Untitled Science & Technology Development, Vol 20, No T4 2017 Trang 48 Nghiên cứu xác định mặt phân cách giữa các môi trường không hòa tan bằng kỹ thuật gamma tán xạ • Võ Hoàng Nguyên • Trần Thiện Tha[.]
Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 Nghiên cứu xác định mặt phân cách mơi trường khơng hịa tan kỹ thuật gamma tán xạ • • • • • • • Võ Hoàng Nguyên Trần Thiện Thanh Bùi Đức Q Nguyễn Quốc Minh Tơ Hồng Duy Lỗ Thái Sơn Châu Văn Tạo Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 19 tháng 12 năm 2016, nhận đăng ngày 30 tháng 10 năm 2017) TÓM TẮT Nghiên cứu triển khai so sánh phương pháp xử lý phổ dựa kỹ thuật gamma tán xạ để xác định mặt phân cách chất lưu khơng hịa tan đựng bình chứa Hệ đo gamma tán xạ bao gồm: nguồn 137Cs hoạt độ mCi, ống thủy tinh hình trụ đường kính 6,5 cm đựng dung dịch đầu dò NaI(Tl) 7,62×7,62 cm bố trí để ghi nhận tia Từ khóa: mặt phân cách, gamma tán xạ, NaI(Tl) gamma tán xạ góc 120o Hai số ba phương pháp xử lý có kết tốt với độ sai biệt lớn so với thực tế mm Ngồi ra, kết cịn cho thấy tính khả thi sử dụng máy phân tích đơn kênh hệ đo gamma tán xạ để xác định mặt phân cách mơi trường khơng hịa tan MỞ ĐẦU đối tượng đo khác vật liệu, hình dạng kích thước Trong năm qua, với phát triển mạnh mẽ công nghiệp, nhu cầu kỹ thuật đo giám sát mực chất lỏng ứng dụng dây chuyền sản xuất ngày nhiều, địi hỏi tính liên tục, ổn định, an tồn động Hiện giới có nhiều kỹ thuật để xác định mặt phân cách hai mơi trường khơng hịa tan giám sát mực chất lỏng áp dụng rộng rãi, kể đến như: kỹ thuật siêu âm, kỹ thuật gamma truyền qua, kỹ thuật gamma tán xạ [1, 2], … Mỗi kỹ thuật có ưu điểm riêng, kỹ thuật gamma tán xạ có ưu điểm đặc trưng: Không làm ảnh hưởng đến hoạt động dây chuyền sản xuất, áp dụng nhiều loại Trang 48 Không cần tiếp xúc trực tiếp với đối tượng đo, đo điều kiện mà đối tượng cần đo nằm môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, áp suất lớn, môi trường độc hại, … Chỉ cần tiếp cận từ phía đối tượng đo nên tỏ ưu đối tượng đo có kích thước lớn Với ưu điểm nêu trên, kỹ thuật gamma tán xạ ứng dụng cách rộng rãi Tuy nhiên, hệ đo công nghiệp sử dụng nguồn phóng xạ có hoạt độ lớn, gây hạn chế mặt an toàn xạ trình bảo quản di dời [1-3] Do đó, nghiên TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017 cứu thực nhằm xác nhận tính khả thi sử dụng nguồn có hoạt độ nhỏ (cỡ mCi) việc xác định mặt phân cách mơi trường khơng hịa tan kỹ thuật gamma tán xạ Trong nghiên cứu này, sử dụng ba phương pháp xử lý phổ: dùng cường độ tán xạ Compton lần, dùng cường độ tán xạ nhiều lần dùng cường độ tán xạ tổng (một lần nhiều lần) để xác định mặt phân cách Với thời gian phép đo 7200 giây, phương pháp dùng cường độ tán xạ lần xác định vị trí mặt phân cách, nhiên hai phương pháp lại cho kết tốt với độ sai biệt lớn so với thực tế mm VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Cơ sở lý thuyết Hình Quá trình tán xạ lần photon lên vật liệu [6] Gọi I1 I2 cường độ tán xạ vật liệu (mật độ 1) vật liệu (mật độ 2) Từ công thức (1) suy ra: μ(E) μ(E') μ(E') μ(E) secθ1 + secθ ρ1T secθ1 + secθ ρ1 ρ1 ρ2 ρ2 μ(E') μ(E') I2 μ(E) μ(E) 1-exp - secθ1 + secθ ρ T secθ1 + secθ ρ2 ρ1 ρ2 ρ1 I1 1-exp - (2) Kỹ thuật gamma tán xạ dựa trình tán xạ Compton tia gamma lên vật liệu Quá trình diễn ba giai đoạn (xem Hình 1): a1 = Giai đoạn 1: Photon từ nguồn đến điểm tán xạ P (đường ) a2 = Đặt: μ(E) ρ1 μ(E) ρ2 Giai đoạn 2: Quá trình tán xạ điểm P Giai đoạn 3: Các photon sau tán xạ từ điểm P qua lớp vật liệu x’ tiến đầu dò (đường ) Theo nghiên cứu trước [4, 5], cường độ chùm photon tán xạ đến đầu dị tính công thức: μ(E') μ(E) ρ secθ1 + ρ secθ ρT μ(E') μ(E) secθ1 + secθ ρ ρ ρ 1-exp - I kρ (1) secθ1 + secθ1 + μ(E') ρ1 μ(E') ρ2 secθ ρ1 (3) secθ ρ (4) Công thức (2) viết lại thành: I1 I2 = ρ1 1-exp -a 1T a ρ 1-exp -a T a (5) Từ cơng thức (5) thấy: tán xạ hai vật liệu có mật độ khác cường độ chùm tia gamma tán xạ thay đổi (tăng giảm) phụ thuộc vào thay đổi mật độ Đồ thị biểu diễn thay đổi cường độ chùm tia gamma tán xạ theo độ cao vị trí đo theo bình chứa hai mơi trường có mật độ khác (mơi trường có mật độ lớn mơi trường 2) có dạng Hình Trang 49 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 σh = σ h +σ h 2 (14) Bố trí hệ đo Hình Cường độ gamma tán xạ thay đổi theo chiều cao bình chứa hai mơi trường có mật độ khác Các đường thẳng L1, L2, L3 tương ứng với đường làm khớp vùng bình chứa: vùng chứa mơi trường 1, vùng chứa mặt phân cách, vùng chứa môi trường L1 :I=a1 +b1 x (6) L2 :I=a +b x (7) L3 :I=a +b3 x (8) Nghiên cứu sử dụng nguồn 137Cs hoạt độ 5mCi đầu dị NaI(Tl) có kích thước tinh thể 7,62 × 7,62 cm Các bình chứa dung dịch có dạng hình trụ đường kính 6,5 cm, làm thủy tinh có bề dày mm; bình chứa đóng vai trị làm bia tán xạ phép đo Các dung dịch sử dụng bao gồm: glycerin, xăng, nước, dầu hỏa Hệ đo bố trí để ghi nhận chùm tia gamma tán xạ góc 120o với thời gian 7200 giây cho phép đo Trường chiếu từ nguồn phóng xạ chuẩn trực ống chuẩn trực có đường kính cm Ngồi ra, góc nhìn bia từ đầu dò chuẩn trực khe hẹp có bề rộng cm (Hình 3) Trong đó: I số đếm (cường độ tán xạ), x độ cao vị trí đo theo bình chứa Các hệ số a, b thu từ trình làm khớp Gọi h1, h2 hoành độ giao điểm đường thẳng (L1, L2) (L2, L3) h1 = h2 = a -a (9) b -b1 a -a (10) b -b Các sai số h1 h2 tính từ công thức truyền sai số: σh = b -b1 2 2 b2 b1 2 3 -b σ a +σ a b 2 σh = a -a σ +σ + b -b σ a +σ a + a -a σ b +σ b 2 b (11) 2 -b Hình Mơ hình hệ đo gamma tán xạ (12) Vị trí mặt phân cách hai môi trường cho giá trị trung bình h1 h2: h= h +h 2 Sai số h tính bởi: Trang 50 (13) Khi tiến hành phép đo, bình chứa giữ cố định, nguồn đầu dò di chuyển dọc theo chiều cao bình chứa hệ học Vị trí đo ban đầu chân bình chứa; sau phép đo, nguồn đầu dò dịch chuyển tịnh tiến dần lên cao Ở vùng cách xa mặt phân cách dung dịch, bước dịch chuyển 2,5 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017 cm; đến gần mặt phân cách, bước dịch chuyển 0,5 cm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trước xử lý để tính cường độ tán xạ lần nhiều lần, phổ tán xạ trừ phông Phổ phông đo điều kiện có nguồn phóng xạ bình chứa rỗng Hình minh họa phổ tán xạ sau trừ phơng, có xuất đỉnh tán xạ lần, nhiều lần đỉnh tia X đặc trưng chì Sau trừ phông, phổ tán xạ xử lý chương trình Colegram để tách đỉnh tán xạ lần tán xạ nhiều lần, đồng thời thu thơng tin diện tích (cường độ) tương ứng (Hình 5) Hình Đỉnh tán xạ lần tán xạ nhiều lần tách Colegram Xác định mặt phân cách hai môi trường glycerin - xăng Hình Phổ tán xạ bình chứa dung dịch sau trừ phơng Trong thí nghiệm này, hai dung dịch: glycerin ( = 1,26 g/cm3) xăng ( = 0,75 g/cm3) cho vào bình chứa, mặt phân cách hai dung dịch nằm độ cao 22,10 0,05 cm bình chứa Kết diện tích đỉnh tán xạ lần, diện tích tán xạ nhiều lần số đếm tổng trình bày Bảng Bảng Kết xử lý phổ phép đo xác định mặt phân cách glycerin – xăng Độ cao theo bình chứa (cm) 5,00 0,05 7,50 0,05 10,00 0,05 12,50 0,05 15,00 0,05 17,50 0,05 20,00 0,05 21,00 0,05 21,50 0,05 22,00 0,05 22,50 0,05 23,00 0,05 23,50 0,05 24,00 0,05 25,00 0,05 Diện tích đỉnh tán xạ lần 43031 207 42435 206 41564 204 42249 206 38556 196 40723 202 41070 203 38965 197 43155 208 40561 201 37182 193 35666 189 30884 176 33223 182 35776 189 Diện tích tán xạ nhiều lần 38434 196 39012 198 39500 199 37928 195 38797 197 35676 189 30227 174 32415 180 27014 164 24371 156 19499 140 15005 122 23994 155 19314 139 16140 127 Diện tích tổng 81453 285 81432 285 81055 285 80167 283 77365 278 76381 276 71292 267 71384 267 70171 265 64914 255 56675 238 50670 225 54879 234 52528 229 51907 228 Trang 51 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 27,50 0,05 30,00 0,05 32,50 0,05 35,00 0,05 37,50 0,05 33299 182 33189 182 35697 189 35744 189 35933 190 17888 134 18804 137 17153 131 18553 136 16988 130 51185 226 51980 228 52849 230 54282 233 52909 230 Dựa vào Bảng 1, đồ thị biểu diễn thay đổi cường độ tán xạ theo độ cao vị trí đo theo bình chứa trình bày Hình Hình Sự thay đổi cường độ tán xạ phép đo xác định mặt phân cách glycerin - xăng Các điểm màu đen ứng với vị trí đo vùng chứa glycerin, điểm màu đỏ ứng với vùng chứa mặt phân cách điểm màu xanh ứng với vùng chứa xăng Đối với cường độ tán xạ lần, chênh lệch nhiều hai mơi trường, khó xác định vị trí mặt phân cách Đối với cường độ tán xạ nhiều lần cường độ tán xạ tổng, chênh lệch hai mơi trường rõ ràng Do đó, Trang 52 nghiên cứu sử dụng cường độ tán xạ nhiều lần cường độ tán xạ tổng để xác định mặt phân cách glycerin – xăng Việc xác định vị trí mặt phân cách dựa vào giao điểm đường thẳng L1, L2, L3 trình bày mục 2.1 Kết xác định mặt phân cách glycerin – xăng trình bày Bảng TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017 Bảng Kết xác định mặt phân cách hai môi trường glycerin – xăng Phương pháp dùng cường độ tán xạ nhiều lần h (cm) h (cm) 21,58 1,09 Phương pháp dùng cường độ tán xạ tổng Sai khác kết hai phương pháp so với thực tế 0,52 cm 0,17 cm So với đường kính ống chuẩn trực nguồn khe chuẩn trực đầu dò cm, mức sai khác chiếm tỉ lệ 52 % Ngoài ra, kết từ hai phương pháp có chênh lệch khơng nhiều 21,93 2,75 đo, thí nghiệm khác thực Trong thí nghiệm này, chất lỏng sử dụng nước ( = g/cm3) dầu hỏa ( = 0,78 g/cm3) Vị trí mặt phân cách nước–dầu hỏa dầu hỏa–khơng khí nằm độ cao 16,00 0,05 cm 26,000,05 cm bình chứa Xác định mặt phân cách ba mơi trường nước – dầu hỏa – khơng khí Với bước xử lý tương tự trên, kết thay đổi cường độ tán xạ theo độ cao vị trí đo trình bày Hình Để xác nhận lần khả xác định mặt phân cách môi trường hệ Hình Sự thay đổi cường độ tán xạ phép đo xác định mặt phân cách nước – dầu hỏa – khơng khí Cường độ tán xạ lần khơng có chênh lệch nhiều hai mơi trường nước dầu hỏa, sử dụng cường độ tán xạ nhiều lần cường độ tán xạ tổng để xác định vị trí mặt phân cách Các kết trình bày Bảng Trang 53 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 Bảng Kết xác định mặt phân cách môi trường nước – dầu hỏa – không khí Phương pháp dùng cường độ tán xạ nhiều lần Phương pháp dùng cường độ tán xạ tổng Sai khác kết xác định mặt phân cách nước–dầu hỏa 0,37 cm 0,15 cm; với mặt phân cách dầu hỏa–khơng khí sai khác 0,13 cm 0,14 cm Các sai khác 14 % so với đường kính ống chuẩn trực nguồn độ rộng khe chuẩn trực đầu dò Một lần nữa, kết từ hai phương pháp khơng có chênh lệch nhiều KẾT LUẬN Bài báo trình bày ứng dụng kỹ thuật gamma tán xạ để xác định mặt phân cách môi trường không hịa tan thơng qua hệ đo cụ thể thiết lập Các kết từ phương pháp sử dụng cường độ tán xạ nhiều lần phương pháp sử dụng cường độ tán xạ tổng cho thấy phù hợp tốt so với thực tế, với sai khác lớn 0,52 cm: khoảng 50 % so với đường kính ống chuẩn trực nguồn hnước-dầu (cm) hdầu-khí (cm) 16,37 1,53 25,87 5,70 15,85 2,82 25,86 3,51 độ rộng khe chuẩn trực đầu dò Điều chứng tỏ khả ứng dụng kỹ thuật gamma tán xạ với nguồn có hoạt độ cỡ mCi việc xác định giám sát mực chất lỏng bình chứa Độ xác mong muốn phép đo tùy biến cách sử dụng ống chuẩn trực có kích thước phù hợp Ngồi ra, kết từ hai phương pháp không chênh lệch nhiều cho thấy ổn định kết quả, đồng thời có ý nghĩa lớn ứng dụng vào dây chuyền sản xuất công nghiệp: việc sử dụng phương pháp dùng cường độ tán xạ tổng, nên dùng phân tích đơn kênh thiết lập cửa sổ lượng bào trùm toàn vùng phổ quan tâm để lấy số đếm (cường độ) tán xạ tổng mà không cần phải qua bước phân tích phổ Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) khn khổ Đề tài mã số B2015-18-03 Determination of the interface between insoluble environments using gamma scattering technique • • • • • • • Vo Hoang Nguyen Tran Thien Thanh Bui Duc Quy Nguyen Quoc Minh To Hoang Duy Lo Thai Son Chau Van Tao University of Science, VNU-HCM ABSTRACT In this study, we deploy and compare spectrum processing methods based on gamma scattering technique to determine the interface between insoluble fluids stored in the container The gamma scattering measurement system Trang 54 included: a mCi radioactive source of 137Cs, a cylindrical glass vase with a diameter of 6.5 cm containing the fluids, and a NaI(Tl) detector with a 7.62 × 7.62 cm scintillation crystal The detector was arranged to obtain the scattered TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017 photon beam at the angle of 120o Two of the three processing methods showed good results with the biggest difference of mm In addition, the results also show the feasibility of using SCA Keywords: interface, gamma scattering, NaI(Tl) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Priyada, M Margret, R Ramar, Shivaramu, M Menaka, L Thilagam, B Venkataraman, B Raj, Intercomparison of gamma scattering, gammatography, and radiography techniques for mild steel nonuniform corrosion detection, Review of Scientific Instruments, 82, 035115, 18 (2011) [2] P Priyada, M Margret, R Ramar, Shivaramu, Intercomparison of gamma ray scattering and transmission techniques for fluid–fluid and fluid–air interface levels detection and density measurements, Applied Radiation and Isotopes, 70, 462–469 (2012) [3] M Singh, G Singh, B.S Sandhu, B Singh, Effect of detector collimator and sample thickness on 0,662 MeV multiply Compton scattered gamma rays, Applied Radiation and Isotopes, 64, 373–378 (2006) in gamma scattering measurement system to determine the interface between insoluble environments [4] V.H Nguyên, Kiểm tra khuyết tật vật liệu thép C45 dạng thực nghiệm đo tán xạ ngược gamma, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQG-HCM (2014) [5] V.H Nguyen, H.D Tam, L.B Tran, T.T Thanh, H.T Le, L.D.M Quan, H.D Chuong, T.N.T Ngan, C.V Tao, A semiempirical method for measuring thickness of pipe-wall using gamma scattering technique, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 308, 1011–1016 (2016) [6] H.Đ Tâm, Nghiên cứu xác định bề dày thép C45 phương pháp gamma tán xạ sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl), Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG-HCM (2015) Trang 55 ... phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) khn khổ Đề tài mã số B2015-18-03 Determination of the interface between insoluble environments using gamma scattering technique • • • • • • • Vo Hoang Nguyen Tran Thien... showed good results with the biggest difference of mm In addition, the results also show the feasibility of using SCA Keywords: interface, gamma scattering, NaI(Tl) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Priyada,... stored in the container The gamma scattering measurement system Trang 54 included: a mCi radioactive source of 137Cs, a cylindrical glass vase with a diameter of 6.5 cm containing the fluids,