Luận án tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu và phát triển phương pháp xử lý thành phần tán xạ nhiều lần trong phổ gamma tán xạ

LỜI CAM ĐOANTôi cam đoan luận án tiến sĩ ngành Vật lý nguyên tử và hạt nhân, với đềtài “Nghiên cứu và phát triển phương pháp xử lý thành phần tán xạ nhiều lần trongphổ gamma tán xạ” là c

VÕ HOÀNG NGUYÊN

NGHIÊN CUU VÀ PHÁT TRIEN PHƯƠNG PHAP

XỬ LÝ THÀNH PHAN TAN XA NHIÊU LAN

TRONG PHO GAMMA TAN XA

LUẬN AN TIEN SI VAT LY

TP Hồ Chí Minh - Năm 2023

VÕ HOÀNG NGUYÊN

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIEN PHƯƠNG PHÁP

XỬ LÝ THÀNH PHẢN TÁN XẠ NHIÊU LÀN

TRONG PHO GAMMA TAN XA

Ngành: Vat lý nguyên tử và hạt nhân

Mã số ngành: 62 44 05 01

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Trung TínhPhản biện 2: PGS TS Đỗ Quang Bình

Phản biện 3: TS Trần Văn Hùng

Phản biện độc lập 1: PGS TS Pham Đức Khuê

Phản biện độc lập 2: PGS TS Nguyễn An Sơn

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS CHÂU VĂN TẠO

TP Hồ Chí Minh - Năm 2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan luận án tiến sĩ ngành Vật lý nguyên tử và hạt nhân, với đềtài “Nghiên cứu và phát triển phương pháp xử lý thành phần tán xạ nhiều lần trongphổ gamma tán xạ” là công trình khoa học do Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của

GS TS Châu Văn Tạo.

Những kết quả nghiên cứu của luận án hoàn toàn trung thực, chính xác và

không trùng lap với các công trình đã công bô trong va ngoài nước.

Nghiên cứu sinh

Võ Hoàng Nguyên

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập ở bộ môn Vật lý Hạt nhân - Kỹ thuật Hạt nhân và thực

hiện luận án này, nghiên cứu sinh đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của quý Thầy

Cô và sự hỗ trợ nhiệt tình từ nhiều phía Nay luận án đã được hoàn thành, nghiêncứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

* GS TS Châu Văn Tạo - người hướng dẫn khoa học, người thầy đã truyền

đạt nhiều kiến thức quý báu cho nghiên cứu sinh từ bậc đại học đến nay Thầy đãluôn động viên và tạo điều kiện để nghiên cứu sinh có thể hoàn thành luận án này

một cách thuận lợi.

* PGS TS Trần Thiện Thanh đã rất nhiệt tình hỗ trợ nghiên cứu sinh Nhữngkiến thức và kinh nghiệm mà thầy đã chỉ bảo là hành trang hữu ích cho nghiên cứu

sinh trên con đường nghiên cứu khoa học.

» Phong Thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Dai học Khoa hoc Tự nhiên

- ĐHQG HCM đã hỗ trợ, cung cấp trang thiết bị cần thiết để nghiên cứu sinh thực

hiện luận án nay.

° ThS Huynh Đình Chương, ThS Nguyễn Duy Thông và các thành viênkhác trong nhóm nghiên cứu đã có những ý kiến đóng góp hữu ích và kịp thời trong

quá trình thực hiện luận án.

* Quý Thay Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân - Kỹ thuật Hạt nhân, TrườngĐại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG HCM đã cung cấp kiến thức và chia sẻ kinh

nghiệm cho nghiên cứu sinh trong thời gian thực hiện luận án.

* Quý Thay Cô trong hội đồng khoa học đã giành thời gian đọc, cho ý kiến

đánh giá và phản biện giúp luận án được hoàn thiện hơn.

Nghiên cứu sinh

il

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 5-2521 212E22212112122171211211211211211111121121121211121012 re iLOL CAM ON oiececcecsscssessssssssssssssssvsssssssussussvssecsssssissussusscssssissussssessessessetitsissessesses ii

MỤC LUC - 5252521 2EE2192122121121121717121121121121111111211211211 2111212 re iii

DANH MỤC CAC CHU VIET TAT o ceccecccsscssssessssessessssesssesscsessssessssnesesssesseeeeees vi

DANH MỤC CAC BANG uc cccsscssscssssessesssscsssscssssesscsvsscsesstsussesussesissesusiessssesseanees vii

DANH MỤC CAC HINH VE u scsecsssscssescssessssesscsessssesssssesessssessssesstsnssesesiesneseeess viii

MO DAU ooeeeececcccsccsssscssesscscsssscsusscssssvsscsvsscsusacsucscsusavsusasicansissessssussesasseticsesecseseeaeees 1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CUU TONG QUAN - 5-52 2E ‡E2E£EEEEEeEerrxrkeree 4

1.1 Sơ lược về tình hình nghiên cứu gamma tắn Xạ - 5 5+2 s‡*+++svx+sevss+ 4

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thé giới - + + 2+s+£+£+E+E+£zzxzxecez 4

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nưỚC - - ¿+ c1 33+ vssvvsseerreerses 11

1.1.3 Các van đề liên quan đến luận an oo eecccseeseseseeecsesseesesesseeeseseees 15

1.2 Cơ sở lý thuyét 5c s1 TS 1215112111211 11112111111211111111 0111112111121 rreg 17

1.2.1 Phép do gamma tan Xa - c2 201331322111 111181 11111811111 re 17

1.2.2 Phân bố năng lượng của các tia gamma tán xạ -:-5:55¿ 19

1.2.3 Công thức tính bề dày vật liệu -2- 2 +SE2E£EE2EEEEEErEeExzrerxzex 201.2.4 Công thức tính bề dày bão hòa 2-52 +S2+E+EE+E+EE2EeEEzErxerxes 241.3 Kết luận chương L - 52 S2 EEE2EEE1212111211121111111211121 1111k 25

CHƯƠNG 2: BÓ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ CÁC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

MONTE CARLLO - 5-5-1 S12222552121221521221211211211111121121121121111121121.1 re 26

2.1 Các hệ đo thực nghiỆm - - c0 122211113111 11511 1115111181111 81 11111111 xkp 26

2.1.1 Thiết lập hệ do gamma tán Xạ 5-52 SSESEEEE‡EEEEEEEEEEEEerrrerkee 26

1H

2.1.2 Bồ trí thực nghiệm cho bia dang tam phẳng 2 - 5555: 29

2.1.3 Bồ trí thực nghiệm cho bia dạng trụ rỗng " eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeaaaaaaaaaa 32

2.2 Các chương trình mô phỏng Monte CarÌO - c5 525 S3 +++kx+sevrssseerrerese 34

2.2.1 Chương trình MCNP HS kh 34

2.2.2 Chương trình GEANNTẢ4 221111 * 319v 1111119111111 k ng ky 36

2.3 Kết luận chương 2 ¿- S221 1 1EE1215212111211211111111111111111 E11 etrre 40

CHƯƠNG 3: PHÁT TRIEN CÁC PHƯƠNG PHAP XỬ LÝ PHO GAMMA TAN

3.1 Phương pháp 1: Phân tách phổ tán xạ thành hai thành phần - 4]

3.1.1 Khảo sát thành phan tán xạ một lần - - 2 2+s+sec+x+Ee£zzxzxerez 41

3.1.2 Khảo sát thành phan tán xạ nhiều lần ¿2-5 2+s+£+£zzxz£ecez 45

3.1.3 Phương pháp làm khớp phổ tán xạ hai thành phần - 55: 48

3.2 Phương pháp 2: Phân tách phổ tán xạ thành ba thành phan - Quy trình ban thực

53015011 — šằ 4 49

3.2.1 Khảo sát đặc trưng phân bố của thành phan tán xạ một lần 49

3.2.2 Khảo sát đặc trưng phân bố của thành phan tán xạ hai lần 55

3.2.3 Khảo sát đặc trưng phân bồ của thành phan tán xạ trên hai lần 61

3.2.4 Quy trình bán thực nghiệm dé xử lý phô gamma tán xa ba thành phần 66

3.3 Kết luận chương 3 . - 5-2 S212 E121121511212112121121111111111211 11 1e trre 69

CHƯƠNG 4: KET QUA ÁP DUNG CÁC PHƯƠNG PHAP XỬ LÝ PHO

GAMMA TAN XẠ 55c 22t tt HH he 70

4.1 Kết quả tính toán cho các bia nhôm và thép dang tắm phắng - 70

4.2 Kết quả tính toán cho các ống thép - - 2 +2+E+EE2E£EE£EzEeEEzEerxrrerxrree 75

4.2.1 Kết quả tính toán cho các phổ mô phỏng bằng MCNP6 75

IV

4.2.2 Kết quả tính toán cho các phô đo thực nghiệm - -+<s++s 78

4.3 Kết luận chương 4 -:- +52 2x2xE2xE212212112112112122121121121212112112121E xe 81

CHƯƠNG 5: KET LUẬN VA KIÊN NGHỊ + 2 +S2+E+EE+E+£E+Ee£EeEzxerszea 82

5.1 Những điểm mới của luận án ¿+ 2 +S2+E+EE2E£EE2E£EEEEEEEEEEEEEEEEEerrkerree 825.2 Kết quả nghiên cứu của luận án - ¿+ 2 S2+E9EE2E£EE2EEEEEEEEEEEEEerkrrerrree 84

5.3 Những kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo 2-5: 2 +s+E+£E+EzEeEzxerszes 85

DANH MỤC CÁC CONG TRINH CUA TÁC GIẢ - 5-52 s+s+£+£+zxerxd 86

CÁC CÔNG TRINH KHAC oo.c.ccccsecssssessesessessssesscsesucsescsussesussesussesissesassessssesseeeees 86

TAI LIEU THAM KHAO 0.0 ceccccscsscssssessesesscssssesscsesussvcscsusstsussesissesacsesassessesesseaeees 89

PHU LUCoo.eseccscsccsscssecsessessessesecscssessessessssussessssessssussssessessesissssssscaeseesevseaeaeeseees 95

DANH MỤC CÁC CHỮ VIET TAT

Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh

FWHM pe rộng tại nửa chiều cao cue +1 Width at Half Maximum

GEANT one trinh mo phong GEometry ANd Tracking

HPGe Germanium siéu tinh khiét High Purity Germanium

MCA May phan tich da kénh MultiChannel Analyzer

MCNP _ trình mô phỏng Monte Carlo N Particles

Nal(TI) nan iodua được kích hoạt Thallium-activated sodium iodide

NDT Kiểm tra không phá hủy mẫu Non Destructive Testing

PMT Ong nhân quang điện PhotoMultiplier Tube

SCA May phan tich don kénh Single Channel Analyzer

vi

DANH MỤC CAC BANG

Chỉ số An he

STT bảng Tên bảng Trang

1 2.1 | Đặc trưng phat tia X va tia gamma của nguồn '*’Cs 26

2 2.2 | Thành phan của nhôm 5052 30

bia nhôm phăng

Ket quả làm khớp phô mô phỏng tán xạ nhiêu lân của

7 3.4 am # 47

bia thép phăng

8 35 Các tham sô của ham mật độ xác suat trung bình của tán 53

, xạ một lân trên các ông thép dày từ 2,0mm đên 22,0mm

Kêt quả làm khớp phô tán xạ một lân của các ông thép

9 3.6 5 ` 34

bang hàm S(x)

10 37 Các tham sô của ham mật độ xác suât trung bình tán xạ 59

; hai lân trên các Ong thép dày từ 2,0mm dén 22,0mm

Kêt quả làm khớp phô tán xạ hai lần của các ông thép

11 3.8 5 ` 60

băng hàm D(x)

2 39 Cac tham sô của hàm mật độ xác suât trung bình tán xạ 64

; trên hai lan trên các ông thép dày từ 2,0mm đên 22,0mm

l3 310 Két quả lam khớp phô tán xa trên hai lan của các ông 65

dang tam phang ;

So sánh bê day tính toán và thực tê của các tâm nhôm và

3 1.3 Quá trình tan xạ một lần của gamma lên vật liệu 21

4 14 Dạng bien thiên của cường độ tan xạ một lần theo bề 23

dày bia

5 | 2.1 | Mô hình nguồn phóng xạ '”Cs 26

6 2.2 | Mô tả hình học của thanh gan nguồn 27

7 2.3 | Mô tả hình học của hộp chứa nguồn 27

8 2.4 | Mô tả hình học của thân ống chuẩn trực đầu dò 28

9 2.5 | Mô tả hình học của nắp ống chuẩn trực đầu dò 29

10 2.6 | Bia nhôm và bia thép dạng tắm phẳng 30

11 2.7 | Sơ đồ bé trí hệ do gamma tán xạ đối với bia phẳng 31

12 2.8 | Hệ do gamma tán xạ đối với bia phăng 32

13 | 2.9 | Sơ đồ bố trí hệ đo gamma tán xạ đối với bia trụ rỗng 33

14 2.10 | Hệ đo gamma tán xạ đối với bia trụ rỗng 33

15 211 Mô hình hệ đo gamma tán xạ trên ống thép C45 đường 34

kính 273 mm được mô phỏng băng MCNP6

16 | 2.12 | Sơ đồ các danh mục cấp cao nhất của GEANT4 37

7 213 Mô hình hệ đo gamma tán xạ trên ống thép C45 đường 40

kính 273 mm được mô phỏng băng GEANT4

18 3.1 | Dạng phố tán xạ một lần trên bia nhôm phang 42

19 32 Phô tán xạ một lan của bia nhôm phang day 60,1 mm 4A

được lam khớp băng ham s(x)

20 3.3 | Dạng phổ tan xa nhiều lần trên bia nhôm phẳng 45

21 34 Phô tan xạ nhiều lân của bia nhôm phang dày 60,1mm 47

được làm khớp băng hàm m(z)

22 3.5 | Các thành phan trong phổ gamma tán xạ 48

Phô tán xạ một lân của các ông thép mô phỏng băn

23 | 3.6 GEANTS ñ prong 14561 sọ

24 37 Phô mật độ xác suât tan xạ một lan của ông thép day 8,0 52

mm và 22,0 mm

vill

Thành phân tán xạ hai lần - So sánh phô mật độ xác suất

29 3.12 | trung bình và phổ mật độ xác suất của ống thép day 18,0 57

mm

Phô mật độ xác suất trung bình của tán xạ hai lần trên

30 3.13 | các ống thép được làm khớp theo hàm [G,(x) + G2(x) + 58

G3(x)] : „ 3] 314 Phô mô phỏng tán xa hai lân cua ông thép dày 16,0 mm 59

l được làm khớp theo ham D(x)

32 315 Phố tán xa trên hai lần của các ông thép mô phỏng băng 61

; GEANT4

Phổ mật độ xác suất tán xa trên hai lần của ống thép dày

33 3.16 x 62

8,0 mm va 22,0 mm

Thành phân tan xạ trên hai lần - So sánh phô mật độ xác

34 | 3.17 | suất trung bình và phô mật độ xác suất của ống thép day | 62

18,0 mm

35 3.18 Phổ mật độ xác suất trung bình của tán xạ trên hai lần 63

l của các ông thép được làm khớp theo ham P(x)

36 3.19 Phố mô phỏng tan xạ trên hai lần của ông thép dày 22,0 64

l mm được làm khớp băng ham M(x)

37 3.20 Quy trinh ban thực nghiệm đê xử lý phô gamma tán xạ 68

ba thành phân

Phé tán xạ thực nghiệm đo trên bia nhôm và thép phăng

38 4.1 Roan 70

bé day 6,1 mm

Phô tán xa thực nghiệm với nguồn P”Gs của tắm nhôm

39 4.2 | phăng dày 60,1 mm được phân tách thành hai thành 72

phan s(x) và m(x)

40 4.3 | Đường cong bão hòa của nhôm và thép dạng tam phang 72

Tương quan giữa bề dày tính toán và thực tế của các tắm

Tương quan giữa bề dày tính toán và bề dày mô phỏng

4 47 bang MCNP6 của các ông thép 78

Phé đo thực nghiệm của ống thép dày 8,0 mm đã xử lý

45 4.8 79

bằng quy trình bán thực nghiệm

46 49 Tương quan giữa bê day tính toán và bê day thực tê của SỊ

các ông thép

MỞ DAUHiện nay, có nhiều phương pháp kiểm tra khuyết tật và xác dịnh bề dày củavật liệu mà không cần phá hủy mẫu (Non-Destructive Testing — NDT) như: dòng

điện xoáy [1 - 3], siêu âm [4 - 6], bức xạ nhiệt [7], đo bức xa gamma truyền qua [8],

gamma tán xạ [9, 10], cho kết quả nhanh chóng với độ chính xác cao Tuy nhiên,trong từng trường hợp cụ thé mà mỗi phương pháp kê trên sẽ có những ưu và nhượcđiểm riêng Phương pháp gamma tán xạ có các đặc điểm như sau: nguồn phátgamma và đầu dò đặt cùng một phía so với đối tượng đo và thiết bị không cần tiếp

xúc trực tiếp với đối tượng đo Do đó việc ứng dụng phương pháp này sẽ thuận lợi

hơn khi đối tượng cần đo ở trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, áp suất lớn)

mà không thể tiếp xúc trực tiếp, hoặc trong một số tình huống mà ta chỉ có thé tiếpcận đối tượng từ một hướng

Năm 2012, Bộ Công Thương đã giao cho Bộ môn Vật lý Hạt nhân - Kỹ thuật

Hạt nhân thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Tp HCM

thực hiện dé tài “Nghiên cứu và chế tạo hệ đo độ ăn mòn thành lò chịu lửa ở nhiệt

độ cao bằng phương pháp gamma tán xạ không tiếp xúc” Đến năm 2014, đề tài đó

đã hoàn thành và được nghiệm thu Tuy nhiên, qua quá trình tham gia thực hiện đềtài, nghiên cứu sinh nhận thấy cần tiếp tục nghiên cứu để tăng cường hiệu quả vàphạm vi áp dụng của phương pháp gamma tán xạ trong thực tiễn Với một hệ đo ápdụng tại hiện trường thì tính cơ động là rất quan trọng Đầu dò nhấp nháy Nal(TI)với các đặc điểm là không cần làm lạnh khi hoạt động và hiệu suất ghi nhận bức xạgamma cao đã cho thấy lợi thế về tính cơ động so với đầu dò HPGe Tuy nhiên, đầu

dò Nal(T) có độ phân giải năng lượng kém hơn đầu dò HPGe sẽ làm giảm độ chính

xác của các phép đo Mặt khác, một hệ đo áp dụng ở hiện trường phải thường xuyên

di chuyên, vì vậy việc sử dụng nguồn phóng xạ có hoạt độ lớn sẽ gây ra khó khăntrong che chắn bức xạ và vận chuyên, cũng như rủi ro cao về mặt an toàn Tuynhiên khi sử dụng nguồn phóng xạ có hoạt độ nhỏ, để đảm bảo chính xác về mặtthống kê và thời gian đo không kéo dai thì không thé thu hẹp ống chuẩn trực quá

nhiều Điều này dẫn đến sự đóng góp của các thành phần tán xạ nhiều lần (gây

nhiễu) lên phổ đo là lớn Sự chồng chập của các thành phan tán xạ một lần và nhiềulần trong phố có thé làm giảm độ chính xác của phép đo, đặc biệt là đối với đầu dò

có độ phân giải năng lượng thấp Do đó, một phương pháp xử lý phổ tán xạ dé phânbiệt được thành phần tán xạ một lần và nhiều lần sẽ giúp cải thiện độ chính xác củakết quả đo Ngoài ra, dé triển khai hệ đo một cách rộng rãi và nhanh chóng cần phải

tự động hóa các quá trình ghi nhận số liệu, xử lý số liệu và đưa ra kết quả Việc tự

động hóa quá trình xử lý số liệu trước hết đòi hỏi các công đoạn xử lý phải được

quy chuẩn dé giảm thiêu ảnh hưởng từ các yếu tố không mong muốn Dé giải quyết

các van đề nêu trên, luận án được thực hiện nhằm phát triển một phương pháp xử lý

phổ gamma tán xạ sao cho có thé phân biệt được các thành phần tán xạ một lần vànhiều lần cũng như xây dựng một quy trình hoàn chỉnh dé xử lý phố gamma tán xa

và tính toán bề dày vật liệu với các tiêu chí: đơn giản, chính xác và 6n định Phươngpháp xử lý phố nay ứng dụng cho hệ thiết bị kiểm tra và đánh giá khuyết tật của vậtliệu tại hiện trường sử dụng nguồn phóng xạ ' ”Cs và đầu dò Nal(TI) Các phép đođược thực hiện với các vật liệu nhôm và thép có dạng tắm phẳng và dạng hình ống.Đây là những loại vật liệu và hình dạng rất thường gặp trong các hệ thống côngnghiệp như: vỏ thân tàu, thành lò nung, đường ống dan dầu, đường ống dẫn khí,

Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm các phép đo thực nghiệm kết hợp

với các chương trình mô phỏng GEANT4 và MCNP dé đánh giá đặc trưng của cácthành phan tán xa trong phố tán xạ toàn phan, từ đó đề nghị các ham phân bố đại

diện cho từng thành phần tán xạ và đề xuất phương pháp tách phô tán xạ tổng thànhcác thành phần tán xạ Đề trình bày các kết quả đạt được, nội dung của luận án được

bố cục như sau:

- Phần mở đầu giới thiệu chung về mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Chương 1: trình bay tổng quan về tình hình nghiên cứu gamma tán xạ ởtrong nước và trên thế giới, cơ sở lý thuyết phục vụ cho các tính toán ở các chương

sau.

- Chương 2: mô tả các hệ đo thực nghiệm được sử dụng trong luận án và giới

thiệu các chương trình mô phỏng MCNP6 và GEANT4.

- Chương 3: trình bày các khảo sát riêng biệt về các thành phan tán xa, từ đóphát triển các phương pháp xử lý phổ gamma tán xa và đề xuất một quy trình bánthực nghiệm nhăm phân tách các thành phan trong một phổ gamma tan xạ

- Chương 4: trình bày kết quả áp dụng các phương pháp xử lý phổ gamma tan

xạ và quy trình bán thực nghiệm đã nêu ở chương 3 để tính bề dày của các tắmnhôm, thép và các ống thép

- Chương 5: tóm tắt lại các kết quả đã đạt được của luận án, nêu ra các điểm

mới của luận án và kiến nghị các nghiên cứu tiếp theo

Về mặt khoa học, luận án mở ra một cách tiếp cận mới dé nghiên cứu về cácthành phan tán xạ một lần và nhiều lần trong phố gamma tan xa, đưa ra các công

thức để ước lượng bề dày bão hòa và xác định bề dày của vật liệu bằng phương

pháp gamma tán xạ Về thực tiễn, luận án cung cấp một giải pháp kiểm tra không

phá hủy có thể áp dụng tại hiện trường để xác định chính xác bề dày của vật liệubằng hệ thiết bị sử dụng nguồn phóng xạ '°’Cs và đầu dò Nal(TI)

CHƯƠNG 1

NGHIÊN CỨU TỎNG QUAN

1.1 Sơ lược về tình hình nghiên cứu gamma tán xạ

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Phép đo gamma tán xạ được thiết lập với mục đích ghi nhận các sự kiện mà tia

gamma phát ra từ nguồn phóng xạ đi đến mẫu và xảy ra các tương tác tan xa

(Compton, Rayleigh) trong mẫu, sau đó thoát ra khỏi mẫu Trong phép đo này, các

tia gamma tán xạ được ghi nhận bởi đầu dò sẽ bao gồm các sự kiện tán xạ một lần

và tán xạ nhiều lần Tán xạ một lần là quá trình tia gamma tới chỉ xảy ra một lần

tương tác Compton với mẫu Năng lượng của các tia gamma tán xạ một lần phụ

thuộc vào góc tan xạ và cô định với mỗi cấu hình do Tan xạ nhiều lần là quá trình

tia gamma tới xảy ra nhiều lần tương tác Compton hoặc Rayleigh với mẫu trước khiđến dau dò Do đó, các tia gamma tán xạ nhiều lần có phổ năng lượng liên tục và

trải rộng Một số nghiên cứu trước đây đã tính toán phô phân bố năng lượng của tiagamma tán xạ nhiều lần bằng các phương pháp giải tích và Monte Carlo như sau:

Năm 1930, Dumond [11] đã ứng dung lý thuyết tán xạ cô điển Thompson và

hiệu chỉnh Breit cho sự phân cực dé tính toán cho quá trình tan xa của photon Từ

đó, tác gia đưa ra biểu thức giải tích cho sự tính toán cường độ va phân bố phổ củatán xạ hai lần theo góc tán xạ với mẫu có dạng khối cau

Năm 1937, Kirkpatrick [12] đã công bố nghiên cứu về tính toán giải tích cho

cường độ của tán xạ hai lần tại góc 90” trên mẫu có dạng cầu hoặc trụ, với photontới ở trạng thái phân cực bất kỳ Nền tảng của nghiên cứu dựa trên lý thuyết tán xạ

Thompson và hiệu chỉnh xấp xi cho năng lượng mắt do electron giật lùi

Năm 1975, Felsteiner và cộng sự [13] đã công bố các tính toán Monte Carlocho việc xác định số lượng tán xạ nhiều lần trong phép đo tán xạ Compton Nhómtác giả đã khảo sát sự ảnh hưởng của các điều kiện đo khác nhau như bề dày mẫu,vật liệu mẫu và năng lượng của photon tới lên tán xạ nhiều lần Quãng đường tự do

trung bình của photon tới bên trong vật liệu tán xạ được cho là đóng vai trò quan

trọng trong việc xác định đóng góp tán xạ nhiều lần

Năm 1979, Halonen và cộng sự [14] đã công bố nghiên cứu về tính toán

Monte Carlo nhằm xác định phân bố góc của tán xạ hai lần cho các mẫu Nhôm vàNikel dang trụ Nhóm tác giả đã nghiên cứu sự khác biệt giữa việc ứng dụng tiết

diện Thompson phi tương đối và tiết diện Klein-Nishina cho việc mô phỏng quá

trình tán xạ tại các năng lượng khác nhau Bên cạnh đó, ảnh hưởng của việc sử dụng

tiết điện Ribberfors (hiệu chỉnh cho sự phân bố động lượng của electron) cũng đượcnghiên cứu Kết quả cho thấy răng tiết diện tương đối tính và phi tương đối là khákhác biệt tại năng lượng 160 keV, nhưng sự phụ thuộc vào năng lượng của hai tiếtdiện này là giống nhau một cách cơ bản Hơn nữa, tiết điện tương đối Klein-Nishina

và Ribberfors không có sự khác nhau đáng kể cho việc tính toán tán xạ hai lần

Năm 1991, Fernández [15] 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 docác hiệu ứng Compton và Rayleigh (bao gồm Compton-Compton, Compton-

Rayleigh, Rayleigh-Compton, Rayleigh-Rayleigh) được suy ra dựa trên lý thuyết

vận chuyền cho một mẫu dày vô hạn được chiếu xạ bởi một chùm tia gamma đơnnăng 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 Boltzmann Từ đó, tác giả đã

tính toán cường độ tán xạ hai lần của các hiệu ứng Rayleigh và Compton cho cácvật liệu đơn nguyên tố và hỗn hợp Các kết quả tính toán lý thuyết cũng được so

sánh với dtr liệu thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo.

Năm 1999, Fernández và cộng sự [16] đã trình bày mô hình lý thuyết sử dụngphương trình vectơ Boltzmann đề tính toán cho các quá trình tán xạ mà photon tới ởtrạng thái phân cực bất kì Mô hình này cho phép xác định các thông tin về cường

độ của photon tán xạ nhiều lần và trạng thái phân cực toàn phần của chúng trongphép đo tán xạ từ mẫu dày vô hạn được chiếu bởi chùm tia đơn năng

Năm 2004, Kakutani và cộng sự [17] đã công bố nghiên cứu về mô phỏngMonte Carlo cho phép đo tán xạ Compton với các tia X tới phân cực tuyến tínhhoặc ellip Trong công trình này, phổ năng lượng của tán xạ Compton hai lần được

tính toán như các hàm của năng lượng tia X tới và số nguyên tử (Z) của các mẫu có

hình dạng và kích thước khác nhau.

Năm 2013, Tarim va cộng sự [18] đã xây dựng một phần mềm Monte Carlo dé

mô phỏng phép do gamma tán xạ Phần mềm nay cho phép đánh giá một cách riêngbiệt các quá trình tương tác mà photon trải qua tán xạ một lần hoặc nhiều lần bêntrong mẫu Kết qua của nghiên cứu đã cho thấy dang phân bố phổ năng lượng củacác thành phần tán xạ một lần và nhiều lần (từ hai lần đến chín lần) Từ đó, ta có thể

quan sát được sự chồng chập của thành phần tán xạ một lần và nhiều lần bên trong

phô tổng Đồng thời, nghiên cứu cũng chỉ ra sự phụ thuộc của các sự kiện tán xạ

ngược nhiều lần vào bề dày bia và năng lượng của photon tới

Bên cạnh đó, sự ảnh hưởng của các điều kiện đo khác nhau (như các thông số

hình học của hệ đo, năng lượng tia gamma tới, bia tán xạ v.v.) lên cường độ tia

gamma tán xạ nhiều lần đã được khảo sát trong một số nghiên cứu như sau:

Năm 1983, Paramesh và cộng sự [19] đã khảo sát sự phụ thuộc của bề dày bão

hòa cho tia gamma tán xạ nhiều lần vào số nguyên tử (Z) của vật liệu bia Trongnghiên cứu này, chùm tia gamma hẹp phát ra từ nguồn '*’Cs có năng lượng 662 keV

được chiếu đến các bia nhôm, sắt, đồng và chì với bề dày khác nhau Đầu dòNal(TD) được bố trí tại góc 120° so với tia tới dé ghi nhận các tia gamma tán xạ Kết

quả cho thấy cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần tăng lên theo sự gia tăng của bé

dày bia và đạt tới bão hòa sau một giá trị của bề dày, được gọi là bề dày bão hòa.Giá trị bề dày bão hòa giảm xuống khi số nguyên tử của vật liệu bia tăng lên Cụ

thể, bề dày bão hòa của nhôm, sắt, đồng, và chi lần lượt là 8,3 cm, 2,65 cm, 2,2 em

và 0,4 em.

Năm 2006, Singh và cộng sự [20] đã công bố nghiên cứu về sự phân bố nănglượng và cường độ của tán xạ Compton nhiều lần trên bia đồng với các tia gammatới có năng lượng lần lượt là 279, 662 và 1120 keV Trong đó, một đầu dò Nal(TI)

được sử dụng để ghi nhận các tia gamma tán xa tại góc đo 60° so với tia gamma tới.Kết quả của nghiên cứu cho thấy, cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần tăng lên

theo sự gia tăng của bề dày bia và sau đó đạt tới bão hòa Giá trị bề dày bão hòa

tăng lên theo sự gia tăng của năng lượng tia gamma tới Mặt khác, tỉ số giữa số sựkiện tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần được ghi nhận bởi đầu dò là suy giảm theo

sự gia tăng của bề dày bia

Năm 2006, Singh và cộng sự [21] đã nghiên cứu ảnh hưởng của ống chuẩn

trực đầu đò và bề dày bia đối với các tia gamma tán xạ nhiều lần Nhóm tác giả đã

sử dụng nguồn phóng xạ '?’Cs được chuẩn trực dé phát ra chùm tia gamma hẹp cónăng lượng 662 keV chiếu đến các bia nhôm dạng trụ có đường kính khác nhau.Đầu dò Nal(Tl) được đặt tại góc 90° so với chùm tia tới dé ghi nhan cac tia gamma

tan xa Kết quả cho thấy cường độ tia gamma tán xa nhiều lần tăng lên theo sự giatăng của đường kính bia và sau đó đạt tới bão hòa Số lượng tia gamma tán xạ nhiềulần được ghi nhận cũng tăng lên theo sự gia tăng đường kính của ống chuẩn trực

đầu đò Tuy nhiên, bề dày bão hòa lại không thay đổi bởi thông số này Ngoài ra, tỉ

sỐ giữa số sự kiện tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần tăng lên khi thu hẹp đườngkính của ống chuẩn trực đầu dò Kết quả này cho thấy có thé làm giảm thành phantán xạ nhiều lần trong phô bang cách thu hẹp ống chuẩn trực Tuy nhiên, điều nàycũng đồng nghĩa với việc phải tăng thời gian của phép đo hoặc sử dụng nguồnphóng xạ có hoạt độ lớn dé dam bảo thong ké

Năm 2007, Singh và cộng su [22] đã khảo sát anh hưởng cua góc tan xa lên

các tia gamma tán xạ nhiều lần với gamma tới có năng lượng 662 keV Nhóm tác

giả đã bồ trí đầu đò Nal(TI) tại các vị trí khác nhau, tương ứng với các góc tán xạ từ50° đến 130°, để ghi nhận tia gamma tán xạ từ các bia đồng có bề dày khác nhau

Kết quả của nghiên cứu cho thấy, ứng với mỗi góc tán xạ thì cường độ tia gamma

tán xạ nhiều lần tăng lên theo sự gia tăng của bề dày bia và sau đó đạt tới bão hòa.Giá trị của bề dày bão hòa giảm dần từ 14,4 mm đến 5,0 mm khi góc tán xạ tăng từ50° đến 80°, và giảm từ 27,0 mm đến 18,0 mm khi góc tán xạ tăng từ 100° đến 130°.Đồng thời, nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng với mỗi bề dày bia thì cường độ tiagamma tán xạ nhiều lần suy giảm khi góc tán xạ giảm từ 50° đến 80°, đạt tối thiểutại góc 90°, và gia tăng từ góc 100° đến 130° Sự biến thiên với quy luật nêu trên của

cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần theo góc tán xạ càng trở nên rõ ràng đối với

các bia có bề dày lớn

Năm 2016, Kiran và cộng sự [23] đã nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ

tia gamma tán xạ nhiều lần và bề dày bão hòa theo góc tán xạ cho các bia cacbon,nhôm, sắt và đồng bằng thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo Nhóm tác giả đã

sử dụng nguồn phóng xạ '””Cs dé phát ra chùm tia gamma có năng lượng 662 keVchiếu đến bia Đầu dò Nal(Tl) được sử dụng dé ghi nhận các tia gamma tan xa tạicác góc khác nhau Các phép đo thực nghiệm được tiến hành ở các góc tán xa 60°,

80”, 90”, 100”, 120” và 135” Bên cạnh đó, các mô phỏng Monte Carlo sử dụng mã

MCNP đã được thực hiện cho các góc tán xạ 40°, 60°, 80°, 90°, 100°, 120°, 135°,

160° và 180° Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần

suy giảm khi góc tán xạ thay đồi từ 40° đến 80°, dat tối thiểu tại góc 90°, và gia tăngkhi góc tán xạ tăng từ 100° đến 135° Bề dày bão hòa cho góc tán xạ 40° và 60° nhỏ

hơn bề dày bão hòa cho các góc 80°, 90°, 100°, 120°, 135°, 160° và 180°

Cho đến nay, nhiều nghiên cứu về ứng dụng phương pháp gamma tán xạ trong

kiểm tra khuyết tật và đánh giá các đặc trưng của vật liệu đã được thực hiện.

Năm 1989, Hussein va cộng sự [24] đã nghiên cứu khả năng ứng dụng phương

pháp tán xa Compton dé kiểm tra cấu trúc của bê tông Chương trình mô phỏng

Monte Carlo, gọi là SIMPHO (simulation of photons), được sử dụng để đưa ra các

thông số thiết kế hình học cần thiết cho hệ đo và tiến hành khảo sát với các nguồnnăng lượng, các bề dày bê tông khác nhau Các phép đo thực nghiệm cũng được tiễnhành với nguồn phóng xạ '”“Cs và đầu dò Nal(TI) dé phát hiện sự tồn tại của cácthanh 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

Năm 1989, AnJos và cộng sự [25] đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp

gamma tán xạ dé kiểm tra vết nứt trên bề mặt của vật liệu Nhóm tác giả đã sử dụng

hệ đo gồm nguồn phóng xạ '°’Cs và đầu dò Nal(TI) Mẫu phân tích là các khốinhôm được chế tạo với các vết nứt có kích thước khác nhau trên bề mặt Hệ đo tiến

hành quét qua các vi trí khác nhau trên bê mặt cua mâu, đồng thời ghi nhận các tia

gamma tán xạ để phát hiện sự ton tại của vết nứt Kết quả cho thấy, các vết nứt hoặc

lỗ rong trên bề mặt có kích thước lớn hon 1,6 mm có thé được phát hiện

Năm 1994, Mullin và cộng sự [26] đã ứng dụng phương pháp gamma tán xạ

dé kiểm tra các vết nứt và khuyết tật nhỏ bên trong các khối nhôm Trong công trìnhnày, nguồn phóng xa “Co có chuẩn trực và một đầu dò HPGe được sử dụng dé thiết

lập hệ đo gamma tán xạ cho các phép đo thực nghiệm Bên cạnh đó, phương pháp

Monte Carlo cũng được ứng dụng dé mô phỏng phố gamma tan xa cho các đầu đògiả định dạng điểm, sau đó so sánh với phô thực nghiệm để hỗ trợ cho tính toán

Kết quả nghiên cứu đã cho thấy kỹ thuật gamma tán xạ có thé ứng dụng dé kiểm tracác khuyết tật có kích thước nhỏ nằm thăng hàng bên trong vật liệu, với kích thướcnhỏ nhất là 0,5 mm

Năm 1999, Silva và cộng sự [27] đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp

gamma tán xạ ngược dé đánh giá các khuyết tật trên bề mặt của các vật thể có dạng ống Nghiên cứu này được thực hiện với việc sử dụng một hệ đo thực nghiệm gồm

nguồn phóng xạ '”“Cs và một đầu dò nhấp nháy Nal(TI) không chuẩn trực Nhóm

tác giả đã tiến hành các phép đo trên những tam nhôm có bề dày khác nhau và quansát thấy rang vị trí của đỉnh phổ tán xạ suy giảm theo sự gia tăng bề dày của mau.Việc làm khớp giá trị năng lượng của đỉnh phổ tán xạ theo bề day mẫu được thựchiện và gọi là sự chuẩn năng lượng Dựa trên đường chuẩn năng lượng này, bề dàycủa tam nhôm được xác định với sai số dưới 4% trong vùng giới hạn của đườngchuẩn và khoảng 6% với các tấm nhôm có bề dày năm ngoài vùng giới han của

đường chuẩn Sau đó, các phép đo gamma tán xạ trên các ống sắt có đường kính, bề

dày và kích thước khuyết tật trên bề mặt khác nhau được thực hiện Kết quả cho

thay nó có thé phát hiện được các khuyết tật có kích thước tối thiểu là 2 mm trên bềmặt của một ống sắt đường kính 77,3 mm và dày 6,3 mm

Năm 2007, Fernandez và cộng sự [28] đã báo cáo một quy trình hiệu chỉnh

ảnh hưởng của thành phần tán xạ nhiều lần để ứng dụng cho phép đo mật độ Phần

mềm Monte Carlo MCSHAPE3D được sử dụng để tính toán hệ số hiệu chỉnh tán xạ

nhiêu lân (hệ sô này được định nghĩa là tỉ sô giữa cường độ tán xạ một lân và cường

độ tổng của các tia tán xạ) cho một số mẫu có bề dày khác nhau Dựa trên các dữliệu mô phỏng, một thuật toán nội suy được áp dụng để xác định hệ số hiệu chỉnhtán xạ nhiều lần tại một bề dày bất kỳ Hệ số hiệu chỉnh này đã được ứng dụng vàophép đo mật độ của các tam gỗ băng thiết bị đo gamma tán xạ Kết quả đo được chothấy có sự phù hợp tốt với giá trị do bằng phương pháp truyền qua.

Năm 2011, Priyada và cộng sự [29] đã công bố nghiên cứu so sánh giữa cácphương pháp đo gamma tán xạ, chụp ảnh cắt lớp gamma và chụp ảnh phóng xạtrong việc phát hiện sự ăn mòn không đồng nhất của thép mềm Kết quả của nghiêncứu cho thấy, tỉ lệ ăn mòn trên thép mềm được đánh giá từ ba phương pháp trên làxấp xỉ nhau, cụ thé là 17,78 - 27%; 18,9 - 24,28%; 18,9 - 24,28% lần lượt chogamma tán xạ, chụp ảnh cắt lớp gamma và chụp ảnh phóng xạ Đối với phương

pháp gamma tán xạ, các tác giả đã sử dụng nguồn '°“Cs chuẩn trực và đầu dò HPGe

để thực hiện các phép đo trên mẫu thép mềm Bên cạnh đó, mô phỏng Monte Carlobằng chương trình MCNP cũng được thực hiện dé đánh giá ti số tín hiệu trên nhiễu

cho các tỉ lệ khác nhau của sự ăn mòn trên mẫu, đồng thời phổ tán xạ mô phỏngcũng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm tương ứng Các kết quả thực nghiệm và

mô phỏng cho thấy rằng phương pháp gamma tán xạ có độ nhạy cao với sự thay đổicủa mật độ electron trong mẫu Từ đó, sự ăn mòn có thể được nhận biết và địnhlượng một cách rõ ràng thông qua đánh giá các sự kiện tán xạ một lần

Năm 2012, Priyada và cộng sự [30] đã so sánh giữa hai phương pháp gamma

tán xạ và gamma truyền qua cho việc phát hiện mặt phân cách giữa hai môi trường

lỏng - lỏng hoặc lỏng - khí và xác định mật độ của môi trường Nhóm tác giả đã sử

dụng nguồn phóng xạ '°’Cs và đầu dò HPGe dé thực hiện các phép do gamma tan

xạ và gamma truyền qua Các chất lỏng với mật độ khác nhau và không hòa tanđược chứa đựng trong ống trụ bằng kính hoặc ống nhựa PVC để tạo ra các mặt phân

cách lỏng - lỏng và lỏng - khí Các kết quả đánh giá cho thấy phương pháp gamma

tan xa có độ chính xác cao hơn so với gamma truyền qua cho việc phát hiện mặt

phân cách giữa hai môi trường và xác định mật độ của từng môi trường.

10

Năm 2012, Priyada và cộng sự [31] đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp

gamma tán xạ dé phát hiện các lỗ rỗng bên trong khối bê tông Nhóm tác giả đã

thiết lập hệ do tán xạ bao gồm nguồn phóng xạ ' ”Cs và đầu dò HPGe Mẫu do là

các khối bê tông được chế tạo với các lỗ rỗng bên trong có đường kính khác nhau.Một phương pháp ngoại suy phi tuyến được đưa ra dé hiệu chỉnh cho sự tự hap thụ

và cường độ tán xạ nhiều lần Dong thời, thuật toán sử dung dữ liệu suy giảm dé

dựng lại các phé tán xa cũng được trình bay Các kết quả của nghiên cứu cho thay

một sự phù hợp tốt về vị trí và kích thước của các lỗ rỗng được xác định bằng kỹthuật gamma tán xạ so với thực tế

Nam 2021, Salgado và cộng sự [32] đã đề xuất một phương pháp dé xác định

bề day của lớp đóng cặn BaSO¿ bên trong đường ống sử dụng phương pháp gamma

tan xa và thuật toán mạng noron nhân tao Mô hình hệ do gồm một nguồn phóng xạ

'”Gs và ba đầu đò Nal(TI) đã được xây dựng cho mô phỏng Monte Carlo sử dung

mã MCNP6 Các mô phỏng được thực hiện với các mức đóng cặn khác nhau và có

sự hiện diện của dầu, nước, và khí bên trong ống Dữ liệu ghi nhận được từ các đầu

đò được sử dụng dé huấn luyện mô hình mạng noron nhân tạo cho việc tiên đoán bề

dày của lớp đóng cặn Nghiên cứu cho thấy hơn 90% kết quả tiên đoán có sai sốthấp hơn 10% so với giá trị thực

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Năm 2005, T.D Nghiệp [33] đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp tan xa

ngược gamma dé kiểm tra khuyết tật trong các vật liệu thép cacbon, thép không gi

và gạch chịu lửa Hệ đo gồm nguồn phóng xạ '°’Cs, đầu dò Nal(TI) và bộ phân tích

đa kênh (MCA) đã được sử dụng trong nghiên cứu Kết quả cho thấy hình dạng của

khuyết tật trong bia có thé được đánh giá thông qua số đếm tán xạ ngược ghi nhận

tại các vị trí quét khác nhau.

Năm 2008, T.T.H Loan và cộng sự [34] đã sử dụng chương trình MCNP dé

mô phỏng phé tán xạ ngược gamma trên bia nhôm ghi nhận bang đầu dò HPGe, với

À„ 192

hai nguồn ''“Ir và ““Co Các tác giả đã khảo sát ở các góc tán xạ từ 60° đến 120° vàcác bề dày khác nhau của bia nhôm, trong hai trường hợp góc giữa bia và chùm tia

11

gamma tới là 30° hoặc 45° 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% Đồngthời, các tác giả cũng đưa ra nhận xét răng khi thay đổi góc tán xạ từ 60° - 120° thìthành phan tán xạ một lần tăng và thành phan tán xạ nhiều lần giảm Bề day bão hòa

'®2Ir là 1 em

cho bia nhôm đối với năng lượng 316,5 keV của nguồn

Năm 2010, H.S.M Phương va N.V Hùng [35] đã tiến hành mô phỏng MonteCarlo bằng chương trình MCNP và làm thực nghiệm so sánh đối với phép đo bề dàyvật liệu bằng phương pháp gamma tán xạ ngược trên hệ thiết bị MYO-101 (sử dung

đầu đò nhấp nháy YAP(Ce) và tia gamma 60 keV của nguồn 74! Am) Trong công

trình này, một số vật liệu như: giấy, plastic, nhôm và thép đã được khảo sát Về kết

quả, các tac 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 cácloại vật liệu nói trên Độ lệch giữa các kết quả thực nghiệm và mô phỏng trong

khoảng 3,3% - 15,5%.

Năm 2011, H.S.M Tuấn và cộng sự [36] đã sử dụng chương trình MCNPS để

khảo sát sự thay đổi của tỉ số giữa thành phan tán xạ một lần và nhiều lần trong phốgamma tán xạ theo góc tán xạ và bề dày bia Các tác giả đã mô phỏng các phép đo

trên vật liệu nhôm 6061, sử dụng nguồn '3”Os và đầu dò HPGe với góc tán xạ thayđổi từ 60° đến 120° Kết qua cho thấy ở góc tán xạ 120°, tỉ số giữa thành phan tán xạ

một lần và nhiều lần là lớn nhất Ngoài ra, các kết quả cũng cho thấy thành phần tán

xạ nhiều lần tăng nhanh hơn thành phần tán xạ một lần khi tăng bề dày bia

Năm 2013, T.D Nghiệp và cộng sự [37] đã tiến hành thực nghiệm dé khảo sát

sự thay đổi của cường độ gamma tán xạ theo bề dày bia cho một số vật liệu Trong

nghiên cứu nay, một hệ đo thực nghiệm được thiết lập sử dụng nguồn phóng xạ

'“Gs và đầu đò Nal(TD dé ghi nhận các tia gamma tán xạ ở góc 130° Mẫu đo có

dạng tắm phăng được làm bằng các vật liệu cacbon, nhôm, sắt, đồng, bạc, chi va

thép không gi với bề day khác nhau Kết qua cho thấy cường độ gamma tan xa tăng

lên khi bề dày mẫu gia tăng và sau đó đạt tới bão hòa ở một bề dày nhất định Các

dữ liệu thực nghiệm của cường độ gamma tán xạ theo bề dày bia được làm khớp bởi

12

một dạng ham mũ với hệ số tương quan làm khớp xấp xi 1 Từ đó, xác suất tan xạcủa photon trên mỗi don vị bề dày mẫu được xác định từ một hệ số của phươngtrình làm khớp Xác suất tán xạ này tăng lên theo sự gia tăng của số nguyên tử (Z)

của vật liệu làm mẫu.

Năm 2015, H.Đ Tam và cộng sự [10] đã đề xuất một cách tiếp cận dé xác

định bề day của tam vật liệu băng phương pháp gamma tán xạ Một hệ đo thực

nghiệm được thiết lập sử dụng nguồn phóng xạ '*’Cs có chuẩn trực và đầu đò

Nal(T)) đặt tại góc tán xa 120° Các mẫu đo có dạng tắm phẳng được làm băng vật

liệu thép C45 với bề dày khác nhau Bên cạnh đó, các mô phỏng Monte Carlo sửdụng chương trình MCNP5 cũng được thực hiện với cau hình hệ do giống như thực

nghiệm Nhóm tác giả đã đưa ra một kỹ thuật xử lý phổ để thu được số đếm tán xạ

một lần từ phô tán xa Compton Trong đó, phô tán xa Compton được làm khớp bởi

ba hàm toán học: một hàm phân bố Gauss cho thành phần tán xạ một lần, một hàmphân bố Gauss cho thành phần tán xạ hai lần và một đa thức bậc bốn cho các thànhphần tán xạ nhiều hơn hai lần Đồng thời, các tác giả cũng xây dựng một công thứcgiải tích để tính bề dày vật liệu dựa trên số đếm tán xạ một lần Kết quả nghiên cứucho thấy bề dày đo được so với bề dày thực tế có độ sai biệt dưới 4% đối với số liệu

đo thực nghiệm và dưới 2% đối với số liệu mô phỏng bang MNCPä

Năm 2017, V.T.T Kiên và cộng sự [38] đã ứng dụng hệ đo gamma tán xạ với

nguon phóng xạ '*’Cs và đầu dò Nal(TI) để xác định mật độ của dầu KO Các tácgiả đã tính toán các phương trình đường chuẩn của mật độ theo cường độ tán xạ một

lần, nhiều lần và tổng bằng một số chất lỏng được chọn làm chuẩn như: nước, dungdịch H;SO¿, dung dich HCl, glycerol, dung dịch HNO¿, ethanol va xăng A92 Kếtquả xác định mật độ của dầu KO với sai biệt lớn nhất là 8% đối với tán xạ một lần

và nhỏ nhất là 2% đối với tán xạ tông

Năm 2017, H.Đ Chương và cộng sự [39] đã nghiên cứu ảnh hưởng của đường

kính ống chuẩn trực đầu dò lên bề dày bão hòa trong phép đo gamma tán xạ Một hệ

đo gamma tán xạ gồm nguồn '*’Cs va đầu dò Nal(TI) đã được thiết lập để đo cácbia nhôm có bề dày khác nhau Đường kính ống chuẩn trực đầu dò thay đổi từ 1 em

13

đến 5 cm cho các phép do Các tác giả cũng dé xuất một kỹ thuật xử lý phô dé xác

định các thành phần tán xạ một lần và nhiều lần trong phô thực nghiệm Kết quảcho thấy số đếm tán xạ một lần tăng lên khi bề dày bia tăng, sau đó đạt đến bão hòa

Bè day bão hòa của số đếm tán xạ một lần tăng lên theo đường kính ống chuẩn trực

Năm 2020, H.Đ Chương và cộng sự [40] đã đề xuất một cách tiếp cận dé xác

định khối lượng riêng của chất lỏng đựng bên trong ống hình trụ dựa trên phươngpháp gamma tán xạ Nhóm tác giả đã chỉ ra tỉ số R (tỉ lệ diện tích của đỉnh tán xạ

một lần cho chất lỏng và cho nước tỉnh khiết) tăng tuyến tính với sự gia tăng mật độcủa chất lỏng Các giá trị của hệ số độ dốc (slope) và hệ số chặn (intercept) có thể

được biéu thị dưới đạng các hàm toán học của đường kính ống Từ đó, một phương

trình biểu dién mối liên hệ giữa tỉ số R so với mật độ và đường kính ống được xác

định Mật độ của một chất lỏng bất kỳ được xác định dựa trên phương trình này Độ

tin cậy của phương pháp đề xuất được đánh giá bằng cách so sánh mật độ đo được

và mật độ tham khảo cho năm chất lỏng gồm: n-hexan, dietyl ete, axetonitril, toluen

va glycerol chứa trong các ống có đường kính trong là 1,8 em, 2,25 cm và 2,68 cm.Kết quả cho thấy độ lệch tương đối lớn nhất giữa mật độ tham khảo và mật độ đo

được là 4,3%.

Năm 2020, H.D Chương va cộng sự [9] đã đề xuất một cách tiếp cận dé xác

định bề dày của tam vật liệu bằng hệ đo gamma tán xạ sử dụng nguồn hoạt độ thấp.

Cách tiếp cận nay sử dụng dit liệu thu được từ mô phỏng Monte Carlo dé xây dựngđường chuẩn của tỉ số R so với bề day của tam vật liệu Trong đó, R là ti số của diện

tích bên dưới đỉnh tán xạ cho phép đo mẫu tại bề dày nhất định so với điện tích chophép đo mẫu tại bề dày bão hòa Bè dày chưa biết của tam vật liệu được xác định

bằng cách nội suy giá trị của tỉ số R đo được từ thực nghiệm vào đường chuẩn nay

Đề kiểm tra độ tin cậy của phương pháp được đề xuất, 39 phép đo đã được thựchiện cho 13 mẫu nhôm có độ dày trong khoảng 7,00 mm — 35,20 mm (mỗi mẫu đolặp lại 3 lần) Kết quả cho thấy ngoại trừ hai phép đo có độ lệch tương đối là 5,45%

và 6,17%, độ lệch tương đối của các phép đo còn lại đều nhỏ hơn 5%

14

Năm 2021, T.T Sang và cộng sự [41] đã trình bày một phương pháp dé xácđịnh mật độ của chất lỏng dựa trên thuật toán mạng nơron nhân tạo với dữ liệu thuđược từ phép đo gamma truyền qua và gamma tán xạ Phương pháp này cho phépxác định mật độ của chất lỏng mà không cần biết thành phần hóa học của nó, và khi

chất lỏng được chứa trong ống trụ có đường kính khác nhau Mô hình mạng noron

nhân tạo được huấn luyện bằng dt liệu thu được từ mô phỏng Monte Carlo Đềđánh giá độ tin cậy của phương pháp được đề xuất, mô hình mạng nơron nhân tạo

được sử dụng dé dự đoán mật độ của bảy chất lỏng có mật độ trong khoảng 0,6

g.cm” đến 2,0 g.cm” Kết quả cho thấy, đối với phép do gamma truyền qua, có 25

trong số 28 mẫu có độ lệch tương đối giữa mật độ chuẩn và mật độ dự đoán dưới

5%; ba mẫu còn lại có độ sai lệch trong khoảng từ 5,2% đến 6,3% Đối với phép đo

gamma tán xạ, có 17 trong số 21 mẫu có độ lệch tương đối nhỏ hơn 5%; bốn mẫucòn lại có độ sai lệch trong khoảng từ 5,2% đến 6,9% Kết quả này đã chứng tỏ rằngthuật toán trí tuệ nhân tạo kết hợp với Monte Carlo là một cách tiếp cận hiệu quả déước tính mật độ của chat lỏng

1.1.3 Các vấn đề liên quan đến luận án

Từ các công trình nghiên cứu được liệt kê ở trên, có thể thấy rằng phương

pháp gamma tán xạ đã được ứng dụng thành công cho việc đánh giá các đặc trưng

của vật liệu như: xác định bề day [9, 10] hoặc mật độ khối lượng [30, 40, 41]; do

lớp đóng cặn bên trong thành ống [32]; phát hiện và đánh giá ăn mòn hoặc khuyếttật trong vật liệu [29, 31]; xác định mặt phân cách giữa hai môi trường [30] Điềunày chứng minh rằng phương pháp gamma tán xạ là công cụ hiệu quả trong kiểmtra không phá hủy, mà nó cần phải được nghiên cứu để hoàn thiện và đưa ra ứngdụng trong thực tế

Tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần là các thành phần đặc trưng luôn được ghinhận trong các phô gamma tan xạ Cường độ của tia gamma tan xạ một lần tỉ lệ vớimật độ electron bên trong vùng thé tích tan xạ, do đó nó là đối tượng được quan tâmtrong các phương pháp ứng dụng gamma tán xạ để xác định mật độ [28, 30], bề dày[10] và phát hiện khuyết tật [29, 31] Trong khi đó, tán xạ nhiều lần thường được

15

xem như thành phần gây nhiễu cần phải loại trừ hoặc hiệu chỉnh để tăng độ chínhxác của phép đo Chỉ một số Ít nghiên cứu ứng dụng dựa trên cường độ tán xạ nhiềulần hoặc cường độ tán xa tổng [9, 38] Do đó, hướng nghiên cứu phát triển kỹ thuật

xử lý phổ tán xạ Compton dé xác định chính xác thành phan tán xạ một lần là có ýnghĩa khoa học và thực tiễn Tuy nhiên, việc xác định chính xác các thành phần tán

xạ một lần và tán xạ nhiều lần là rất phic tạp, do sự chồng chập của chúng trongphổ tán xạ [15, 18] và sự biến thiên khác nhau của các thành phan này theo các điều

kiện đo khác nhau [19 - 23].

Một số nghiên cứu trước đây [10, 20, 39] đã đề xuất các kỹ thuật xử lý phố

khác nhau để xác định các thành phần tán xạ một lần và nhiều lần từ phổ tán xạCompton Nhưng theo quan điểm của nghiên cứu sinh, các kỹ thuật nêu trên chưa

xem xét kỹ đến dạng phân bố năng lượng của các thành phần tán xạ nhiều lần Thực

tế, phổ phân bố năng lượng của thành phan tán xạ hai lần và nhiều hon hai lần códang phức tap [18], mà nó không thể được đặc trưng bởi chỉ một hàm đa thức bậc

bốn và một hàm Gauss như nghiên cứu trước đây [10]

Bên cạnh đó, bề dày bão hòa là một thông số quan trọng đề ước lượng giới hạn

bề dày mẫu có thé phân tích được khi sử dụng phương pháp gamma tán xạ Nhiều

nghiên cứu trước đây [19, 21 - 23, 34, 39] đã công bố các giá trị bề dày bão hòa,nhưng không mô tả phương pháp dé tính toán giá trị này Theo tìm hiểu của nghiên

cứu sinh, chưa có phương pháp nào được đề xuất dé xác định giá trị bão hòa dựa

trên lập luận rõ ràng và mang tính định lượng.

Luận án được thực hiện nhằm giải quyết những hạn chế nêu trên Do đó, cácvan dé được nghiên cứu trong luận án bao gồm:

- Xây dựng công thức tính bề dày bão hòa dựa trên các lập luận về thống kê

Công thức này có thé chi ra giới hạn bề day mà một hệ đo cụ thể có thé đo đượcbằng kỹ thuật gamma tán xạ, hỗ trợ cho quá trình xây dựng một hệ đo thực nghiệm

- Phát triển công thức tính bề dày của bia tán xạ Công thức này được ứng

dụng để xác định độ dày của các đối tượng cần đo đạc tại hiện trường

16

- Nghiên cứu dạng phân bố năng lượng của các thành phần tán xạ bằng

phương pháp mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình GEANT4 Đề xuất cáchàm toán học phù hợp với dạng phân bố của từng thành phần tán xạ: một lần, hai

lần, trên hai lần.

- Đề xuất một quy trình xử lý phổ gamma tán xạ dé thu được thông tin về cácthành phan tán xạ Xác nhận lại quy trình bằng các phố mô phỏng bằng MCNP6.Quy trình này cung cấp đữ liệu để tính toán bề dày bão hòa và bề dày của vật liệu

bằng các công thức nói trên

- Kiểm chứng khả năng áp dụng của quy trình đối với các phô thực nghiệm dotrên các ống thép C45

1.2 Cơ sở lý thuyết

1.2.1 Phép do gamma tan xạ

Tán xạ gamma là hiện tượng các bức xạ gamma sau khi va chạm với electron

của nguyên tử cấu thành vật liệu bị thay đổi hướng so với ban đầu Phép đo gamma

tán xạ là quá trình ghi nhận các bức xạ gamma sau khi bị tán xạ trên vật liệu Một

hệ đo gamma tán xạ về cơ bản gồm ba phần chính: nguồn phát bức xạ gamma, bia

tán xạ, thiết bị ghi nhận chùm tia gamma tán xạ

Đối với các ứng dụng NDT trong lĩnh vực công nghiệp, một số đồng vị phóng

xạ như: “ “Am, '”Cs, Co, '”Ir thường được dùng dé làm nguồn phat bức xạ

gamma Trong đó, nguồn phóng xạ '”“Cs được sử dụng phô biến nhất do thời gian

bán rã dài và phát bức xạ gamma đơn năng 662 keV.

Thiết bị ghi nhận chùm tia gamma tán xạ gồm dau dò, bộ phân tích đơn kênh

(SCA) hoặc đa kênh (MCA) Trong trường hợp bộ phân tích đa kênh được sử dụng,

kết quả ghi nhận được là phổ phân bố năng lượng mà bức xạ gamma bỏ lại bêntrong tinh thé của đầu dò (gọi tắt là phổ gamma) Tinh chat của đầu đò có ảnh

hưởng quyết định đến dạng phổ gamma Đầu dò nhấp nháy Nal(TI) thường được sửdụng trong các phép đo hiện trường dé đáp ứng tính cơ động và hiệu suất ghi nhậnbức xạ cao Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của loại đầu dò này là độ phân giải năng

lượng không cao Độ rộng của đỉnh phổ lớn gây khó khăn cho việc phân biệt giữa

17

các thành phan tán xạ một lần và nhiều lần mà vốn di đã có sự chồng chập về phân

bố năng lượng trong phổ đo tán xạ Mục tiêu nghiên cứu của luận án là đưa ra một

kỹ thuật xử lý phổ dé phân tách các thành phần của phổ gamma tán xạ được ghi

nhận bởi đầu dò nhấp nháy Nal(TI).

Hình 1.1 trình bày mô hình cơ bản của một hệ đo gamma tán xạ Vùng không

gian giao cắt giữa trường chiếu của nguồn phóng xạ và trường thu của đầu đò gọi là

vùng không gian cơ sở (màu cam).

Bia tán xạ

Vùng không gian cơ sở

Vật liệu che chắn

Vật liệu che chắn

-Tinh thé của đầu đò - —

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ đo gamma tán xạBia tán xạ chính là đối tượng cần đo đạc hoặc kiểm tra trong các phép đo Biatán xạ phải được đặt sao cho vị trí cần kiểm tra nằm trong vùng không gian cơ sở.Phan thé tích của bia giao với vùng không gian cơ sở được gọi là thé tích tan xạ

Trên thực tế, các đối tượng đo có rất nhiều hình dạng và cấu tạo khác nhau nhưng

nhìn chung các dạng hình học thường gặp trong các ứng dụng công nghiệp là dạng

tắm phăng, trụ rỗng (đường ống) hoặc trụ đặc, và vật liệu thường là kim loại, chất

lỏng hoặc bê tông Trong luận án, các nghiên cứu tập trung vào vật liệu kim loại với

hai dang hình học là tam phăng va trụ rỗng

18

1.2.2 Phân bố năng lượng của các tia gamma tán xạ

Khi xem xét phổ gamma tan xạ, có hai loại tan xa cần xét đến là tán xạRayleigh và tán xa Compton Tan xa Rayleigh là tán xạ kết hợp chỉ làm đổi hướng

nhưng không thay đôi năng lượng của bức xạ gamma sau khi va chạm Tán xạ

Compton không chỉ làm thay đổi hướng mà cả năng lượng của bức xa gamma sau

va chạm cũng thay đổi tương ứng với góc tán xạ Năng lượng của bức xạ gamma

sau khi tan xa Compton được tinh bởi công thức (1.1) [42].

Trong dé: E (keV) là năng lượng của lượng tu gamma tới,

E’ (keV) là năng lượng của lượng tử gamma tan xa Compton,

Các tia gamma tán xạ một lần trong bia có năng lượng được xác định theocông thức (1.1) Tuy nhiên, một bức xa gamma có thể trải qua nhiều lần tan xạRayleigh và Compton bên trong bia Do đó, phố gamma tán xạ còn có sự đóng gópcủa các thành phan tán xa: hai lần, ba lần, bốn lần, với các dạng phân bố năng

lượng khác nhau.

Theo nghiên cứu của Fernández [15], các tia gamma tán xạ nhiều lần có phân

bố năng lượng liên tục giảm dan từ năng lượng E của tia gamma tới Đối với thành

phần tán xạ hai lần, có bốn trường hợp xảy ra gồm: Rayleigh,

Rayleigh-Compton, Compton-Rayleigh và Compton-Compton Tan xạ Rayleigh-Rayleigh chỉ

đóng góp một mức năng lượng bằng với năng lượng E của tia gamma tới Tán xạ

Compton có dang tương tự nhau, phan bố liên tục từ đến E và đạt cực đại

tại năng lượng E’ trùng với năng lượng của tia gamma tán xa một lần Như vậy,

phân bố năng lượng của thành phần tán xạ hai lần có sự chồng chập với thành phần

tán xạ Compton một lần gây khó khăn cho việc phân biệt giữa các thành phần này.Ngoài ra, các tia gamma tán xạ trên hai lần cũng có phân bố năng lượng liên tục từ

E trở xuống và đóng góp thêm cho sự chồng chập giữa các thành phần tán xạ trongphô gamma tán xạ

1.2.3 Công thức tính bề dày vật liệu

Quá trình tán xạ Compton một lần của gamma lên vật liệu được xem xét qua

ba giai đoạn [30]:

Giai đoạn 1: Gamma từ nguồn đi đến điểm tán xạ P (đường ơ — hình 1.3)

Thông lượng photon của chùm tia gamma tới tại điểm P được tính bởi:

20

1 erl|-| PP lại (1.3)

p

Trong đó I, va I, (photon.em”.s”) lần lượt là thông lượng photon đến đượcđiểm P và thông lượng photon trước khi đến bề mặt vật liệu; p (g.cm”) là mật độ

của vật liệu bia; u(E) (cm’) là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu bia tại năng

lượng E của gamma tới; x (cm) là quãng đường di chuyền bên trong bia của tia

gamma tới.

Giai đoạn 2: Gamma xảy ra tán xa Compton tại điểm P Cường độ photon tan

xạ một lần tại điểm P (hướng đến đầu dò) được tính bởi:

công thức Klein — Nishina (1.2); S(E,0,Z) là ham tán xạ không két hop; p, =pN _

(electron.cm”) là mật độ electron tại điểm P; Na là số A-vô-ga-đrô; Z là sỐ nguyên

tử; A (g) là nguyên tử khối; dV (em) là thé tích vi phân tại điểm P, dV = A,.dt, với

A, là tiết điện chùm photon phat ra từ nguồn

Hình 1.3 Quá trình tán xạ một lần của gamma lên vật liệu [43]

21

Giai đoạn 3: Gamma tán xạ từ điểm P đi qua quãng đường x’ (cm) bên trongbia và đến đầu dò (đường ) Cường độ chum tia gamma tan xạ một lần tại vị trí đầu

dò được tính như sau:

p

Với u(E') (em) là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu bia tại năng lượng

E’ của tia gamma tan xạ.

Nhu vậy, cường độ chùm tia gamma tan xạ một lần tại điểm P và đi đến đầu

do được tính bởi công thức:

: (| EP) s (6.02) 0N, Ze] {ME} pn ana (1.6)

và: Log = H(E).secÐ, + H(E').secÐ, (1.11)

Công thức (1.9) được viết lai như sau:

I=I, II — nã (1.12)

22

Phương trình (1.12) cho thấy mối liên hệ giữa cường độ chùm tia gamma tán

xạ một lần I (đơn vị: photon/s) với bề dày T (đơn vị độ đài) của bia tán xạ, nhưđược biểu diễn trong hình 1.4 Trong các phép đo thực nghiệm hoặc mô phỏng cócấu hình hệ đo và thời gian đo không đổi thì số đếm tán xạ một lần mà đầu dò ghinhận tỉ lệ với cường độ tán xạ một lần, khi đó các đại lượng I va I, trong phươngtrình (1.12) cũng có thể được tính toán với đơn vị là số đếm

Hình 1.4 Dạng biến thiên của cường độ tan xạ một lần theo bề dày biaTheo phương trình (1.12), khi bề day T của bia tán xạ tăng đến một giá trị T,

đủ lớn thì cường độ chùm tia tán xạ tăng rất chậm Khi đó, trong các phép đo thựcnghiệm sự thay đổi của cường độ chùm tia tan xạ lên các bia có bề dày lớn hơn Tụhầu như không thê phân biệt được do sự đóng góp của thăng giáng thống kê Do đó,các phép đo bề dày vật liệu bằng phương pháp gamma tán xạ chỉ có thể xác định

được các bề dày nhỏ hon T, Giá trị T, được gọi là bề dày bão hòa của vật liệu và

phương trình (1.12) được gọi là phương trình đường cong bão hòa.

Từ (1.12) suy ra bề dày của bia tán xạ có thể được tính bằng công thức:

=_ (1.13)

Hore I,

23

Trong thực tế, khi sử dụng công thức (1.13) các hệ số Is và Lepr được xác định

bằng cách làm khớp dữ liệu thực nghiệm hoặc mô phỏng, hoặc kết hợp cả thựcnghiệm và mô phỏng theo phương trình (1.12) Sai số của T được tính bởi công

thức:

Mors 1-I/1, ) bere 1L ) Hore

Trong đó uy > Uy Va tị lân lượt là sai sô của Here, Is va I.

Ss

1.2.4 Công thức tính bề day bão hòa

Bè dày bão hòa trong các phép đo gamma tán xạ được định nghĩa là bề dày

nhỏ nhất của bia tán xạ mà kể từ đó sự gia tăng cường độ tán xạ theo bề day bia làkhông thể phân biệt được với sự thăng giáng thống kê của kết quả đo Theo địnhnghĩa đó, nếu gọi T, là bề dày bão hòa thì:

KT.) +a) 2 IÉT,)— tựy (1.15)

Trong đó: I(T,) va I(T.,) lan lượt là cường độ tán xa một lần tại bề day bão hòa

và tại bề dày vô hạn, Uy, Và uy, là các sai số tương ứng

Theo phương trình (1.12) ta có: I(T) =1, (1 —e"T) => I(T,)= limI(T) =I,

T>œ

Sự thăng giáng của cường độ tán xạ một lần tuân theo phân bố Gauss Khi đó,

sai sô của cường độ tan xạ được tính bởi công thức:

Ur) = nV/IŒ) (1.16)

Ở đây, n được chọn là 1,96 đề đạt được độ tin cậy 95%

Bắt phương trình (1.15) được viết lại như sau:

aw (1.19)

1.3 Kết luận chương 1

Chương 1 đã tổng quan về tình hình nghiên cứu gamma tán xạ ở trong nước vatrên thế giới Những kết quả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm cũng như mô phỏngliên quan đến gamma tán xạ đã được chỉ ra, tạo tiền đề nghiên cứu cho luận án

Đồng thời, các cơ sở lý thuyết về tán xạ Compton và phân bố năng lượng của các

thành phần tán xạ cũng được trình bày Các công thức tính bề bày của vật liệu và bềdày bão hòa cùng với các sai số của hệ đo sử dụng kỹ thuật gamma tán xạ cũng

được trình bày trong chương 1.

25

CHƯƠNG 2

BÓ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀCÁC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE CARLO

2.1 Các hệ đo thực nghiệm

2.1.1 Thiết lập hệ đo gamma tán xạ

Luận án đã thiết lập hệ đo gamma tán xạ gồm ba phần chính: khối nguồn, khốiđầu dò và bàn tan xạ có đặc điểm và thiết kế lần lượt được trình bày dưới đây

Khối nguồn gồm ba bộ phận: thanh gắn nguồn, hộp chứa nguồn và nguồn

phóng xạ Trong đó, nguồn phóng xạ được sử dụng trong luận án là 87Cs do hãng

Eckert & Ziegler sản xuất, có hoạt độ 5 mCi vào ngày 18/04/2013 Cau trúc củanguồn phóng xạ gồm vật liệu 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 6,0 mm,

chiều dài 8,0 mm, như mô tả trong hình 2.1 [44] Đặc trưng phát photon của nguồn

'”Gs được trình bày trong bang 2.1 [45]

> = 6mm

ngoai

Hình 2.1 Mô hình nguồn phóng xạ '°’CsBảng 2.1 Đặc trưng phát tia X và tia gamma của nguồn |*’Cs

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

31,817 1,9500

32,194 3,5900

36,379 1,0550 37,312 0,2660 283,500 0,0006 661,657 84,9900

26

Thanh gắn nguồn làm bằng chì và có dạng như được mô tả trong hình 2.2 Ởđầu thanh được khoét một lỗ hình trụ có kích thước đúng bằng kích thước của

20 mm 70 mm

Mặt cắt dọc Mặt cắt ngang

Hình 2.2 Mô tả hình học của thanh gắn nguồn

Hộp chứa nguồn làm bằng chì có dạng hai hình trụ rỗng đồng trục xếp nốitiếp, có cùng đường kính ngoài là 130,0 mm, đường kính trong lần lượt là 10,0 mm

và 20,0 mm như mô tả trong hình 2.3 Hộp chứa nguồn được thiết kế dé có thé lắpđặt thanh gắn nguồn vào một cách chính xác Hộp chứa nguồn có tác dụng ngăn các

tia gamma đi trực tiếp từ nguồn phóng xạ đến đầu dò mà không tán xạ lên bia

Ngoài ra, hộp chứa nguồn cũng đóng vai trò như một ống chuẩn trực chùm tia

gamma phát ra từ nguôn và đi đên bia tán xạ.

152 mm 130 mm

Mat cat doc Mat cat ngang

Hình 2.3 Mô ta hình học của hộp chứa nguồn

27

Khối đầu dò gồm có đầu dò và ống chuẩn trực Dau dò được sử dụng trong

luận án là NalI(TI) loại 802 do Canberra Inc sản xuất [46], có tinh thé hình trụ kíchthước 76,2 mm x 76,2 mm Ngõ ra của đầu đò được kết nối với Osprey [47] (là thiết

bị số tích hợp các chức năng của bộ khuếch đại, nguồn cung cấp cao thế và bộ phân

tích đa kênh) Osprey được kết nối đến máy tính thông qua dây cáp để truyền tín

hiệu và cung cấp nguồn điện hoạt động cho đầu dò Phần mềm Genie 2000 phiênbản 3.3 được sử dung dé điều khiển quá trình ghi nhận phổ

Đầu dò được đặt bên trong một ống chuẩn trực bằng chi Ong chuẩn trực có

vai trò là hạn chế các tia gamma tán xạ nhiều lần đến từ bia, và ngăn chặn bức xạmôi trường cũng như các tia gamma phát ra từ nguồn phóng xạ đi đến đầu dò Ôngchuẩn trực gồm phan thân và nắp Phan thân của ống chuẩn trực có dạng hình hộp

chữ nhật chiều dai 143 mm, chiều cao 112 mm và chiều rộng 112 mm; bên trong

được khoét một lỗ hình trụ có đường kính §4 mm dọc theo chiều dai của hộp, như

mô tả trong hình 2.4 Phần nắp của ống chuẩn trực có chiều dai 20 mm và ở giữa cómột lỗ tròn đường kính 10 mm dé tạo thành lỗ chuẩn trực cho trường thu của đầu

do, như mô tả trong hình 2.5.

Mặt cắt dọc Mặt cắt ngang

Hình 2.4 Mô tả hình học của thân ống chuẩn trực đầu đò

28