thực nghiệm xác định mặt phân cách giữa hai môi trường không hòa tan bằng phương pháp gamma tán xạ và gamma truyền qua

Do đó, tác giả chọn đề tài “ Thực nghiệm xác định mặt phân cách giữa hai môi trường không hòa tan bằng phương pháp gamma tán xạ và gamma truyền qua ” sử dụng nguồn 137Cs hoạt độ 5 mCi và

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 ĐẠI HỌC

THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MẶT PHÂN CÁCH

GIỮA HAI MÔI TRƯỜNG KHÔNG HÒA TAN BẰNG

PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ VÀ GAMMA TRUYỀN QUA

SVTH: BÙI ĐỨC QUÝ CBHD: ThS VÕ HOÀNG NGUYÊN CBPB: ThS NGUYỄN QUỐC HÙNG

LỜI CẢM ƠN

Trong khoảng thời gian học tập và thực hiện khóa luận tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, tác giả đã được sự quan tâm, giúp đỡ tận tình, những lời động viên, góp ý từ quý Thầy Cô, các anh chị và các bạn Giờ đây, khóa luận đã hoàn thành, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

 ThS Võ Hoàng Nguyên, người thầy hướng dẫn đã tận tâm chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm cũng như đóng góp những ý kiến quý báu để tác giả có thể hoàn thành khóa luận

 TS Trần Thiện Thanh, người thầy đầy nhiệt huyết đã chỉ bảo những kiến thức, kinh nghiệm hữu ích trong quá trình thực hiện khóa luận Thầy đã đưa ra những lời khuyên, ý kiến có tính chất định hướng và tận tình chỉ dẫn cho tác giả từ ngày đầu bỡ ngỡ

 Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-Đại học Quốc gia Tp.HCM đã giảng dạy trong hai năm qua Những kiến thức thu nhận được qua từng bài giảng, từng môn học của các Thầy Cô là nền tảng để cho tác giả có thể học tập, thực hiện khoá luận này tốt hơn

 Qúy Thầy Cô trong hội đồng đã dành thời gian để đọc và góp ý cho khóa luận của tác giả được hoàn thiện hơn

 Bộ môn Vật lý Hạt nhân - Kỹ thuật Hạt nhân đã đáp ứng các điều kiện về cơ

sở vật chất để tác giả thực hiện khóa luận

 Các bạn học của lớp 12VLHN đã đồng hành và hỗ trợ để tác giả sớm hoàn thành khóa luận

Sau cùng, con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ba mẹ và các thành viên trong gia đình đã luôn tạo điều kiện cho con, ủng hộ con để con có cơ hội được học tập ở giảng đường đại học

Tp Hồ Chí Minh, ngày 19, tháng 3, năm 2016

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục các chữ viết tắt iv

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình vẽ và đồ thị vi

Mở đầu 1

Chương 1: Tổng quan 3

1.1 Sơ lược về tình hình nghiên cứu 3

1.2 Cơ sở lý thuyết 6

1.2.1 Phép đo gamma tán xạ 6

1.2.2 Phép đo gamma truyền qua 11

1.2.3 Công thức tính mặt phân cách 12

1.3 Nhận xét chương 1 13

Chương 2: Hệ đo gamma tán xạ và gamma truyền qua 14

2.1 Thiết bị thực nghiệm 14

2.1.1 Khối nguồn phóng xạ 14

2.1.2 Khối đầu dò 16

2.1.3 Bình chứa và vật liệu sử dụng 18

2.2 Bố trí hệ đo gamma tán xạ và gamma truyền qua 19

2.2.1 Bố trí hệ đo gamma tán xạ 19

2.2.2 Bố trí hệ đo gamma truyền qua 20

2.3 Nhận xét chương 2 23

Chương 3: Kết quả và thảo luận 24

3.1 Kết quả phép đo gamma tán xạ 24

3.1.1 Khảo sát phổ tán xạ 24

3.1.2 Xác định mặt phân cách giữa hai môi trường glyxerin-xăng 25

3.1.2.1 Xác định mặt phân cách glyxerin - xăng dựa trên diện tích

nền tán xạ nhiều lần 29

3.1.2.2 Xác định mặt phân cách glyxerin - xăng dựa trên diện tích tổng 30

3.1.3 Xác định mặt phân cách giữa ba môi trường nước - dầu hỏa - không

khí……… 30

3.1.3.1 Xác định mặt phân cách nước – dầu hỏa – không khí dựa

trên diện tích nền tán xạ nhiều lần 34

3.1.3.2 Xác định mặt phân cách nước – dầu hỏa – không khí dựa

trên diện tích tổng……… 35

3.2 Kết quả phép đo gamma truyền qua 36

3.2.1 Khảo sát phổ truyền qua sử dụng nguồn 241Am 37

3.2.2 Xác định mặt phân cách giữa hai môi trường glyxerin-xăng 37

3.2.3 Xác định mặt phân cách giữa ba môi trường nước - dầu hỏa - không khí…… 40

3.3 Nhận xét chương 3 43

Kết luận 44

Kiến nghị 46

Tài liệu tham khảo 47

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

MCA Multi Channel Analyzer Hệ phân tích đa kênh

SCA Single Channel Analyzer Hệ phân tích đơn kênh

HPGe High Purity Germanium Germanium siêu tinh khiết MCNP Monte Carlo N Particles Chương trình mô phỏng MCNP USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng

4 3.3 Kết quả làm khớp theo diện tích tổng trong phép 30

đo tán xạ lên bình chứa glyxerin-xăng

4 3.4 Diện tích đỉnh tán xạ một lần, diện tích nền tán 31

xạ nhiều lần và diện tích tổng trong phép đo qua

ống chứa nước-dầu hỏa-không khí

6 3.5 Kết quả làm khớp theo diện tích nền tán xạ nhiều 34 lần trong phép đo tán xạ lên bình chứa nước-dầu

hỏa-không khí

7 3.6 Kết quả làm khớp theo diện tích tổng trong phép 35

đo tán xạ lên bình chứa nước-dầu hỏa-không khí

8 3.7 Số đếm tổng ứng với chiều cao bình trong phép đo 38 gamma truyền qua bình chứa glyxerin-xăng

9 3.8 Kết quả làm khớp theo số đếm tổng trong phép 39

đo truyền qua bình chứa glyxerin-xăng

10 3.9 Số đếm tổng ứng với chiều cao bình trong phép đo 40 gamma truyền qua bình chứa nước-dầu hỏa-không khí

11 3.10 Kết quả làm khớp theo số đếm tổng trong phép 42

đo truyền qua bình chứa nước-dầu hỏa-không khí

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

STT Chỉ số Nội dung Trang

hình

1 1.1 Tán xạ Compton 7

2 1.2 Quá trình tán xạ một lần của tia gamma lên vật liệu 8

3 1.3 Sự thay đổi của cường độ chum tia gamma tán xạ theo 11

chiều cao bình chứa hai môi trường có mật độ khác nhau 4 1.4 Quá trình truyền qua vật liệu của tia gamma 11

5 1.5 Sự thay đổi của cường độ chùm tia gamma truyền qua 12

theo chiều cao bình chứa hai môi trường có mật khác nhau 6 2.1 Mô hình nguồn phóng xạ 137Cs 14

7 2.2 Mặt cắt hộp chứa nguồn 15

8 2.3 Mặt cắt ống chuẩn trực nguồn 15

9 2.4 Cách lắp ráp các chi tiết khối nguồn 16

10 2.5 Bản vẽ kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl) model 802 16

11 2.6 Mặt cắt khối đầu dò và chuẩn trực đầu dò 17

12 2.7 Các bình chứa được sử dụng trong thực nghiệm 18

13 2.8 Mô hình hệ đo gamma tán xạ 19

14 2.9 Hệ đo gamma tán xạ 20

15 2.10 Nguồn phóng xạ 241Am 21

16 2.11 Mặt cắt hộp chứa nguồn 241Am 21

17 2.12 Mặt cắt ống chuẩn trực nguồn 241Am 22

18 2.13 Mô hình hệ đo gamma truyền qua 22

19 2.14 Hệ đo gamma truyền qua 23

20 3.1 Phổ tán xạ trên ống chứa dung dịch sau khi trừ phông 24

với nguồn 137Cs

21 3.2 Tách đỉnh tán xạ một lần và nền tán xạ nhiều lần bằng 25 Colegram

22 3.3 Sự thay đổi của diện tích đỉnh tán xạ một lần theo chiều 27 cao bình chứa glyxerin-xăng

23 3.4 Sự thay đổi của diện tích nền tán xạ nhiều lần theo chiều 28 cao bình chứa glyxerin-xăng

24 3.5 Sự thay đổi của diện tích tổng theo chiều cao bình chứa 28 glyxerin-xăng

25 3.6 Sự thay đổi của diện tích đỉnh tán xạ một lần theo chiều 32 cao bình chứa nước-dầu hỏa-không khí

26 3.7 Sự thay đổi của diện tích nền tán xạ nhiều lần theo chiều 33 Cao bình chứa nước-dầu hỏa-không khí

27 3.8 Sự thay đổi của diện tích tổng theo chiều cao bình chứa 33 nước-dầu hỏa-không khí

28 3.9 Diện tích đỉnh quang điện theo chiều cao bình chứa 36 chứa glyxerin-xăng sử dụng nguồn 137Cs

29 3.10 Phổ gamma truyền qua bình chứa dung dịch sau khi 37 trừ phông

30 3.11 Sự thay đổi của số đếm tổng theo chiều cao bình chứa 39 glyxerin-xăng trong phép đo gamma truyền qua

32 3.12 Sự thay đổi của số đếm tổng theo chiều cao bình chứa 41 nước-dầu hỏa-không khí trong phép đo gamma truyền qua

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp toàn cầu, nhu cầu về kỹ thuật đo và giám sát mực chất lỏng ngày càng nhiều, đòi hỏi những yêu cầu về tính liên tục, ổn định sản xuất, an toàn cho con người và tính cơ động cao Hiện nay trên thế giới có nhiều kỹ thuật xác định mặt phân cách giữa hai môi trường không hòa tan cũng như giám sát mực chất lỏng được áp dụng rộng rãi như: kỹ thuật siêu âm, kỹ thuật điện trở, kỹ thuật gamma Mỗi kỹ thuật đều có

những ưu điểm riêng, trong đó, kỹ thuật gamma có các ưu điểm đặc trưng như:

- Kỹ thuật gamma không làm ảnh hưởng đến dây chuyền sản xuất, có thể đo

được đối với nhiều dạng vật liệu khác nhau

- Có thể thực hiện được ngay cả trong những điều kiện mà đối tượng cần đo

ở môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, áp suất lớn, độc hại

- Trong vùng không gian bị hạn chế, phương pháp gamma tán xạ là một sự lựa chọn tốt do không cần tiếp xúc từ hai mặt của vật liệu, đặc biệt đối với các vật liệu độc hại, dễ cháy nổ, có tính ăn mòn cao

Với những ưu điểm của phương pháp gamma, trên thế giới đã có nhiều phòng thí nghiệm và các cá nhân đã tiến hành nghiên cứu, chế tạo hệ đo để xác định mực chất lỏng nhằm đáp ứng được những nhu cầu ngày càng tăng trong công nghiệp Tuy nhiên do nhu cầu phục vụ trong công nghiệp nên các hệ đo sử dụng nguồn có hoạt

độ lớn, gây ra những khó khăn trong việc đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như trong quá trình bảo quản nguồn Ngoài ra, chi phí để mua nguồn có hoạt độ lớn rất tốn kém Do đó, tác giả chọn đề tài “ Thực nghiệm xác định mặt phân cách giữa hai môi trường không hòa tan bằng phương pháp gamma tán xạ và gamma truyền qua ” sử dụng nguồn 137Cs hoạt độ 5 mCi và nguồn 241Am hoạt độ 5 µCi để đánh giá khả năng sử dụng nguồn có hoạt độ thấp trong việc xác định mặt phân cách giữa các môi trường, cũng như so sánh hai phương pháp

Nội dung của khóa luận gồm:

Chương I : Tổng quan: trình bày sơ lược tình hình nghiên cứu về ứng dụng của phương pháp gamma trong việc xác định mực chất lỏng, nêu ra kết quả của một số nhóm nghiên cứu và những cơ sở lý thuyết liên quan đến phép đo mặt phân cách bằng phương pháp gamma

Chương II : Hệ đo gamma tán xạ và gamma truyền qua: khóa luận trình bày các chi tiết của hệ đo gồm: khối nguồn, khối đầu dò, bình chứa và vật liệu được sử dụng trong phép đo; cách bố trí hệ đo tán xạ và hệ đo truyền qua

Chương III: Kết quả và thảo luận: trình bày các phép đo thực nghiệm, những kết quả đạt được bao gồm: phổ đo thực nghiệm, sự biến thiên của dữ liệu theo chiều cao bình

và xác định vị trí mặt phân cách giữa hai môi trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Sơ lược về tình hình nghiên cứu

Trong phần này, khóa luận trình bày một số công trình nghiên cứu về ứng dụng của phương pháp gamma trong việc xác định mặt phân cách giữa hai môi trường không hòa tan, những nghiên cứu về quá trình tán xạ của tia gamma lên vật liệu, nêu

ra những kết quả mà các nhóm đạt được

Năm 2012, P Priyada và cộng sự [11] đã thực hiện xác định mặt phân cách giữa hai môi trường không hòa tan (lỏng-lỏng hoặc lỏng-khí) và xác định mật độ của vật liệu bằng phương pháp gamma tán xạ và gamma truyền qua Tác giả tiến hành các phép đo thực nghiệm bằng cách sử dụng nguồn 137Cs hoạt độ 4,2 Ci và đầu dò HPGe để ghi nhận phổ Song song đó, tác giả cũng đã sử dụng chương trình MCNP

để mô phỏng và tính toán nhằm so sánh với giá trị thực nghiệm đo được Kết quả cho thấy có sự phù hợp tốt giữa giá trị thực nghiệm và giá trị mô phỏng Phương pháp gamma tán xạ cho độ chính xác và độ nhạy cao hơn phương pháp gamma truyền qua trong việc xác định mặt phân cách và mật độ của vật liệu mà không cần tiếp xúc toàn bộ với đối tượng cần kiểm tra Tuy nhiên, trong công trình này, việc sử dụng đầu dò HPGe và nguồn phóng xạ có hoạt độ lớn gây khó khăn trong việc đảm bảo

an toàn bức xạ cũng như tốn kém trong quá trình bảo quản và sử dụng đầu dò

A El Abd [9] đã tiến hành những phép đo nhằm xác định phần thể tích khí trong dòng chảy khí-nước trong những ống hình trụ có bán kính khác nhau bằng kỹ thuật gamma tán xạ (góc 900) và gamma truyền qua Trong thí nghiệm này, tác giả

đã sử dụng nguồn 137Cs, hoạt độ 10 µCi, đầu dò nhấy nháy NaI(Tl) để ghi nhận phổ

và một hệ phân tích đa kênh (MCA) để xử lý dữ liệu Kết quả thu được cho thấy, các phần trống trong các ống được xác định từ thực nghiệm có sự phù hợp tốt với các khoảng trống thực tế; độ nhạy và độ chính xác của các phép đo trong phương pháp gamma tán xạ sử dụng đỉnh tán xạ đôi (Compton-Compton) tốt hơn so với các phép

đo sử dụng đỉnh tán xạ một lần và phương pháp gamma truyền qua Bởi vì, khi tán

xạ góc 900, đỉnh tán xạ đôi có năng lượng (118 keV) thấp hơn năng lượng của đỉnh tán xạ một lần (288,3 keV) và đỉnh quang điện (661,6 keV) của nguồn 137Cs, do đó khi tia gamma tán xạ đôi tương tác với môi trường nước có mật độ nhỏ (1 g/cm3) thì khả năng để lại năng lượng của nó trong môi trường nước cao hơn, dẫn đến độ nhạy

và độ chính xác tốt hơn Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi thời gian mỗi phép đo dài, yêu cầu về mặt xử lý số liệu để thu được số đếm đỉnh tán xạ đôi

Trong khóa luận của Lê Thị Ngọc Chi [1], các mô phỏng Monte Carlo bằng chương trình MCNP5 đã được tác giả sử dụng để xây dựng hệ đo mặt phân cách giữa hai môi trường không hòa tan Trong mô hình giả định này, tác giả đã sử dụng nguồn Cs

137 , đầu dò nhấp nháy NaI(Tl), bình chứa bằng thép C45 Theo đó, tác giả đã khảo sát sự biến thiên của các đặc trưng phổ truyền qua và phổ tán xạ ngược theo độ rộng của chuẩn trực đầu dò Xác định mặt phân cách giữa hai môi trường nước-dầu và nước-không khí sử dụng phương pháp gamma tán xạ và gamma truyền qua bằng mô phỏng MCNP5 Kết quả mô phỏng cho thấy có sự phù hợp giữa kết quả tính toán với giá trị giả định Vị trí mặt phân cách giữa hai môi trường được xác định bằng phương pháp gamma truyền qua có độ sai biệt so với giá trị giả định lớn hơn so với phương pháp gamma tán xạ

Bên cạnh đó, những nghiên cứu về quá trình tán xạ của tia gamma lên vật liệu bằng thực nghiệm và mô phỏng, cũng như những ứng dụng của kỹ thuật tán xạ được nhiều nhóm thực hiện:

Fernández [14] đã trình bày nghiên cứu về tán xạ hai lần Compton và Rayleigh cho bức xạ gamma không phân cực Cường độ của tán xạ hai lần do các hiệu ứng Compton và Rayleigh (bao gồm Compton-Compton, Compton-Rayleigh, Rayleigh-Compton, Rayleigh-Rayleigh) được suy ra dựa trên lý thuyết vận chuyển cho một mẫu dày vô hạn được chiếu xạ bởi một chùm tia gamma đơn năng Sự đóng góp của

số bậc tương tác (tức số lần tương tác mà bức xạ gamma trải qua) được phân biệt dựa trên lời giải của phương trình vi phân Boltzmann Từ đó, tác giả đã tính toán cường độ tán xạ một lần và tán xạ hai lần của các hiệu ứng Rayleigh và Compton

so sánh với dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo

Hussein và Whynot [10] đã nghiên cứu khả năng ứng dụng kỹ thuật tán xạ Compton để kiểm tra cấu trúc của bê tông bằng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo Trong công trình này, các tác giả đã tiến hành thực nghiệm, sử dụng nguồn 137Cs và đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) ghi nhận các tia gamma tán xạ, để phát hiện sự hiện diện của các thanh sắt hoặc lỗ rỗng trong khối bê tông Các kết quả

mô phỏng và thực nghiệm được so sánh và cho thấy sự phù hợp với nhau

Trương Thị Hồng Loan và các cộng sự [4] đã sử dụng chương trình MCNP để

mô phỏng phổ tán xạ ngược gamma trên bia nhôm ghi nhận bằng đầu dò HPGe, với hai nguồn 192Ir và 60Co Các tác giả đã khảo sát ở các góc tán xạ từ 600 – 1200 và các bề dày khác nhau của bia nhôm, trong hai trường hợp góc giữa bia và chùm tia gamma tới là 300 hoặc 450 Kết quả cho thấy, độ lệch giữa năng lượng của đỉnh tán

xạ từ mô phỏng so với năng lượng tán xạ tính từ lý thuyết đều nhỏ hơn 10% Đồng thời, các tác giả cũng đưa ra nhận xét rằng khi thay đổi góc tán xạ từ 600 – 1200 thì thành phần tán xạ một lần tăng và thành phần tán xạ nhiều lần giảm Bề dày bão hòa cho bia nhôm đối với năng lượng 316,5 keV của nguồn 192Ir là 1 cm

Trần Đại Nghiệp [6] đã nghiên cứu phương pháp kiểm tra khuyết tật kỹ thuật

số dùng phương pháp tán xạ ngược gamma bằng thực nghiệm với đầu dò nhấp nháy NaI(Tl), máy phân tích đa kênh (MCA) 4096 kênh và nguồn 137Cs Trong công trình này, tác giả đã khảo sát trên các vật liệu như: thép cacbon, thép không gỉ và gạch chịu lửa Tác giả đã đánh giá được hình dạng của khuyết tật trong bia thông qua số đếm tán xạ ngược ghi nhận tại các vị trí quét khác nhau

Những nghiên cứu về phương pháp gamma ứng dụng trong công nghiệp tập trung nhiều vào việc xác định khuyết tật dựa trên phương pháp gamma tán xạ Trong công nghiệp, việc xác định mực chất lỏng thường sử dụng phương pháp gamma truyền qua, tuy nhiên theo nghiên cứu của P Priyada và cộng sự [11] phương pháp gamma tán xạ xác định mực chất lỏng tốt hơn so với phương pháp gamma truyền qua Nhưng trong công trình này, tác giả đã sử dụng nguồn có hoạt độ rất lớn và đầu

dò HPGe, điều này không phù hợp với phép đo ngoài hiện trường Do đó trong khóa

luận này, tác giả đã thiết lập hệ đo thực nghiệm để đo cường độ chùm tia gamma truyền qua và gamma tán xạ sử dụng nguồn có hoạt độ thấp nhằm xác định mặt phân cách giữa hai môi trường không hòa tan Trong quá trình thực nghiệm, tác giả sử dụng nguồn 137Cs hoạt độ 5 mCi và nguồn 241Am hoạt độ 5 µCi, đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 802-3x3 inch Trong mục tiếp theo, khóa luận trình bày về cơ sở lý thuyết của phép đo gamma tán xạ và gamma truyền qua

1.2 Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu của khóa luận dựa trên quá trình tán xạ Compton của tia gamma lên vật liệu, sự suy giảm cường độ tia gamma khi đi qua môi trường vật chất cũng như sự thay đổi của cường độ tia gamma khi đi qua hai môi trường có mật độ khác nhau

1.2.1 Phép đo gamma tán xạ

Tán xạ gamma là hiện tượng tia gamma khi đi vào môi trường vật chất, va chạm với các electron của nguyên tử trong môi trường vật chất và bị lệch khỏi phương ban đầu Trong quá trình tán xạ, lượng tử gamma có thể mất năng lượng hoặc không mất năng lượng, có hai loại tán xạ gamma là tán xạ Rayleigh và tán xạ Compton

Tán xạ Rayleigh làm thay đổi hướng của lượng tử gamma nhưng không làm thay đổi năng lượng

Tán xạ Compton là hiện tượng lượng tử gamma tán xạ trên electron của nguyên

tử và bị lệch khỏi phương ban đầu Trong tán xạ Compton, lượng tử gamma chỉ truyền một phần năng lượng cho electron và bị tán xạ dưới góc θ so với phương tới Tán xạ Compton là cơ chế xảy ra chủ yếu khi năng lượng tia gamma tới lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Khi đó electron được xem là tự do trong quá trình xét va chạm đàn tính của lượng tử gamma với nó Từ định luật bảo toàn động lượng và năng lượng ta có thể nhận được mối liên quan giữa năng lượng tia gamma tán xạ E với năng lượng của tia gamma tới E0 và góc tán xạ θ

như sau:

E = E01+ Eo

Giai đoạn 1: Photon đi từ nguồn đến tâm O của bình chứa ( đường α - hình 1.2) Khi đó, cường độ tia gamma tại điểm O được tính bởi:

Trong đó, I1 và Io lần lượt là cường độ tia gamma đến được điểm O và cường độ tia gamma trước khi đến bề mặt vật liệu; ρ là mật độ khối của vật liệu

Hình 1.2: Quá trình tán xạ một lần của tia gamma lên vật liệu

Giai đoạn 2: Tại điểm O, thông lượng photon sau khi tán xạ hướng đến đầu dò được cho bởi:

I2 = I1.dσ(E,Ω)

dΩ S(E,θ,Z).dΩ.ρe.V (1.3) Trong đó:

dΩ là tiết diện tán xạ vi phân, được tính theo công thức Klein-Nishina

Tiết diện vi phân của tán xạ Compton được tính bởi Tamm và Klein Nishina với sự nghiệm chứng của thực nghiệm :

β - hình 1.2)

I3 = I2.exp[− (µ(Eρ′)) ρx′] (1.6) Như vậy, cường độ tia gamma tán xạ tại O và đi đến đầu dò được tính theo công thức:

I(O) = Io.exp[− (µ(E)ρ ) ρx] dσ(E,Ω)dΩ S(E,θ,Z).dΩ.ρ.NA

𝑍

𝐴.V.exp[− (µ(Eρ′)) ρx′] (1.7) Đặt k = Io

dσ(E,Ω)

dΩ S(E,θ,Z).dΩ.NA

𝑍

Khi đó công thức (1.7) được viết lại:

I(O) = kρ.exp[− (µ(E)ρ ) ρx].exp[− (µ(Eρ′)) ρx′] (1.9) Suy ra cường độ chum tia gamma tán xạ trên vật liệu có bề dày T:

I = kρ∫ exp [− (µ(E)ρ ) ρx] exp [− (µ(E′)

Nếu xem cường độ chùm tia tán xạ chỉ phụ thuộc vào độ dày vật liệu, ở công thức (1.10) chỉ lấy tích phân theo t’, ta thu được:

I = kρ 1−exp[−(

µ(E)

ρ secθ1 + µ(E′)ρ secθ2)ρT ] (µ(E)ρ secθ1 + µ(E′)ρ secθ2)ρ (1.11)

Trong trường hợp bề dày bia (T) không đổi thì cường độ tia gamma ghi nhận được phụ thuộc vào mật độ khối, cấu trúc, thành phần của vật liệu và năng lượng của tia gamma tới Từ công thức (1.11) ta có thể thấy trong trường hợp tia gamma có năng lượng xác định đi trong môi trường đồng nhất về thành phần và có cấu trúc, mật độ không đổi thì cường độ tia gamma cũng không đổi Ngoài ra, cường độ chùm tia tán xạ còn phụ thuộc vào các góc θ1 và θ2 Có thể thấy rằng độ dày vật liệu càng lớn thì do sự ảnh hưởng của các góc θ1 và θ2 sẽ làm cho kết quả tính toán gặp sai số lớn Tuy nhiên, với bề dày vật liệu nhỏ so với khoảng cách từ đầu dò và nguồn đến

bề mặt vật liệu thì ảnh hưởng của các góc θ1 và θ2 đến kết quả tính toán là có thể bỏ qua

Gọi I(ρ) và I(ρ’) lần lượt là cường độ chùm tia tán xạ trên vật liệu có mật độ ρ và vật liệu có mật độ ρ’ Lập tỉ số ta được:

I(ρ′)

I(ρ) =

1−exp[−(µ(E)ρ′ secθ1 + µ(E′)ρ′ secθ2)ρ′T ]

1−exp[−(µ(E)ρ secθ1 + µ(E′)ρ secθ2)ρT ] .(

µ(E)

ρ secθ1 + µ(E′)ρ secθ2) (µ(E)ρ′ secθ1 + µ(E′)ρ′ secθ2)(1.12)

Đặt: a = (µ(E)ρ secθ1 + µ(Eρ′)secθ2) ρ

a’ = (µ(E)ρ′ secθ1 + µ(Eρ′′)secθ2) ρ′

Khi đó công thức (1.12) được viết lại:

I(ρ′) I(ρ) =

Hình 1.3: Sự thay đổi của cường độ chùm tia gamma tán xạ theo chiều cao bình

chứa hai môi trường có mật độ khác nhau

1.2.2 Phép đo gamma truyền qua

Khi tương tác với electron hoặc nguyên tử của môi trường, lượng tử gamma hoặc mất toàn bộ năng lượng của mình (hấp thụ) hoặc phần lớn năng lượng do quá trình tán xạ Cường độ chùm gamma song song truyền qua lớp vật chất có bề dày d (hình 1.4) sẽ suy giảm theo quy luật hàm mũ:

Từ công thức (1.14) ta có thể thấy cường độ chùm tia gamma truyền qua phụ thuộc vào hoạt độ và năng lượng của nguồn phóng xạ; cấu trúc, thành phần và mật

độ khối của vật liệu bia Do đó, trong trường hợp nguồn có hoạt độ và năng lượng xác định, bia có bề dày không đổi thì cường độ chùm tia gamma truyền qua phụ thuộc vào mật độ của vật liệu bia

Hình 1.5 thể hiện sự thay đổi của cường độ chùm tia gamma truyền qua theo chiều cao bình chứa hai môi trường có mật độ khác nhau (môi trường 1 có mật độ lớn hơn môi trường 2) theo lý thuyết

Hình 1.5: Sự thay đổi của cường độ chùm tia gamma truyền qua theo chiều cao

bình chứa gồm hai môi trường có mật độ khác nhau

1.2.3 Công thức tính mặt phân cách

Các đường thẳng L1, L2, L3 trong hình 1.3 và hình 1.5 tương ứng với các

đường làm khớp ở từng vùng:

L1: y = a1 + b1x ; L2: y = a2 + b2x ; L3: y = a3 + b3x

Trong đó: y là số đếm; x (cm) là chiều cao bình chứa; a và b là các hệ số

Gọi xh1, xh2 lần lượt là giao điểm của các đường thẳng (L1,L2) và (L2,L3) Ta có:

Áp dụng công thức truyền sai số ta có:

xạ được nén thành viên hình trụ và được bọc kín bởi 2 lớp vỏ thép, lớp vỏ bên ngoài

có dạng hình trụ đường kính 0,6 cm, chiều dài 0,8 cm như trong hình 2.1

2.1 Khối nguồn

Hình 2.1 Mô hình nguồn phóng xạ137Cs

Hình 2.1: Mô hình nguồn phóng xạ 137Cs Đặc trưng phát photon của nguồn 137Cs được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 : Đặc trưng phát tia X và tia gamma của nguồn 137Cs

Năng lượng photon (keV) Số photon phát trên 100 phân rã

31,817 32,194 36,379 37,312 283,500 661,657

1,95000 3,59000 1,05500 0,26600 0,00058 84,99000

Để loại bỏ những tia phóng xạ đi trực tiếp từ nguồn đến đầu dò nhằm giảm sai

Vật liệu Phóng xạ

Φ = 0,6 cm

Lớp vỏ Lớp vỏ trong

0,8 cm ngoài

Lớp vỏ trong

0,8 cm

trong hộp chứa nguồn bằng chì dạng hình hộp, có chiều cao 11 cm, dài 12,72 cm, rộng 11 cm Bên trong hộp chứa được gia công để tạo hai lỗ trụ đồng trục từ hai đầu của hộp, lần lượt có đường kính 3 cm và 5 cm, độ sâu 6,72 cm và 6 cm

6,72 cm 12,72 cm Mặt cắt dọc

11cm

3cm 5cm Mặt cắt ngang

Hình 2.2: Mặt cắt hộp chứa nguồn

Mặc khác, việc thu hẹp chùm tia bức xạ từ nguồn đến bia nhằm gia tăng độ chính xác trong phép đo là rất cần thiết Do đó, ngoài việc che chắn nguồn phóng xạ bằng buồng chì, ống chuẩn trực dạng lỗ tròn cũng được sử dụng để chuẩn trực chùm tia phóng xạ đi từ nguồn đến bia Ống chuẩn trực là một khối trụ rỗng bằng chì chiều dài 20 cm, đường kính trong 1 cm, đường kính ngoài 5 cm Khi sử dụng, ống sẽ được lắp vào hộp chứa nguồn từ phía trước của hộp, vừa khít với lỗ 5 cm đã được gia công sẵn Sau khi lắp vào hộp chứa nguồn, phần nhô ra bên ngoài của ống chuẩn trực là

Nguồn được đặt ở một đầu của một thanh thép hình trụ đường kính 3 cm, dài

25 cm Một đầu của thanh thép được gia công một hốc hình trụ đường kính 0,6 cm, sâu 0,8 cm để nguồn được lắp vừa khít vào hốc này Sau đó thanh thép này được lắp vào lỗ trụ 3 cm của hộp chứa nguồn sao cho nguồn phóng xạ hướng về phía trước Cách lắp ráp khối nguồn được mô tả chi tiết như hình 2.4

Hộp chứa nguồn

Thanh thép

Vị trí đặt nguồn Ống chuẩn trực nguồn

Hình 2.4: Cách lắp ráp các chi tiết khối nguồn

2.1.2 Khối đầu dò

Trong khóa luận này, đầu dò nhấy nháy NaI(Tl) 802-3x3 inch (Canberra Inc) được sử dụng để ghi nhận bức xạ

Hình 2.5: Bản vẽ kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl) model 802

Đầu dò NaI(Tl) gồm các thành phần chính sau:

- Mặt trước tinh thể từ ngoài vào trong gồm một lớp nhôm dày 0,05 cm, mật

độ 147 mg/cm2; một lớp silic dày 0,11 cm và một lớp phản xạ bằng bột nhôm ôxít dày 0,16 cm, mật độ 88 mg/cm2

- Mặt bên của tinh thể từ ngoài vào trong gồm một lớp nhôm dày 0,05 cm

và một lớp phản xạ bằng bột nhôm ôxít dày 0,19 cm

- Mặt sau của tinh thể là một lớp kính dẫn sang bằng silic ôxít dày 0,3 cm

- Phía sau lớp kính dẫn sáng là ống nhân quang điện được bọc trong lớp vỏ nhôm hình trụ đường kính 5,87 cm chiều dài 14,29 cm

Để loại bỏ những tia bức xạ không mong muốn đến đầu dò nhằm tăng độ chính xác của phép đo thì cần sử dụng chuẩn trực cho đầu dò Chuẩn trực của đầu dò là một khối chì dạng hình hộp dài 14 cm, rộng 11 cm, cao 11 cm Bên trong khối chì được gia công một hình trụ đường kính 8,5 cm, mặt trước có một nắp chứa khe hẹp

1 cm để chuẩn trực chùm tia bức xạ đi vào đầu dò

Nắp chuẩn trực

1 cm Tinh thể NaI(Tl) Hộp chuẩn trực đầu dò

Ống nhân quang điện

Hình 2.6: Mặt cắt khối đầu dò và chuẩn trực đầu dò

Các số đếm được ghi nhận từ bộ phân tích đa kênh (MCA) trên đầu dò được chuyển đến máy tính qua cáp USB và được hiển thị trên máy tính nhờ chương trình Gamma Acquisiction & Analysis

2.1.3 Bình chứa và vật liệu sử dụng

Bình chứa được sử dụng trong khóa luận này là ống thủy tinh hình trụ, có đường kính 6,5 cm, thành ống dày 0,2 cm Phép đo phông được thực hiện với ống rỗng

Hình 2.7: Các bình chứa được sử dụng trong thực nghiệm

Vật liệu được dùng trong phép đo để xác định mặt phân cách giữa hai môi trường không hòa tan gồm: nước (mật độ 1 g/cm3), glyxerin (mật độ 1,26 g/cm3), xăng (mật độ 0,75 g/cm3), dầu hỏa (mật độ 0,78 g/cm3) Ta thực hiện phép đo xác định mặt phân cách giữa các môi trường: glyxerin-xăng và nước-dầu hỏa-không khí Tác giả chọn các cặp môi trường trên để xác định mặt phân cách vì giữa các môi

2.2 Bố trí hệ đo gamma tán xạ và gamma truyền qua

2.2.1 Bố trí hệ đo gamma tán xạ

Trong mô hình hệ đo gamma tán xạ, nguồn và đầu dò được bố trí sao cho góc hợp bởi trục của đầu dò và hướng của tia gamma tới là 600 ± 0,50 (góc tán xạ 1200) Bình chứa được đặt tại vị trí cách nguồn 30 ± 0,05 (cm) và cách bề mặt tinh thể NaI(Tl) là 21 ± 0,05 (cm) tính từ tâm bình

Hình 2.8 mô tả cách bố trí hệ đo gamma tán xạ bao gồm: khối nguồn phóng

xạ, khối đầu dò và bình chứa

Ống nhân quang

Hộp chuẩn trực đầu dò

Bình chứa Ống chuẩn

trực nguồn Hộp chứa nguồn

Nguồn Cs-137

600

Hình 2.8: Mô hình hệ đo gamma tán xạ

Để có thể bố trí một hệ đo hoàn chỉnh nhằm thực hiện được những phép đo xác định mặt phân cách thì khối nguồn và khối đầu dò được đặt trên một hệ cơ học

có thể dịch chuyển dọc theo chiều cao bình Bình chứa được cố định trên một giá đỡ Khi tiến hành các phép đo, ta có thể đồng thời điều chỉnh độ cao của khối nguồn và đầu dò thông qua một tay quay

Ngoài ra, trên hệ cơ học có gắn các thước đo chiều cao và thước đo độ để có thể xác định chính xác góc tán xạ cần thiết lập và các vị trí chiếu cần đo

Hình 2.9 trình bày cách bố trí hệ đo gamma tán xạ một cách hoàn chỉnh trên

hệ cơ học

Hình 2.9: Hệ đo gamma tán xạ 2.2.2 Bố trí hệ đo gamma truyền qua

Trong khóa luận này, nguồn phóng xạ 137Cs hoạt độ 5 mCi không phù hợp để

xác định mực chất lỏng bằng phương pháp gamma truyền qua Do nguồn 137Cs có

năng lượng lớn (661,6 keV) nên trong phép đo truyền qua các tia bức xạ hầu như đi

xuyên qua môi trường vật chất nên không thể hiện được sự thay đổi của số đếm

phóng xạ khi có sự thay đổi của mật độ môi trường, từ đó khó xác định được mặt

phân cách

Do đó, tác giả thiết lập một hệ đo gamma truyền qua gồm: khối nguồn 241Am,

khối đầu dò NaI(Tl), bình chứa Khối nguồn, khối đầu dò được bố trí đồng trục với

nhau và đi qua trục của bình chứa Bình chứa được đặt tại vị trí cách nguồn 241Am

15,5 ± 0,05 (cm) và cách bề mặt tinh thể NaI(Tl) là 19 ± 0,05 (cm) tính từ tâm bình

Khối đầu dò

Bình chứa Khối nguồn

phóng xạ