nghiên cứu các đặc trưng truyền qua của gamma đa năng lượng trong ứng dụng khảo sát đường ống công nghiệp

i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập tại bộ môn Vật lý Hạt nhân-Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp.HCM và thời gian thực tập hoàn thành khoá luận tại Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân Trong Công nghiệp CANTI ( Centre for Applications of Nuclear Technique in Industry) là một khoảng thời gian quý giá. Trong thời gian này tôi nhận được những bài học lý thuyết và trải nghiệm, kỹ năng thực tế quý giá. Đồng thời tôi nhận được sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình, những lời động viên, góp ý của các thầy cô trong bộ môn, các anh chị và gia đình mình. Giờ đây, khi đã hoàn thành khoá luận tốt nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên 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 tôi có thể học tập, thực hiện khoá luận này tốt hơn. Cô Trương Thị Hồng Loan, cô giáo đã tận tình chỉ bảo nhiều kiến thức có tính định hướng về mô phỏng MCNP, giúp tôi làm quen, tiếp cận một công cụ hữu ích trong thực hiện khoá luận. Ban Giám Đốc Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân trong Công nghiệp đã chấp thuận, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực tập, làm khoá luận tốt nghiệp tại Trung Tâm. Anh Trần Thanh Minh và anh Mai Công Thành, hai anh luôn chỉ bảo tận tâm, định hướng và theo sát tôi trong khoá luận này, hai anh đã hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến giúp cho khoá luận hoàn thiện hơn. Các anh trong phòng Kỹ Thuật Hạt Nhân đã chia sẻ, chỉ bảo nhiều kiến thức, nhiệt tình giúp tôi trong suốt thời gian thực tập này. Lời cuối tôi xin gửi tới cha mẹ và các thành viên trong gia đình luôn tạo điều kiện tốt nhất, yêu thương, bên tôi trong khoảng thời gian này. Tp.HCM, 09/07/2014 ii MỤC LỤC Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh mục chữ viết tắt iv Danh mục hình vẽ-đồ thị v Danh mục các bảng vii Mở đầu 1 Chƣơng 1. Cơ sở lý thuyết 3 1.1. Sự tương tác và suy giảm của gamma khi đi qua môi trường vật chất 3 1.1.1. Sự tương tác của gamma với môi trường vật chất 3 1.1.2. Sự suy giảm của chùm tia gamma khi truyền qua bề dày vật chất 5 1.1.2.1. Gamma đơn năng 5 1.1.2.2. Gamma đa năng lượng 5 1.2. Một số nguồn gamma đồng vị thường dùng trong công nghiệp 7 1.3. Một số loại đầu dò dùng trong công nghiệp 9 1.4. Nhận xét chương 1 11 Chƣơng 2. Khảo sát đặc trƣng truyền qua của nguồn Se-75 12 2.1. Giới thiệu phương pháp mô phỏng-chương trình MCNP 12 2.1.1. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo 12 2.1.2. Chương trình MCNP 13 2.2. Mô phỏng khảo sát đặc trưng truyền qua của nguồn Se-75 18 2.2.1. Cấu hình mô phỏng 19 2.2.2. Kết quả mô phỏng 20 2.2.3. Đánh giá giới hạn phát hiện ăn mòn 1mm thép 25 iii 2.3. Mô phỏng khảo sát độ nhạy với một số đóng cặn vật liệu nhẹ 26 2.3.1. Cấu hình mô phỏng 26 2.3.2. Kết quả mô phỏng 27 2.4. Nhận xét chương 2 28 Chƣơng 3. Thực nghiệm 30 3.1. Mục tiêu 30 3.2. Thiết bị 30 3.3. Các bước tiến hành 31 3.3.1. Khảo sát phổ vi phân Se-75 và khả năng ghi nhận của thiết bị 31 3.3.2. Khảo sát đặc trưng truyền qua, suy giảm của nguồn Se-75 33 3.3.3. Khảo sát đóng cặn vật liệu nhẹ trong trường hợp thép dày 1,5cm. 37 3.3.4. Khảo sát nguồn Se-75 trên ống công nghiệp 40 3.4. Nhận xét chương 3 46 Kết luận-Hƣớng phát triển 47 Tài liệu tham khảo 49 Phụ lục 51 iv KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt MCNP Monte Carlo N Particles Chương trình mô phỏng MCNP FWHM Full Width at Half Maximum Chiều rộng một nửa đỉnh phổ v DANH MỤC HÌNH VẼ- ĐỒ THỊ Hình 1.1. Tán xạ Compton 3 Hình 1.2. Hiệu ứng quang điện 4 Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp 4 Hình 1.4. Khả năng truyền qua của gamma ở các mức năng lượng khác nhau. 6 Hình 2.1. Hệ toạ độ Descartes 15 Hình 2.2. Mô hình gamma truyền qua 2D mô phỏng trên MCNP 20 Hình 2.3. Phổ nguồn Se-75 từ mô phỏng MCNP không có vật liệu che chắnvẽ trên Genie 2k 20 Hình 2.4. Phổ nguồn Cs-137 từ mô phỏng MCNP không có vật liệu che chắn vẽ trên Genie 2k 21 Hình 2.5. Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày nhựa thay đổi trong mô phỏng MCNP 22 Hình 2.6. Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày thép thay đổi trong mô phỏng MCNP 22 Hình 2.7. Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của từng đỉnh năng lượng theo bề dày nhựa thay đổi trong mô phỏng MCNP 24 Hình 2.8. Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của từng đỉnh năng lượng theo bề dày thép thay đổi trong mô phỏng MCNP 24 Hình 2.9. Tỉ lệ độ thay đổi số đếm với sai số của phép đo 26 Hình 2.10. Mô hình mô phỏng đóng cặn nhựa trên MCNP 27 Hình 2.11. Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa bakelit) sau tấm thép dày 1,5cm 28 Hình 3.1. Hệ máy đo đơn kênh Ludlum 2200-detector NaI(Tl) 1inch 30 Hình 3.2 . Máy đo liều Ludlum 2401-EC2A 31 Hình 3.3. Mô hình thí nghiệm đo khảo sát phổ vi phân nguồn Se-75, Cs-137 32 vi Hình 3.4. Phổ vi phân nguồn Se-75 đo tại khoảng cách 5m 32 Hình 3.5. Phổ vi phân nguồn Cs-137 đo tại khoảng cách 2,5m 33 Hình 3.6. Mô hình thí nghiệm kiểm tra đặc trưng 34 Hình 3.7. Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày nhựa thay đổi trong thực nghiệm 35 Hình 3.8. Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày thép thay đổi trong thực nghiệm 35 Hình 3.9. Độ thay đổi số đếm theo đơn vị bề dày của nguồn Se-75 và Cs-137 khi chiều dày nhựa thay đổi trong thực nghiệm 36 Hình 3.10. Độ thay đổi số đếm theo đơn vị bề dày của nguồn Se-75 và Cs-137 khi chiều dày thép thay đổi trong thực nghiệm 36 Hình 3.11. Tỉ lệ độ thay đổi số đếm với sai số của phép đo 37 Hình 3.12 . Mô hình kiểm tra khả năng phát hiện đóng cặn nhựa 38 Hình 3.13. Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa mica) sau tấm thép dày 1,5cm 39 Hình 3.14. Dụng cụ scan đường ống công nghiệp 40 Hình 3.15. mô hình vị trí đóng cặn trong đường ống 41 Hình 3.16. Vị trí ăn mòn số 1 42 Hình 3.17. Vị trí ăn mòn số 2 42 Hình 3.18. Vị trí ăn mòn số 3 43 Hình 3.19. Số đếm từng vị trí trong phép đo đóng cặn nhựa, parafin trên ống thép 44 Hình 3.20. Hệ số khác biệt F từng vị trí trong phép đo đóng cặn trong đường ống 44 Hình 3.21. Số đếm tại từng vị trí trong phép đo ăn mòn trên đường ống 45 Hình 3.22. Hệ số khác biệt F tại từng vị trí trong phép đo ăn mòn đường ống 45 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Một số nguồn gamma đồng vị thường dùng trong công nghiệp 8 Bảng 1.2. Thông tin về năng lượng và xác suất phát của nguồn Se-75 8 Bảng 1.3. Chiều dày hấp thụ một nửa của một số vật liệu đối với nguồn Se-75 8 Bảng 1.4. Liều chiếu của nguồn Se-75 ở khoảng cách 1 m 9 Bảng 1.5. Một số tính chất cơ bản của tinh thể nhấp nháy vô cơ 11 Bảng 2.1. Các thẻ tally 16 Bảng 2.2. Thành phần của các vật liệu che chắn dùng trong mô phỏng 51 Bảng 2.3. Diện tích đỉnh phổ nguồn Se-75 và Cs-137 trong mô phỏng khi truyền qua lớp thép có bề dày khác nhau 51 Bảng 2.4. Diện tích đỉnh phổ nguồn Se-75 và Cs-137 trong mô phỏng khi truyền qua lớp nhựa có chiều dày khác nhau. 53 Bảng 2.5. Giới hạn độ dày thép che chắn ứng với độ nhạy phát hiện 1mm thép trong mô phỏng 54 Bảng 2.6. Kết quả mô phỏng giới hạn phát hiện đóng cặn nhựa sau lớp thép 1,5 cm. 27 Bảng 3.1. Số đếm của các đỉnh nguồn Se-75 và Cs-137 trong thực nghiệm khi truyền qua thép 55 Bảng 3.2. Số đếm của các đỉnh nguồn Se-75 và Cs-137 trong thực nghiệm khi truyền qua nhựa 57 Bảng 3.3. Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa mica) sau tấm thép dày 1,5cm. 39 1 MỞ ĐẦU Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của công nghiệp thì việc kiểm tra đánh giá mực độ ăn mòn, đóng cặn bên trong hệ thống đường ống trong các nhà máy có nhu cầu ngày càng nhiều, được đặt lên hàng đầu mang tính cấp thiết nhằm đảm bảo ổn định sản xuất, an toàn cho người, môi trường và thiết bị. Hiện nay trên thế giới đã phát triển các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy như siêu âm, siêu âm trên dải rộng, chụp ảnh phóng xạ, kiểm tra dòng điện xoáy… có thể ứng dụng để kiểm tra, đánh giá tìm kiếm khuyết tật bên trong đối tượng đường ống, bình chứa…nhằm cung cấp thông tin cho kỹ sư của nhà máy có phương án khắc phục các hư hỏng. Trong đó mỗi kỹ thuật có những ưu điểm khác nhau: siêu âm trên dải rộng LRUT (Long Range Ultrasonic Testing ) và kiểm tra dòng điện xoáy ECT (Eddy Current Testing) có ưu điểm kiểm tra trên diện rộng ; chụp ảnh phóng xạ , siêu âm, gamma truyền qua có ưu điểm trong phép kiểm tra cục bộ, trong một dải hẹp cho độ phân giải cao. Kỹ thuật đo gamma truyền qua dò tìm đóng cặn, ăn mòn bên trong đường ống đã được phát triển từ những năm 1970 và tại Việt Nam cũng đã ứng dụng trong các nhà máy lọc dầu, chế biến khí nhằm đánh giá mực độ đóng cặn, tình trạng lớp cách nhiệt bên trong các thiết bị. Tuy nhiên, cấu hình thiết bị còn khá đơn giản, chỉ gồm một nguồn và một đầu dò, độ phân giải mật độ không cao do năng lượng gamma lớn, số liệu ghi nhận và xử lý bằng tay nên chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế. Trên thế giới đã có những công ty thương mại đã phát triển thiết bị đo kiểm tra khuyết tật bên trong đường ống bằng phương pháp gamma truyền qua, có khả năng hiển thị kết quả ngay tại hiện trường, với tốc độ kiểm tra khá nhanh và chính xác nhờ vào việc ứng dụng kỹ thuật điện tử nhanh và nguồn phóng xạ gamma năng lượng thấp. Tuy vậy, giá thành thiết bị còn cao, thời gian bán rã của nguồn bức xạ ngắn làm cho việc ứng dụng vào điều kiện Việt Nam chưa thật sự thích hợp. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo ra một hệ đo gamma truyền qua phục vụ kiểm tra tình trạng đường ống đáp ứng nhu cầu thực tế ở Việt Nam là một yêu cầu cấp thiết. 2 Để nghiên cứu chế tạo một thiết bị như trên, việc khảo sát đánh giá các đặc trưng truyền qua của nguồn gamma đa năng lượng, năng lượng thấp nhằm đánh giá khả năng phân giải mật độ từ đó đánh giá khả năng áp dụng để khảo sát tình trạng bất thường bên trong đường ống là bước đầu cần thực hiện, đó cũng là mục tiêu của khoá luận này. Với mục tiêu trên, khoá luận được thiết kế nghiên cứu các nội dung sau: Chƣơng 1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất, đánh giá các đặc trưng truyền qua của nguồn đơn năng lượng và nguồn đa năng lượng. Giới thiệu đầu dò và một số nguồn đồng vị thường dùng trong công công nghiệp và nguồn gamma đa năng lượng, đầu dò phù hợp ghi nhận bức xạ nguồn gamma đa năng lượng được khảo sát trong khoá luận. Chƣơng 2. Giới thiệu về chương trình mô phỏng MCNP, ứng dụng mô phỏng cho bài toán khảo sát đặc trưng truyền qua của nguồn Se-75, xác định một số độ nhạy phát hiện ăn mòn, đóng cặn của nguồn Se-75 trong một số cấu hình giả định. Chƣơng 3. Thực nghiệm khảo sát tính chất truyền qua của nguồn gamma đa năng lượng Se-75 và Cs-137 trên một số vật liệu, so sánh với kết quả mô phỏng. 3 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 . Sự tƣơng tác và suy giảm của gamma khi đi qua môi trƣờng vật chất 1.1.1. Sự tương tác của gamma với môi trường vật chất Bức xạ gamma có tính xuyên sâu cao đối với vật chất, có khả năng tương tác với hạt nhân, electron và nguyên tử thông qua 3 quá trình cơ bản sau: tán xạ Compton (Compton Scattering), hiệu ứng quang điện (Photoelectric Effect) và hiệu ứng tạo cặp (Pair Production), cụ thể như sau: - Tán xạ Compton hay còn gọi là tán xạ rời rạc (Incoherent Scattering) là quá trình tương tác của gamma với electron tự do trong đó gamma truyền một phần năng lượng cho electron tự do và lệch đi so với quỹ đạo ban đầu. Hình 1.1. Tán xạ Compton Với một va chạm của gamma với electron tự do có góc tán xạ , năng lượng gamma tới E = hv 0 và năng lượng gamma tán xạ E’ = hv, tiết diện tán xạ Compton  c được tính theo phương pháp gần đúng Klein-Nishina: d c d () = r e 2 . 1 + cos 2  2 1 [ ] 1 + (1 - cos) 2 .           1 +  2 (1-cos) 2 (1 + cos 2 ) [ ] 1 + (1 - cos) (1.1) Với  = E/m e c 2 . Lấy tích phân ta được tiết diện tán xạ toàn phần: 2 ce 22 1+α 2(1+α) ln(1+2α) ln(1+2α) 1+3α σ =2πr .{ .[ - ]+ - } α 1+2α α 2α (1+2α) (1.2) - Hiệu ứng quang điện là quá trình năng lượng của gamma tới bị electron hấp thụ hoàn toàn và electron bức ra khỏi nguyên tử trở thành electron quang điện. [...]... Gamma đa năng lượng Đối với nguồn gamma đa năng lượng, sự tương tác, hấp thụ và suy giảm được thể hiện trên nhiều đỉnh năng lượng và nhiều vật liệu truyền qua khác nhau: - Ở mức năng lượng thấp, khả năng truyền qua của gamma kém nhưng lại suy giảm nhanh qua các vật liệu che chắn, kể cả các vật liệu che chắn có số nguyên tử Z nhỏ Vì vậy gamma năng lượng thấp thể hiện độ nhạy cao hơn năng lượng cao trong. .. dx của nguồn đa năng lượng có các ưu điểm sau: -Lớn hơn độ thay đổi của từng đỉnh đơn năng; -Đối với vật liệu nhẹ, nhờ sự suy giảm nhanh của các đỉnh năng lượng thấp nên khả năng phát hiện tốt; -Đối với vật liệu nặng, nhờ sự xuyên sâu tốt của các đỉnh năng lượng cao nên khả năng đo được cũng được gia tăng Nhờ các ưu điểm trên, nguồn đa năng lượng được ứng dụng tốt trong phép đo gamma truyền cho các đường. .. mức năng lượng vừa nhạy với các loại vật liệu nhẹ, vừa có khả năng truyền qua khá tốt với vật liệu nặng, qua đó thấy được khả năng ứng dụng rất lớn của nguồn đa năng lượng trong phương pháp soi gamma truyền qua;  So với nguồn đơn năng lượng Cs-137 thì nguồn đa năng Se-75 cho độ nhạy trong phép đo gamma truyền qua phát hiện ăn mòn đóng cặn khi chiều dày thép nhỏ hơn 5.2cm Phù hợp trong phép kiểm tra đường. .. ứng Theo sau các kết quả là bảng phân tích tỉ mỉ, có các đánh giá sai số thống kê, kiểm định thống kê nhằm xác định độ tin cậy của kết quả 2.2 Mô phỏng khảo sát đặc trƣng truyền qua của nguồn Se-75 Để kiểm tra đặc trưng của nguồn đa năng lượng Se-75, phép đo gamma truyền qua trong mô phỏng được khảo sát trên các vật liệu nặng và nhẹ (thép-nhựa) có chiều dày thay đổi để có thể đánh giá sự suy giảm của. .. kiểm tra với các vật liệu nhẹ - Ở mức năng lượng cao, khả năng xuyên sâu của gamma tốt đối với hầu hết các vật liệu, sự suy giảm chỉ thể hiện rõ khi truyền qua các vật liệu nặng, chiều dày lớn 5 Trong phép đo gamma truyền qua, nguồn đa năng lượng thể hiện ưu điểm trên cả dải năng lượng từ thấp tới cao, độ nhạy tốt hơn với các vật liệu nhẹ do sự suy giảm của các đỉnh năng lượng thấp và khả năng xuyên... Nhận xét chƣơng 1 Trong chương 1 đã trình bày sự tương tác và suy giảm của bức xạ gamma với vật chất, dự đoán được một số ưu điểm, khả năng ứng dụng tốt hơn của nguồn gamma đa năng lượng so với những nguồn đơn năng lượng Với những ưu điểm hơn của nguồn đa năng lượng Se-75 so với các nguồn đa năng lượng khác được tìm hiểu trong chương 1 và sự phù hợp của tinh thể NaI(Tl) cho mục đích khảo sát nguồn Se-75... khả năng xuyên sâu hơn nhờ vào các đỉnh năng lượng cao Chính vì vậy nguồn đa năng lượng có thể cho khả năng phân giải mật độ tốt, trên dải mật độ rộng hơn so với một đỉnh năng lượng nhất định Hình 1.4 Khả năng truyền qua của gamma ở các mức năng lượng khác nhau Xét trường hợp chùm tia gamma gồm nhiều đỉnh năng lượng khác nhau, cường độ của mỗi đỉnh năng lượng sau khi đi qua vật liệu có bề dày x suy giảm... NaI(Tl) và các loại tinh thể CsI, do đó khả năng ghi nhận các gamma năng lượng thấp không được tốt  Thời gian nháy sáng trung bình (300 ns)  Mật độ tinh thể lớn (7,13 g/cm3) nên khả năng bắt và ghi nhận các gamma năng lượng cao là rất tốt Tinh thể BGO thường được ứng dụng trong các loại đầu dò ghi đo gamma năng lượng cao Ngoài ra còn có các dạng tinh thể mới được ứng dụng để ghi đo cho các mục đích đặc. .. toàn phần của các hạt bức xạ mất đi trong đầu dò vật lý Vì vậy để khảo sát đặc trưng truyền qua của một nguồn đa năng lượng trên từng đỉnh năng lượng hay toàn phổ có thể sử dụng tally F8 trong mô phỏng MCNP Cách khai báo chi tiết về tally F8 trong MCNP: - Khai báo loại loại tally được sử dụng theo cú pháp Fn:pl S1 … Sk Trong đó: n chỉ số tally; Pl là loại hạt cần ghi nhận : n ứng với neutron, p ứng với... cấp các 16 phân bố năng lượng của bức xạ (photon, electron) bị mất mát trong một ô được chỉ rõ Mỗi hạt bức xạ khi tương tác bên trong thể tích của ô sẽ được ghi nhận ứng với năng lượng mà nó để lại Tally F8 có thể được sử dụng để mô phỏng phổ năng lượng mà các hạt bức xạ bỏ lại do tương tác với đầu dò vật lý trong thực nghiệm Các đỉnh năng lượng trong đánh giá F8 tương ứng với sự ghi nhận năng lượng . tốt của các đỉnh năng lượng cao nên khả năng đo được cũng được gia tăng. Nhờ các ưu điểm trên, nguồn đa năng lượng được ứng dụng tốt trong phép đo gamma truyền cho các đường ống trong công nghiệp. đánh giá các đặc trưng truyền qua của nguồn đơn năng lượng và nguồn đa năng lượng. Giới thiệu đầu dò và một số nguồn đồng vị thường dùng trong công công nghiệp và nguồn gamma đa năng lượng, . trên, việc khảo sát đánh giá các đặc trưng truyền qua của nguồn gamma đa năng lượng, năng lượng thấp nhằm đánh giá khả năng phân giải mật độ từ đó đánh giá khả năng áp dụng để khảo sát tình trạng