bề dày cho các vật liệu nói trên. Độ lệch giữa các kết
quả thực nghiệm và mô phỏng trong khoảng 3,3%-15,5%.
Hoàng Đức Tâm và các cộng sự [6] nghiên cứu sự phụ thuộc cường độ chùm
tia gamma tán xạ ngược vào thể tích tán xạ bằng phương pháp Monte Carlo sử dụng
MCNP5. Tác giả dùng nguồn 137Cs hoạt độ là 6 MBq, đầu dò NaI(Tl), bia thép chịu
nhiệt C45, góc tán xạ 1200, ống chuẩn trực nguồn và đầu dò đường kính 1 cm và
khảo sát với những vùng thể tích tán xạ khác nhau. Kết quả, diện tích tán xạ lớn khi
thể tích tán xạ lớn, diện tích tán xạ nhỏ khi thể tích tán xạ nhỏ và khi thể tích tán xạ
bằng không thì số đếm đỉnh tán xạ gần như không đáng kể, sai số số đếm vùng thể
tích tán xạ nhỏ lớn (hơn 10%).
1.2. Lý thuyết tán xạ
1.2.1. Phép đo gamma tán xạ ngược
Gamma tán xạ ngược là hiện tượng các tia gamma va chạm với các electron
bên trong vật liệu bị tán xạ ngược trở lại so với phương ban đầu. Một phép đo
gamma tán xạ ngược được mô tả với ba thành phần chính: nguồn bức xạ phát
gamma, bia tán xạ và đầu dò ghi nhận bức xạ.
Nguồn phát bức xạ gamma thường được sử dụng trong phép đo là các nguồn
đồng vị phóng xạ như:

241

Am,

137

Cs,

60

Co,

192

Ir,

65

Zn. Nguồn phóng xạ phát đẳng

hướng cho nên việc đảm bảo an toàn người tiến hành thí nghiệm, hạn chế bức xạ
trực tiếp vào đầu dò làm phép đo không chuẩn xác thì cần phải che chắn bức xạ
nguồn phóng xạ bằng vật liệu có số Z cao (thường là chì). Để độ chính xác phép đo
cao cần thu nhỏ chùm tia tới từ nguồn bức xạ đến bia tán xạ, nên ngoài việc che
chắn nguồn cần phải có ống chuẩn trực.

5


Đầu dò thường được sử dụng ghi nhận bức xạ gamma là đầu dò nhấp nháy
NaI(Tl) hoặc đầu dò bán dẫn HPGe. Với đặc trưng riêng biệt trong ghi nhận bức xạ,
mỗi loại đầu dò nói trên sẽ có ưu thế riêng tùy thuộc mục đích phép đo. Loại đầu dò
bán dẫn HPGe có ưu điểm là độ phân giải năng lượng cao, còn đầu dò nhấp nháy
NaI(Tl) ưu điểm là có hiệu suất ghi nhận cao. Xung quanh đầu dò cần được bao bọc
bởi vật liệu chì để che chắn các tia bức xạ không mong muốn đi vào đầu dò. Đầu dò
NaI(Tl) có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng, có tính cơ động cao hơn đầu dò HPGe.

Hình 1.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo gamma tán xạ ngược
1.2.2. Tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần
Trong phổ gamma tán xạ thu được là sự đóng góp của hai thành phần: một
thành phần đóng góp bởi tán xạ một lần và một phần đóng góp bởi tán xạ nhiều lần.
Tán xạ một lần là quá trình mà lượng tử gamma chỉ xảy ra duy nhất một lần tán xạ
Compton hoặc Rayleigh với bia trước khi được ghi nhận bởi đầu dò. Tán xạ nhiều
lần là quá trình mà lượng tử gamma phải trải qua nhiều lần tương tác Compton và
Rayleigh với bia trước khi được đầu dò ghi nhận.
6


Tán xạ Rayleigh (tán xạ đàn hồi) là hiện tượng năng lượng của lượng tử
gamma tán xạ bằng với năng lượng lượng tử gamma tới, nhưng thay đổi hướng so
với lúc ban đầu. Tán xạ Compton (tán xạ không đàn hồi) làm thay đổi hướng và
năng lượng của lượng tử gamma so với ban đầu, năng lượng ban đầu của lượng tử
gamma được truyền cho electron và lượng tử gamma tán xạ. Mối liên hệ giữa năng
lượng lượng tử gamma tán xạ Compton, năng lượng lượng tử gamma tới và góc tán
xạ θ theo công thức sau:

E =

E
E
1+ 2 (1- cosθ)
mc

(1.1)

trong đó:
E: năng lượng lượng tử gamma tới bia.

E' : năng lượng lượng tử gamma sau khi tán xạ Compton.
m: khối lượng electron.
θ: là góc tán xạ.
c: vận tốc ánh sáng.

Hình 1.2. Tán xạ Compton
Các lượng tử gamma tán xạ nhiều lần có năng lượng nằm trong miền liên tục
từ năng lượng của lượng tử gamma tới E trở xuống. Theo nghiên cứu của

7


Fernández[8], sự đóng góp của tán xạ hai lần gồm: Compton – Compton, Compton
– Rayleigh, Rayleigh – Compton, Rayleigh – Rayleigh được chỉ rõ. Trong đó tán xạ
Rayleigh – Rayleigh chỉ đóng góp một mức năng lượng rời rạc bằng với năng lượng
E tia lượng tử gamma tới. Sự phân bố phổ năng lượng của tán xạ E' Compton –
Compton liên tục trải dài từ

E
2E
θ
1+ 2 1- cos 
mc 
2

đến

E
2E
θ
1+ 2 1+ cos 
mc 
2

và có trung

tâm tại năng lượng E" :

E" =

EE'
2E + E'

(1.2)

Sự phân bố năng lượng của Compton – Rayleigh, Rayleigh – Compton có
dạng tương tự nhau, phổ năng lượng liên tục trải dài từ

E
đến E và có năng
2E
1+ 2
mc

lượng đạt cực đại tại năng lượng bằng với năng lượng tán xạ Compton một lần. Như
vậy sự đóng góp tán xạ Compton – Rayleigh, Rayleigh – Compton gây ra sự khó
khăn trong việc đánh giá các sự kiện tán xạ một lần, vì sự chồng chập của chúng là
không phân biệt được trên phổ tán xạ.
Ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần lên phổ tán xạ sẽ làm giảm độ chính xác của
phép đo, đặc biệt đối với phép đo có thời gian ghi nhận ngắn hoặc cường độ lượng
tử gamma tới nhỏ. Để khắc phục điều này, ta làm tăng tỉ số giữa tán xạ một lần trên
tán xạ nhiều lần được ghi nhận trong phép đo bằng cách giảm độ rộng của ống
chuẩn trực của đầu dò. Trong khóa luận tác giả sử dụng ống chuẩn trực có đường
kính 3 cm cho đầu dò.
1.3. Xác định bề dày và phương trình đường cong bão hòa
Trong phương pháp đo tán xạ ngược bức xạ gamma thì cường độ bức xạ phụ
thuộc: mật độ vật chất lớp tán xạ, năng lượng chùm tia tới E, hoạt độ nguồn phóng
xạ, bề dày của liệu vật tán xạ, mật độ khối của vật chất, bậc số nguyên tử Z của vật
chất và bố trí hình học của phép đo. Ta sẽ xét quá trình tán xạ của gamma lên vật
liệu, quá trình này được chia làm ba giai đoạn [10]:

8


 Giai đoạn 1: Gamma từ nguồn đi đến điểm tán xạ P (đường α)

Hình 1.3. Quá trình tán xạ một lần của gamma lên vật liệu
Sự suy giảm cường độ được tính bởi công thức:
  μ  E0 

I1 = I0exp - 

ρ

 



ρx 


(1.3)

trong đó:
I1, I0 lần lượt là thông lượng tới và thông lượng truyền qua.
ρ là mật độ vật liệu.
E0 là năng lượng gamma tới.
x là khoảng cách.
 Giai đoạn 2: Thông lượng khi bị tán xạ tại điểm tán xạ P

I2 = I1

dσ  E0 ,Ω 
S  E0 ,θ, Z dΩρe V


(1.4)

trong đó:
dσ(E0,Ω)/dΩ: tiết diện tán xạ vi phân được tính theo công thức KleinNishina.
S(E0,θ,Z) là hàm tán xạ incoherent.

9


ρe = ρN

Z
là mật độ electron tại điểm tán xạ.
A

 Giai đoạn 3: Gamma sau khi tán xạ tại điểm tán xạ P đi qua vật liệu x' và
đến đầu dò theo đường β
  μ  E  
 ρx'
  ρ  

I3 = I2exp - 

(1.5)

Cuối cùng cường độ tán xạ tại điểm tán xạ P được tính theo công thức:
  μ  E0 

I = I0exp - 
 

ρ

 dσ  E0 ,Ω 

ρx 





Đặt:

k = I0

S  E0 ,θ, Z dΩρN

  μ  E  
Z
Vexp - 
 ρx'
A
  ρ  

dσ  E0 ,Ω 
Z
S  E0 ,θ, Z dΩN V

A

(1.6)

(1.7)

Biểu thức (1.6) được viết lại:
  μ  E0 

I = kρexp - 

ρ

 



  μ  E  
 ρx'
  ρ  

ρx  exp - 


(1.8)

Nếu xét cho vật liệu có bề dày là T:
T

  μ  E0 

0

 

I = kρ  exp - 

ρ

  μ  E  
 ρx'dt'
  ρ  



ρx  exp - 


T
  μ  E0 
  μ  E 
t' 
t' 
= kρ  exp - 
ρ
 exp - 
dt'
ρ
ρ
cosθ
ρ
cosθ
0


1 

2
 

 

  μ  E0 

1- exp - 

 
μ E
secθ2  ρT 
ρ
 

  ρ
 μ  E0 

μ E
ρ
secθ1 +
secθ2 
ρ
 ρ


= kρ

  μ  E0 

1- exp - 
Đặt:

secθ1 +

secθ1 +

 
μ E
secθ2  ρT 
ρ
 

  ρ
 μ  E0 

μ E
ρ
secθ1 +
secθ2 
ρ
 ρ


f=

 μ(E0 )

η=


ρ

secθ1 +


μ(E)
secθ2  ρ
ρ


10

(1.9)

(1.10)

(1.11)


với

μ(E0 ) μ(E)
,
là hệ số suy giảm khối tương ứng với năng lượng E0 và E .
ρ
ρ
Từ biểu thức (1.10) ta viết lại biểu thức (1.9):

I = kfρ

(1.12)

là cường độ mà đầu dò nhận được.
Trong thực tế cường độ chùm tia tán xạ còn phụ thuộc vào các góc θ1 , θ2 ( θ1
góc hợp bởi chùm tia bức xạ tới và bia, θ2 góc hợp bởi chùm tia tán xạ đến đầu dò
và bia). Nếu bề dày vật liệu càng lớn thì ảnh hưởng của các góc θ1 , θ2 đến sự tính
toán càng lớn, dẫn đến sai số lớn. Ngược lại khi bề dày vật liệu nhỏ so với khoảng
cách từ đầu dò và nguồn đến bề mặt vật liệu thì có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của các
góc θ1 , θ2 . Tuy nhiên ta có thể khử các thông số này nếu điều kiện đo giống nhau,
sự thay đổi bức xạ ghi nhận là do sự thay đổi bề dày vật liệu bằng cách:
Đặt: I(P) là chùm tia tán xạ trên vật liệu có bề dày T (chưa bị ăn mòn)

I1(P) là chùm tia tán xạ trên vật liệu có bề dày T1
Lập tỉ số ta được:

1 - exp(-ηT1 )
I1 (P) f1
1 - exp(-ηT1 )
η
=
=
=
1
exp(-ηT)
I(P)
f
1 - exp(-ηT)
η

(1.13)

Ta xác định được bề dày T1 :

T1 =


-1  I1 (P)
ln 1 1 - exp(-ηT) 
η 
I(P)


(1.14)

Nếu hàm T1 chỉ phụ thuộc vào biến I(P) và I1(P) thì sai số của T1 là:
2

 I (P) 
1 - exp(-ηT)
σ=
σ2
+  1  σ2

 I1(P)  I(P)  I(P)
I (P)
η.I(P) 1 - 1 1 - exp(-ηT) 
I(P)



Đặt :

Is =


η

11

(1.15)

(1.16)


Từ các phương trình (1.10), (1.11) và (1.16), phương trình (1.9) được viết gọn:

I = Is 1 - exp  -ηT 

(1.17)

trong đó:
η (cm-1) là hệ số suy giảm.

T (cm) là bề dày vật liệu.
I là cường độ tán xạ một lần.

Is là hệ số.
Phương trình (1.17) là phương trình đường cong bão hòa. Phương trình là
một hàm e mũ phụ thuộc vào sự thay đổi của bề dày T, khi T tăng thì cường độ bức
xạ cũng tăng, và khi tăng đến giá trị To thì cường độ tán xạ không thay đổi, nếu tiếp
tục tăng bề dày lên nữa thì cường độ tán xạ vẫn không thay đổi. Giá trị To chính là
giá trị bão hòa, và ta chỉ có thể xác định được những giá trị T thấp hơn To mà
phương pháp gamma tán xạ ngược mang lại.
Sai số của bề dày T khi tính từ phương trình (1.17):
2

2

  I
 
 

 ln 1 - 
 
 

Is 
1
-I






σT =
.ση +
.σ +
.σ 

 
η2
 I  I   2  I  Is 

  η.Is .1 - 
  η.Is . 1 - 

I
s


 Is 

 
 


2

(1.18)

1.4. Nhận xét chương 1
Trong chương này đã giới thiệu tình hình nghiên cứu phương pháp gamma tán
xạ trong và ngoài nước, từ đó đã nhận thức được tầm quan trọng của phương pháp.
Ngoài ra còn có lý thuyết gamma tán xạ ngược cho phép xác định bề dày vật liệu,
xây dựng phương trình đường cong bão hòa để xác định vùng hoạt động mà phương
pháp có thể cho kết quả chính xác.

12


CHƯƠNG 2
HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC
Hệ đo gamma tán xạ ngược tác giả tiến hành thực nghiệm tại bộ môn Vật lý
Hạt nhân khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Cách
bố trí thí nghiệm của hệ đo gamma tán xạ ngược [6] gồm: vị trí nguồn, vị trí đầu dò,
vị trí bia tán xạ được sắp xếp sao cho góc tán xạ là 1200, các ống chuẩn trực nguồn,
đầu dò và che chắn sao cho phép đo chính xác nhất được thiết kế như Hình 2.1.

Hình 2.1. Bố trí hệ đo gamma tán xạ ngược

13


Với cách bố trí thí nghiệm và các bộ phận của hệ đo như Hình 2.1, ta sẽ lần
lượt nói rõ hơn về chi tiết cấu tạo từng bộ phận. Hệ đo được chia làm 4 phần lớn:
-

Khối nguồn gồm: nguồn phóng xạ, hộp chứa nguồn và ống chuẩn trực nguồn.

-

Khối đầu dò gồm: đầu dò, ống chuẩn trực đầu dò và các lớp che chắn.

-

Bia tán xạ: tấm thép C45 dạng phẳng.

-

Hệ cơ giá đỡ.

2.1. Khối nguồn
Nguồn phóng xạ được sử dụng là nguồn đồng vị

137

Cs hoạt độ 5 mCi do hãng

Eckert & Zieler sản xuất ngày 18/04/3013. Nguồn phóng xạ được nén thành viên
hình trụ và được bọc kín bởi hai lớp vỏ thép, lớp vỏ bên ngoài có dạng hình trụ
đường kính 0,6 cm, chiều dài 0,8 cm [4] (Hình 2.2), và đặc trưng phát photon của
nguồn phóng xạ 137Cs được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Đặc trưng phát photon nguồn 137Cs
Năng lượng (keV)

Số photon phát trên 100 phân rã

31,817

1,95000

32,194

3,59000

36,379

1,05500

37,312

0.26600

283,500

0,00058

661,657

84,99000

14


Hình 2.2. Hộp chứa nguồn phóng xạ 137Cs
Nguồn phóng xạ phát đẳng hướng, vì vậy sẽ có một số tia phóng xạ tới trực
tiếp đầu dò mà không tán xạ lên bia, hơn nữa những tia phóng xạ đến bia và tán xạ
những góc khác nhau sẽ gây ra những số đếm không mong muốn. Phương pháp
gamma tán xạ ngược chú trọng photon tán xạ lên bia rồi tới đầu dò với góc nhất
định, cho nên nguồn phóng xạ được đặt bên trong hộp chứa nguồn kết hợp với sử
dụng ống chuẩn trực để thu hẹp chùm tia đi từ nguồn đến bia, điều này sẽ làm tăng
độ chính xác của phép đo với việc hạn chế những ảnh hưởng đã nói như trên.
Trong thực nghiệm cũng cần lưu ý đến sự an toàn của người làm thực nghiệm.
Vì thế hộp chứa nguồn cần phải đảm bảo suất liều xung quanh hộp thấp hơn suất
liều giới hạn đối với dân thường. Với những yêu cầu như vậy, hộp chứa nguồn được
thiết kế như sau: hộp chứa nguồn được làm từ vật liệu chì, có dạng hình trụ đường
kính 22 cm, chiều dài 24 cm, hộp có hai lỗ đồng trục từ hai đầu của hộp lần lượt
đường kính 3 cm và 5 cm, độ sâu 14 cm và 10 cm.

15


Hình 2.3. Bản vẽ chi tiết hộp chứa nguồn
Ống chuẩn trực nguồn là một khối rỗng bằng chì chiều dài 20 cm, đường kính
trong 1 cm, đường kính ngoài 5 cm. Ống sẽ được đưa vào hộp chứa nguồn từ phía
trước của hộp, khít với lỗ 5 cm của hộp được tạo ra. Phần nhô ra ngoài bên ngoài
của ống chuẩn trực so với hộp nguồn là 10 cm sau khi được lắp.

Hình 2.4. Bản vẽ chi tiết ống chuẩn trực nguồn
Nguồn phóng xạ được gắn vào đầu thanh thép hình trụ đường kính 3 cm, dài
25 cm, ở đầu thanh có khoan một lỗ hình trụ đường kính 0,6 cm và sâu 0,8 cm.
Thanh thép được lắp vào hộp chứa nguồn từ phía sau hộp, sao cho nguồn phóng xạ
16


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×