1 R R R L T SƠN 1,2 , C V T O 2 , T T THANH 2 , V H NGUYÊN 2 , P T PH C 1 , O Q SƠN 1 , L A TUYÊN 1,2 , P C TH NH 1 , D V HO NG 1 1 Trung tâm Hạt nhân TP HCM – 217 Nguyễn Trãi, Q 1, TP HCM 2 Đại học K[.]
R R R L T SƠN1,2, C V T O2, T T THANH2, V H NGUYÊN2, P T PH C1, O Q SƠN1, L A TUYÊN1,2, P C TH NH1, D V HO NG1 Trung tâm Hạt nhân TP HCM – 217 Nguyễn Trãi, Q.1, TP HCM Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP HCM – 227 Nguyễn Văn Cừ, Q.5, TP HCM Email: lothaison@gmail.com, cvtao@hcmus.edu.vn, ttthanh@hcmus.edu.vn, vhnguyen@hcmus.edu.vn, vecol18@yahoo.com, quangsoncnt@gmail.com, tuyenluuanh@gmail.com óm tắt: Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp gamma tán xạ sử dụng nguồn phóng xạ Cs (5mCi) đầu dị Na(Tl) với góc tán xạ 1200 đƣợc áp dụng để xác định vị trí kích thƣớc lỗ rỗng bê tơng Mẫu bê tông mật độ 2.3g/cm3 bề dày 10 cm với lỗ rỗng có đƣ ng kính thay đ i t 1cm đ n cm theo m t ph ng đo đạc đƣợc ch tạo cho thí nghiệm Phƣơng pháp mô Monte-Carlo đƣợc sử dụng để tính tốn bề dày bão hịa tối ƣu số thông số thực nghiệm Các k t thu đƣợc vị trí lỗ rỗng đƣợc xác định tƣơng đối xác, kích thƣớc lỗ rỗng có khác biệt so với giá trị thực t K t nghiên cứu cho th y k thuật gamma tán xạ ngƣợc đƣợc áp dụng để xác định tốt vị trí, kích thƣớc khuy t tật dạng lỗ rỗng bên vật liệu bê tông sau tối ƣu điều kiện khảo sát 137 Từ khóa: T n ng c gamma, T n Compton Ệ Tán xạ ngƣợc gamma phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy (None Destructive Testing - NDT) đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều thập kỷ qua th giới nhiều lãnh vực [1] Ƣu điểm n i bật k thuật so với k thuật gamma truyền qua nằm chỗ cần ti p cận đối tƣợng t phía thay hai phía nhƣ chụp ảnh xạ tia X hay gamma truyền qua Tuy nhiên, nhƣợc điểm phƣơng pháp nằm chỗ tín hiệu ghi nhận detector bị ảnh hƣởng xạ tán xạ ngƣợc không mong muốn Compton lớn Trong năm gần đây, k thuật này thu hút quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhƣ ngồi nƣớc Trong số cơng trình n i bật, Amandeep Sharma cộng [1] nghiên cứu khả sử dụng tia gamma tán xạ việc xác định vị trí đƣ ng ống đ t, xác định bề dày thành ống, loại ch t lỏng chảy bên v t rạn nứt nguồn phóng xạ 137Cs ghi nhận ph đầu dị NaI(Tl) Ti p đó, M Margret, cộng [2] sử dụng gamma tán xạ việc xác định vị trí cốt th p bên khối bê tông độ sâu lên đ n 60 mm với nguồn phóng xạ 137Cs đầu dị HPGe có độ phân giải cao E.M Boldo C.R Oppoloni [3] dùng phƣơng pháp tán xạ Compton để ti n hành thực nghiệm xác định vị trí lỗ rỗng th p bên khối bê tông cốt th p Gần nh t, P Priyada cộng [4] mô tả ứng dụng k thuật gamma tán xạ đánh giá không phá hủy lỗ rỗng khối bê tơng có đƣ ng kính khác nhau, tái tạo lại hình ảnh vị trí kích thƣớc lỗ rỗng Ở nƣớc, nghiên cứu tƣơng tự đƣợc thực số nhóm nghiên cứu Đại học Khoa học tự nhiên (Đại học Quốc gia TP HCM) Trung tâm Hạt nhân TP HCM (Viantom) [5-8] Nghiên cứu gần nh t hệ đo sử dụng nguồn 137Cs hoạt độ mCi, đầu dò NaI(Tl), bia tán xạ th p C45 dạng t m cho th y phƣơng pháp có khả áp dụng cho việc xác định kích thƣớc vị trí lỗ rỗng số vật liệu xây dựng điều kiện thực t Việt Nam [6] Trong nghiên cứu này, ti n hành nghiên cứu cách hệ thống k t hợp thực nghiệm mô Monte- Carlo sử dụng chƣơng trình MCNP phƣơng pháp gamma tán xạ sử dụng nguồn phóng xạ 137Cs (5mCi) đầu dị NaI(Tl) với góc tán xạ 1200 để xác định vị trí kích thƣớc lỗ rỗng bê tơng cơng trình P Ơ P P 2.1 Chuẩn bị mẫu bê tông Để ti n hành thực nghiệm, khối bê tơng hình hộp chữ nhật kích thƣớc 10x20x40cm có mật độ 2,3g/cm3 chứa lỗ rỗng kích thƣớc vị trí khác đƣợc ch tạo Theo đó, lỗ rỗng có dạng trụ với đƣ ng kính 3cm; 2,5 cm; cm; 1,5 cm; cm Khoảng cách t tâm lỗ rỗng đ n m t trái khối bê tông theo thứ tự 6,7 cm; 15,5 cm; 24,0 cm; 30,7 cm 36,4 cm Các lỗ rỗng nằm cách bề m t ph ng thí nghiệm (m t trƣớc khối bê tông) cm 2.2 Thực nghiệm ghi nhận gamma tán xạ ngƣợc Mẫu đƣợc qu t t trái sang phải, t dƣới lên Mỗi bƣớc dịch chuyển cm th i gian đo vị trí 3600s với nguồn phóng xạ 137Cs (5mCi) đầu dị NaI(Tl) góc tán xạ 1200 (Hình 1) Năng lƣợng gamma sau tán xạ Compton đƣợc xác định công thức: (2.1) E E' = 1+ E 1-cosθ me c2 Trong đó: Eγ: Năng lƣợng gamma tới; E’γ: Năng lƣợng gamma sau tán xạ Compton mec2: Năng lƣợng nghỉ electron; θ: Góc tán xạ Hình Q trình tán xạ lần tia gamma bia Trong Hình 1, trình tán xạ tia gamma t nguồn đ n đầu dò đƣợc chia thành giai đoạn [7] Cƣ ng độ tán xạ chùm tia gamma t điểm P đ n đầu dò đƣợc xác định công thức (2.2): I3 =K.e (E) (E') x .x ' (2.2) e Nhƣ vậy, cƣ ng độ tán xạ I3 phụ thuộc vào hệ số K hay nói cách khác, I3 phụ thuộc vào mật độ electron ρe thể tích tán xạ Điều có nghĩa n u cƣ ng độ tán xạ lần có thay đ i mật độ vùng khảo sát có thay đ i Trên sở quan trọng đó, dựa vào thay đ i cƣ ng độ tán xạ lần để khảo sát lỗ rỗng bên khối bê tông Trong trình thực nghiệm, mật độ bia vùng khảo sát đƣợc thay đ i c u hình hệ đo đƣợc giữ khơng đ i Vùng khảo sát hay thể tích tán xạ phần thể tích giao độ mở ống chuẩn trực nguồn trƣ ng nhìn đầu dị bia Thí nghiệm đƣợc bố trí với đ c điểm sau: - Khoảng cách t nguồn đ n bia tán xạ: 22,5 cm - Khoảng cách t đầu dò đ n bia tán xạ: 28 cm - Trục hộp đựng nguồn vng góc với m t bia tán xạ - Góc tán xạ: 1200 a b Hình Mơ hình bố trí hệ đo (a) bố trí hệ đo thực t (b) Tại vị trí có khuy t tật bia mật độ thay đ i so với vị trí khơng có khuy t tật Điều dẫn đ n cƣ ng độ tán xạ lần vị trí có khuy t tật thay đ i Ph tán xạ đƣợc ghi nhận bao gồm ph tán xạ lần, tán xạ nhiều lần ph phơng Vì để loại bỏ số đ m không mong muốn nhƣ số đ m phông số đ m tán xạ nhiều lần ph đo bia đƣợc tr số đ m ph đo bia (phơng) ph sau đƣợc tách đỉnh tán xạ lần phần mềm tách làm khớp ph Colegram, diện tích đỉnh tán xạ lần tỉ lệ với cƣ ng độ tán xạ chùm tia gamma 2.3 Mô Monte-Carlo Song song với thực nghiệm, mô lại thực nghiệm chƣơng trình MCNP4C C u hình mơ đƣợc xây dựng tƣơng ứng với c u hình thực nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy nhƣ ảnh hƣởng bố trí thí nghiệm đ n ch t lƣợng ph p đo k thuật Hình C u hình mơ MCNP Ế Q Ả Ả Đầu tiên mô MCNP đƣợc ti n hành để xác định bề dày bão hòa mẫu bê tông Trong mô c u hình detector đƣợc chúng tơi mơ gần thực t nh t có thể, tally F8 đƣợc sử dụng để ghi nhận lại cƣ ng độ gamma tán xạ ngƣợc Bảng1 K t mô bề dày bão hịa mẫu bê tơng Bề dày mẫu bê tơng (cm) Cƣ ng độ tán xạ Sai số 44662 1454 52711 2071 57173 2619 58761 3166 60418 3509 61016 3693 7,2 61151 3723 7,4 61365 3789 7,6 61461 3838 61625 3961 61652 4001 (số đ m/h) K t t Bảng cho th y bề dày bão hòa mẫu bê tơng tia gamma có lƣợng 0,662 MeV cm Hình Đồ thị biểu di n bề dày bão hịa bê tơng với gamma lƣợng 0,662 MeV Bảng Cƣ ng độ tán xạ lần vị trí khác mẫu bê tông thực nghiệm mô phỏng, với Xn tọa độ khảo sát theo trục hoành, Zm tọa độ khảo sát theo trục tung ị trí khảo sát X0 X20 X40 X60 X80 X100 X120 X140 X160 X180 X200 X220 X240 X260 X280 X300 X320 X340 X360 ường độ tán xạ lần hực nghiệm Z0 61819±347 42325±326 20677±295 46694±317 53311±298 40074±330 35571±338 37977±332 45097±346 27037±342 26424±325 36489±353 27867±310 38410±349 26064±366 26558±336 35956±333 32884±303 26131±303 Z20 70706±369 41821±643 22286±308 42575±341 42875±347 41611±362 36799±338 36159±354 42896±361 44139±363 39438±354 25692±377 37319±362 29127±366 26439±356 26388±368 27374±395 26697±347 27811±342 Z40 67534±352 39298±336 32551±324 34272±323 40685±374 37013±354 40043±361 36102±369 41423±360 39903±377 28398±374 26296±350 37753±375 28943±379 34886±363 26696±382 27783±372 27668±346 34107±299 Z60 58313±652 45728±580 33631±448 36576±447 43299±682 47619±779 42981±697 29713±762 32996±792 34697±796 31371±514 27483±346 37863±393 29257±383 27961±347 28019±373 29287±393 27848±335 28405±335 Z80 57362±419 38371±379 23653±328 35541±382 40758±397 35968±409 37004±384 38034±356 42698±386 29241±419 29631±405 26514±749 29741±395 30173±415 28216±401 35342±372 30487±551 30147±642 39136±476 Z100 62650±361 38267±379 27080±355 23180±554 39305±386 37335±410 27492±359 25306±364 28574±390 39638±375 39404±393 36480±356 28124±425 29432±410 27299±412 27317±397 28034±424 35559±367 35137±316 ô Z120 57229±369 35489±380 23144±320 32909±322 28313±380 33929±372 27443±370 33036±358 39009±391 28992±413 28984±399 26062±352 36074±370 29455±382 27821±399 27731±423 28500±405 33498±368 27235±354 Z140 56056±368 37807±335 22327±320 30798±333 35351±357 36374±342 26662±381 23936±347 27232±392 27348±397 27634±370 25775±349 27600±358 28109±378 27091±345 27650±334 27583±372 26896±342 27812±349 Z160 63604±326 33334±311 21785±291 21702±328 25234±305 25467±319 30435±304 22486±311 26896±342 26205±349 25272±329 23357±339 26216±354 27065±360 25306±331 25029±324 27491±326 24670±319 31375±313 153631±4780 82721±3529 62874±2682 72846±2858 70624±2990 68571±3082 64000±2929 51128±2389 72915±3203 69463±3075 60562±3007 59258±2440 62322±3225 68044±3024 65011±3144 59714±3099 65172±3087 81296±3549 75849±3120 Hình Đồ thị phụ thuộc cƣ ng độ tán xạ gamma mẫu bê tơng có lỗ rỗng phân bố theo đƣ ng kính khác đo đạc thực nghiệm mô K t bề dày bão hịa cm bê tơng gamma lƣợng 0,662 MeV giúp kh ng định lần c u hình thực nghiệm với lỗ rỗng đƣ ng kính tối đa cm cách bề m t bê tông cm phù hợp Cũng t k t đƣợc giới hạn phƣơng pháp tán xạ ngƣợc với nguồn 137Cs xác định đƣợc vị trí kích thƣớc lỗ rỗng cách bề m t bê tông dƣới cm T đồ thị phụ thuộc cƣ ng độ tán xạ gamma mẫu bê tơng Hình th y vị trí lỗ rỗng thực nghiệm mơ xác so với vị trí thực t , kích thƣớc lỗ rỗng có khác biệt so với giá trị thực t Nguyên nhân khác biệt xu t phát t việc lựa chọn bƣớc qu t, ti t diện chùm tia vị trí lỗ rỗng so với gốc tọa độ qu t Bƣớc qu t 2cm g p đôi ti t diện chùm tia (1cm) Trong lỗ rỗng có đƣ ng kính lớn nh t cm đƣ ng kính nhỏ nh t 1cm Vị trí t mép trái lỗ rỗng so với gốc tọa độ không bội số hay ƣớc số bƣớc qu t KẾ Trong nghiên cứu này, k thuật đo gamma tán xạ ngƣợc sử dụng nguồn phóng xạ 137Cs (5mCi) đầu dị NaI(Tl) với góc tán xạ 1200 đƣợc nghiên cứu để áp dụng xác định vị trí kích thƣớc lỗ rỗng bê tơng cơng trình thực nghiệm lẫn mơ Montecarlo K t nghiên cứu bề dày bão hòa cm phù hợp cho khảo sát vật liệu bê tông lỗ rỗng đƣ ng kính tối đa cm cách bề m t bê tông cm Các k t thu đƣợc vị trí lỗ rỗng đƣợc xác định tƣơng đối xác, kích thƣớc lỗ rỗng có khác biệt so với giá trị thực t Các nghiên cứu sâu hệ thống thực nghiệm mơ phỏng, tính tốn cần đƣợc ti n hành nhằm tối ƣu hoạt độ nguồn, ti t diện chùm tia, bƣớc qu t thực nghiệm k thuật đối tƣợng vật liệu bê tông Ệ Ả [1] Amandeep Sharma, B.S Sandhu and Bhajan Singh (2011), “A Gamma Ray Tomographic Densitometer System for the Investigation of Concrete Structure”, Physics Department, Punjabi University, Patiala -147002, India [2] M Margret, M Menaka, B Venkatraman and S ChandraseFran (2014), “Compton back scatter imaging for mild steel rebar detection and depth characterization embedded in concrete”, Radiological Safety Division, Indira Gandhi Centre for Atomic Research, Kalpakkam 603102, India [3] E.M Boldo, C.R Appoloni (2013), “Inspection of reinforced concrete samples by Compton backscattering technique”, State University of West of Parana, CCET, P.O Box 701, Zip Code 85819-000, Cascavel-PR, Brazil [4] P Priyada, R Ramar and Shivaramu (2013), “Application of gamma ray scattering technique for non-destructive evaluation of voids in concrete”, Radiologica Safety Division, Indira Gandhi Centre for Atomic Research, Kalpakkam-603102, India [5] Trƣơng Thị Hồng oan, Phan Thị Qu Trúc, Đ ng Nguyên Phƣơng, Trần Thiện Thanh, Trần i Khanh, Trần Đăng Hoàng (2008), “Nghiên cứu ph gamma tán xạ ngƣợc đầu dị HPGe chƣơng trình MCNP”, Tạp chí phát triển KH CN, Tập 11, Số 06, 61-66 [6] Võ Hoàng Nguyên (2014), Kiểm tra khuy t tật vật liệu th p C45 dạng t m thực nghiệm đo gamma tán xạ ngƣợc, uận văn thạc sĩ, Trƣ ng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG - HCM [7] ỗ Thái Sơn (2018), Khảo s t lỗ rỗng bê tông gamma t n chụp ảnh ạ, uận văn thạc sĩ, Trƣ ng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG - HCM [8] Thạch Trung (2015), Khảo s t khuyết tật bên khối bê tông ph ơng ph p gamma t n ng c, uận văn thạc sĩ, Trƣ ng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HCM ... KẾ Trong nghiên cứu này, k thuật đo gamma tán xạ ngƣợc sử dụng nguồn phóng xạ 137Cs (5mCi) đầu dị NaI(Tl) với góc tán xạ 1200 đƣợc nghiên cứu để áp dụng xác định vị trí kích thƣớc lỗ rỗng bê. .. t bê tông cm phù hợp Cũng t k t đƣợc giới hạn phƣơng pháp tán xạ ngƣợc với nguồn 137Cs xác định đƣợc vị trí kích thƣớc lỗ rỗng cách bề m t bê tơng dƣới cm T đồ thị phụ thuộc cƣ ng độ tán xạ gamma. .. Năng lƣợng gamma tới; E’γ: Năng lƣợng gamma sau tán xạ Compton mec2: Năng lƣợng nghỉ electron; θ: Góc tán xạ Hình Quá trình tán xạ lần tia gamma bia Trong Hình 1, trình tán xạ tia gamma t nguồn