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

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và làm khóa luận tốt nghiệp tại bộ môn Vật lý Hạt nhân thuộc khoa Vật lý- Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh, em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình, những lời động viên, những đóng góp ý kiến quý báu cũng như sự tận tụy truyền đạt kinh nghiệm và kiến thức của các thầy cô, bạn bè và gia đình. Khoảng thời gian em học tập tại bộ môn là khoảng thời gian vô cùng quý báu, em đã được học những kiến thức cơ bản về chuyên môn, kỹ năng làm việc, khả năng tư duy cũng như những kinh nghiệm trong cuộc sống. Sau khi hoàn thành khóa luận, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:  Quý thầy cô bộ môn Vật lý Hạt nhân đã tạo môi trường học tập thân thiện, gần gũi, nghiêm khắc để em học tập, tiếp thu kiến thức và tạo mọi điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị cần thiết để em có thể tiến hành thí nghiệm nhanh và chính xác nhất.  Thầy Trần Thiện Thanh, người hướng dẫn khoa học và là người thầy tận tình giảng dạy, đóng góp ý kiến và những định hướng quan trọng để em hoàn thành tốt khóa luận.  Anh Võ Hoàng Nguyên đã chia sẻ những kinh nghiệm, đã đồng hành và hỗ trợ kiến thức cũng như kỹ thuật khi em tiến hành thí nghiệm.  Quý thầy cô phản biện và hội đồng khoa học đã dành thời gian đọc và cho ý kiến đánh giá giúp khóa luận hoàn thiện hơn.  Tập thể lớp 10VLHN đã giúp đỡ và tạo môi trường lành mạnh để tôi học tập.  Gia đình tạo mọi điều kiện vật chất, tinh thần và luôn là điểm tựa để con vượt qua khó khăn và sẻ chia niềm vui. Tp.HCM, ngày 6 tháng 6 năm 2014 NGUYỄN HIỀN ĐĂNG i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 3 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu về phương pháp gamma tán xạ ngược 3 1.1.1. Nghiên cứu của thế giới về phương pháp gamma tán xạ 3 1.1.2. Nghiên cứu trong nước về phương pháp gamma tán xạ 4 1.2. Lý thuyết tán xạ 5 1.2.1. Phép đo gamma tán xạ ngược 5 1.2.2. Tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần 6 1.3. Xác định bề dày và phương trình đường cong bão hòa 8 1.4. Nhận xét chương 1 12 CHƯƠNG 2: HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC 13 2.1. Khối nguồn 14 2.2. Khối đầu dò 18 2.3. Bia tán xạ 21 2.4. Hệ cơ giá đỡ 22 2.5. Nhận xét chương 2 24 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1. Xử lý số liệu đo 25 3.2. Xây dựng đường cong bão hòa 29 3.3. Đánh giá giá trị T o của đường cong bão hòa 33 3.3.1. Sử dụng ống chuẩn trực đầu dò đường kính 9,5 cm 33 3.3.2. Sử dụng chương trình MCNP 36 3.3.3. Xác định bề dày vật liệu khuyết tật 39 ii 3.4. Nhận xét chương 3 40 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC 45 iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt HPGe High Purity Germanium Germanium siêu tinh khiết MCA MultiChannel Analyzer Máy phân tích đa kênh MCNP Monte Carlo N Particles Chương trình mô phỏng MCNP MSF Multiple Scattered Fraction Phần đóng góp của tán xạ nhiều lần NDT Non Destructive Testing Kỹ thuật không phá hủy mẫu USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng iv DANH MỤC BẢNG Chỉ số bảng Nội dung Trang 2.1 Đặc trưng phát photon nguồn 137 Cs 14 2.2 Hàm lượng các nguyên tố trong thép C45 21 3.1 Diện tích đỉnh tán xạ một lần sử dụng ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3 cm 29 3.2 Hệ số phương trình đường cong bão hòa được làm khớp loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3 cm 30 3.3 Diện tích đỉnh tán xạ một lần vùng bão hòa loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3 cm 31 3.4 Hệ số phương trình đường thẳng được làm khớp loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3 cm 32 3.5 Diện tích đỉnh tán xạ một lần sử dụng ống chuẩn trực đầu dò đường kính 9,5 cm 33 3.6 Hệ số phương trình đường cong bão hòa được làm khớp loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 9,5 cm 34 3.7 Diện tích đỉnh tán xạ một lần vùng bão hòa loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 9,5 cm 35 3.8 Hệ số phương trình đường thẳng được làm khớp loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 9,5 cm 36 3.9 Diện tích đỉnh tán xạ một lần sử dụng chương trình MCNP 37 v 3.10 Hệ số phương trình đường cong bão hòa được làm khớp của MCNP 37 3.11 Diện tích đỉnh tán xạ một lần vùng bão hòa của chương trình MCNP 38 3.12 Hệ số phương trình đường thẳng được làm khớp của chương trình MCNP 39 vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Chỉ số hình Nội dung Trang 1.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo gamma tán xạ ngược 6 1.2 Tán xạ Compton 7 1.3 Quá trình tán xạ một lần của gamma lên vật liệu 9 2.1 Bố trí hệ đo gamma tán xạ ngược 13 2.2 Hộp chứ nguồn phóng xạ 137 Cs 15 2.3 Bản vẽ chi tiết hộp chứa nguồn 16 2.4 Bản vẽ chi tiết ống chuẩn trực nguồn 16 2.5 Bản vẽ chi tiết lắp ráp của khối nguồn 17 2.6 Hình ảnh khối nguồn thực tế 17 2.7 Đầu dò NaI(Tl) 18 2.8 Bản vẽ chi tiết khối đầu dò 19 2.9 Ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3 cm 20 2.10 Chương trình Amptek ADMCA 20 2.11 Các bia tán xạ 22 2.12 Mô hình xe nâng và khung dịch chuyển 23 2.13 Bố trí khối nguồn và khối đầu dò 24 3.1 Phổ gamma tán xạ loại bia dày 1,826 cm 25 3.2 Phổ gamma tán xạ loại bia dày 1,826 cm và phông môi trường 26 3.3 Phổ gamma tán xạ loại bia dày 1,826 cm sau khi trừ phông môi trường 27 3.4 Làm khớp diện tích đỉnh tán xạ một lần của bia 1,826 cm 28 vii 3.5 Sự lệch phổ của bia có bề dày 1,826 cm 28 3.6 Đường cong bão hòa loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3 cm 30 3.7 Đồ thị phương trình đường thẳng loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3 cm 32 3.8 Đường cong bão hòa loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 9,5 cm 34 3.9 Đồ thị phương trình đường thẳng loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính 9,5 cm 35 3.10 Đường cong bão hòa bằng chương trình MCNP 36 3.11 Đồ thị phương trình đường thẳng bằng chương trình MCNP 38 3.12 Mẫu khuyết tật của bia thép và inox 39 1 MỞ ĐẦU Ngày nay khoa học kỹ thuật ngày càng hiện đại, nên những hiểu biết của con người về hạt nhân nguyên tử ngày càng nhiều. Chính vì thế, con người ngày càng chủ động nắm bắt và ứng dụng chúng vào thực tiễn trong tất cả mọi lĩnh vực trong cuộc sống: y học, quân sự, công nghiệp, khảo cổ…và đạt được nhiều thành tựu. Bên cạnh đó cũng có những hạn chế: ô nhiễm môi trường, đột biến…nhưng lợi ích có được là vô cùng lớn. Việt Nam đang triển khai ứng dụng những thành tựu khoa học về hạt nhân nguyên tử trong nhiều lĩnh vực như trong y học có: máy PET, PET/CT…phục vụ cho việc chẩn đoán và điều trị; trong công nghiệp: diệt khuẩn dụng cụ y tế, nông sản, kiểm tra chất lượng công trình, đường ống, thăm dò dầu mỏ, đặt biệt là chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận… Trong công nghiệp, việc kiểm tra những sai sót trong đường ống, bê tông, các mối hàn…rất quan trọng. Có nhiều phương pháp để kiểm tra như siêu âm, chụp X quang, đo bức xạ bằng kỹ thuật đo gamma truyền qua, phương pháp gamma tán xạ ngược…Trong đó phương pháp gamma tán xạ ngược có những ưu điểm đặc trưng như sau: - Phương pháp gamma tán xạ ngược làm việc được khi đối tượng cần đo trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, áp suất lớn. - Trong những điều kiện phức tạp như đối tượng làm việc quá lớn khi đó không gian làm việc lại hạn chế, hay ta chỉ tiếp cận được một phía…Phương pháp gamma tán xạ ngược vẫn thực hiện được vì không cần tiếp xúc với đối tượng cần kiểm tra, tất cả các thiết bị từ nguồn đến đầu dò đều nằm cùng một phía. - Có tính cơ động cao, nguồn có hoạt độ thấp và thao tác đơn giản. - Phương pháp gamma tán xạ ngược không làm thay đổi hay phá hủy cấu trúc, đặc tính của mẫu, cho kết quả nhanh và chính xác tiết kiệm được tối đa thời gian thực hiện. 2 Trong khóa luận này tác giả sử dụng phương pháp gamma tán xạ ngược để nghiên cứu trên vật liệu thép C45 dạng tấm phẳng 10 cm x 10 cm với bề dày của từng tấm là khác nhau, sử dụng nguồn phóng xạ 137 Cs có hoạt độ 5mCi, và đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 7,6 cm x 7,6 cm. Nội dung khóa luận được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong nước và thế giới về phương pháp gamma tán xạ ngược. Trình bày những lý thuyết liên quan đến phép đo tán xạ ngược. Chương 2: Trình bày về mô hình của hệ đo, những cấu tạo chi tiết của các bộ phận trong hệ và cách bố trí thí nghiệm để có một phép đo hoàn chỉnh. Chương 3: Xử lý số liệu thực nghiệm và đưa ra kết quả: phổ gamma thu được từ thực nghiệm tính toán tìm ra phương trình đường cong bão hòa. So sánh giá trị T o giữa thực nghiệm và mô phỏng, tính toán giá trị bề dày của vật liệu bị khuyết tật. [...]... lng t gamma tỏn x bng vi nng lng lng t gamma ti, nhng thay i hng so vi lỳc ban u Tỏn x Compton (tỏn x khụng n hi) lm thay i hng v nng lng ca lng t gamma so vi ban u, nng lng ban u ca lng t gamma c truyn cho electron v lng t gamma tỏn x Mi liờn h gia nng lng lng t gamma tỏn x Compton, nng lng lng t gamma ti v gúc tỏn x theo cụng thc sau: E = E E 1+ 2 (1- cos) mc (1.1) trong ú: E: nng lng lng t gamma. .. b dy l 1,826 cm nh Hỡnh 3.1 1400 Đỉnh tán xạ Compton một lần 213 keV Đỉnh tia X đặc tr-ng của chì 1200 Số đếm 1000 800 600 400 200 0 100 200 300 400 Năng l-ợng E (keV) Hỡnh 3.1 Ph gamma tỏn x loi bia dy 1,826 cm Ta s dng phng trỡnh ng chun nng lng: E = -13,536 + 0,204.K trong ú: E (keV) l nng lng gamma K l v trớ kờnh 25 (3.1) T phng trỡnh (1.1), ta tớnh nng lng gamma sau khi tỏn x Compton mt ln l 225... sai s s m vựng th tớch tỏn x nh ln (hn 10%) 1.2 Lý thuyt tỏn x 1.2.1 Phộp o gamma tỏn x ngc Gamma tỏn x ngc l hin tng cỏc tia gamma va chm vi cỏc electron bờn trong vt liu b tỏn x ngc tr li so vi phng ban u Mt phộp o gamma tỏn x ngc c mụ t vi ba thnh phn chớnh: ngun bc x phỏt gamma, bia tỏn x v u dũ ghi nhn bc x Ngun phỏt bc x gamma thng c s dng trong phộp o l cỏc ngun ng v phúng x nh: 241 Am, 137 Cs,... hỡnh hc ca phộp o Ta s xột quỏ trỡnh tỏn x ca gamma lờn vt liu, quỏ trỡnh ny c chia lm ba giai on [10]: 8 Giai on 1: Gamma t ngun i n im tỏn x P (ng ) Hỡnh 1.3 Quỏ trỡnh tỏn x mt ln ca gamma lờn vt liu S suy gim cng c tớnh bi cụng thc: E0 I1 = I0exp - x (1.3) trong ú: I1, I0 ln lt l thụng lng ti v thụng lng truyn qua l mt vt liu E0 l nng lng gamma ti x l khong cỏch Giai on 2: Thụng lng... xỏc 12 CHNG 2 H O GAMMA TN X NGC H o gamma tỏn x ngc tỏc gi tin hnh thc nghim ti b mụn Vt lý Ht nhõn khoa Vt lý Vt lý K thut, Trng i hc Khoa hc T nhiờn Cỏch b trớ thớ nghim ca h o gamma tỏn x ngc [6] gm: v trớ ngun, v trớ u dũ, v trớ bia tỏn x c sp xp sao cho gúc tỏn x l 1200, cỏc ng chun trc ngun, u dũ v che chn sao cho phộp o chớnh xỏc nht c thit k nh Hỡnh 2.1 Hỡnh 2.1 B trớ h o gamma tỏn x ngc 13... HPGe Hỡnh 1.1 S b trớ thớ nghim o gamma tỏn x ngc 1.2.2 Tỏn x mt ln v tỏn x nhiu ln Trong ph gamma tỏn x thu c l s úng gúp ca hai thnh phn: mt thnh phn úng gúp bi tỏn x mt ln v mt phn úng gúp bi tỏn x nhiu ln Tỏn x mt ln l quỏ trỡnh m lng t gamma ch xy ra duy nht mt ln tỏn x Compton hoc Rayleigh vi bia trc khi c ghi nhn bi u dũ Tỏn x nhiu ln l quỏ trỡnh m lng t gamma phi tri qua nhiu ln tng tỏc Compton... tr phụng 1400 1200 Số đếm 1000 Bia 1,826 cm Phông môi tr-ờng 800 600 400 200 0 100 200 300 400 Năng l-ợng E (keV) Hỡnh 3.2 Ph gamma tỏn x loi bia dy 1,826 cm v phụng mụi trng Sau õy l ph tỏn x ó c tr phụng: 26 900 750 Số đếm 600 Bia 1,826 cm 450 300 150 0 0 100 200 300 400 Năng l-ợng E (keV) Hỡnh 3.3 Ph tỏn gamma x loi bia dy 1,826 cm sau khi tr phụng mụi trng Din tớch nh v cng tỏn x l tng ng nhau,... To m phng phỏp gamma tỏn x ngc mang li Sai s ca b dy T khi tớnh t phng trỡnh (1.17): 2 2 I ln 1 - 1 -I Is + + T = 2 I I 2 I Is .Is 1 - .Is 1 - Is Is 2 (1.18) 1.4 Nhn xột chng 1 Trong chng ny ó gii thiu tỡnh hỡnh nghiờn cu phng phỏp gamma tỏn x trong v ngoi nc, t ú ó nhn thc c tm quan trng ca phng phỏp Ngoi ra cũn cú lý thuyt gamma tỏn x ngc... QUAN Lí THUYT 1.1 Tng quan tỡnh hỡnh nghiờn cu v phng phỏp gamma tỏn x ngc Phng phỏp gamma tỏn x ngc l phng phỏp kim tra khuyt tt ca sn phm m khụng cn phỏ hy mu (NDT) Phng phỏp ny cú nhng u im vt tri, vỡ vy trờn th gii v trong nc cú nhiu cụng trỡnh nghiờn cu v ng dng Phn ln s dng chng trỡnh mụ phng Monte Carlo v phõn thnh hai hng: - ng dng gamma tỏn x ngc trong vic kim tra khụng phỏ hy mu: phỏt hin... theo cụng thc sau: E = E E 1+ 2 (1- cos) mc (1.1) trong ú: E: nng lng lng t gamma ti bia E' : nng lng lng t gamma sau khi tỏn x Compton m: khi lng electron : l gúc tỏn x c: vn tc ỏnh sỏng Hỡnh 1.2 Tỏn x Compton Cỏc lng t gamma tỏn x nhiu ln cú nng lng nm trong min liờn tc t nng lng ca lng t gamma ti E tr xung Theo nghiờn cu ca 7 Fernỏndez[8], s úng gúp ca tỏn x hai ln gm: Compton Compton, Compton . đổi bức xạ ghi nhận là do sự thay đổi bề dày vật liệu bằng cách: Đặt: I(P) là chùm tia tán xạ trên vật liệu có bề dày T (chưa bị ăn mòn) 1 I (P) là chùm tia tán xạ trên vật liệu có bề dày 1 T . nguồn phóng xạ, bề dày của liệu vật tán xạ, mật độ khối của vật chất, bậc số nguyên tử Z của vật chất và bố trí hình học của phép đo. Ta sẽ xét quá trình tán xạ của gamma lên vật liệu, quá trình. nghiên cứu về phương pháp gamma tán xạ ngược 3 1.1.1. Nghiên cứu của thế giới về phương pháp gamma tán xạ 3 1.1.2. Nghiên cứu trong nước về phương pháp gamma tán xạ 4 1.2. Lý thuyết tán xạ 5 1.2.1.