xác định mực chất lỏng trong bình kín bằng phương pháp đo gamma truyền qua

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin được nói lên lòng biết ơn đối với gia đình, đặc biệt là cha mẹ vì công ơn sinh thành, nuôi dưỡng tôi nên người như ngày hôm nay. Xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy Lê Hoàng Chiến, người đã không những truyền cho tôi những ý tưởng và cung cấp những định hướng để hoàn thành khóa luận mà còn dạy bảo tôi về đạo đức trong cuộc sống. Trong quá trình thực hiện khóa luận, Thầy là người tận tình chỉ dẫn giúp tôi gỡ bỏ những khó khăn. Những kinh nghiệm và kiến thức quý báu của Thầy là điều kiện tiên quyết giúp tôi hoàn thành khóa luận này. Xin cảm ơn Thầy Phan Lê Hoàng Sang và Cô Lưu Đặng Hoàng Oanh, những người đã hi sinh thời gian quý báu của mình để giúp đỡ tôi trong thời gian làm thí nghiệm phục vụ cho khóa luận này. Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy Cô trong bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, khóa luận tôi thực hiện ngày hôm nay được hoàn thành cũng là nhờ vào những kiến thức mà trong những năm tháng qua các Thầy các Cô đã tận tâm truyền đạt cho tôi và các bạn. Ngoài ra, tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến Thầy Châu Văn Tạo, người Thầy tôi luôn hết lòng kính trọng và yêu mến. Người Thầy đã dạy cho tôi biết áp dụng những nguyên tắc vật lý tưởng chừng như khô khan ấy vào những chuẩn mực và quy tắc đạo đức của cuộc sống. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy. Xin được gửi lời cảm ơn đến Bạn bè, những người bạn đã cùng gắn bó với tôi trong suốt bốn năm học nơi giảng đường, cùng tôi vượt qua những khó khăn trong cuộc sống. Những kỉ niệm thân thương ấy tôi sẽ mãi khắc ghi trong lòng. Cuối cùng, xin cảm ơn vì những điều tuyệt vời, những ngày tháng tuyệt vời. Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2014 Đinh Thiên Phúc i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU iii LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG I TƢƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 2 1.1. Tương tác gamma với vật chất 2 1.1.1. Hiệu ứng quang điện 2 1.1.2. Hiệu ứng Compton 3 1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp 5 1.2. Hệ số hấp thụ 6 CHƢƠNG II CÁC MÔ HÌNH ĐO MỰC CHẤT LỎNG BẰNG TIA GAMMA VÀ TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM 9 2.1. Một số mô hình đo mực chất lỏng bằng tia gamma 9 2.1.1. Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất 9 2.1.2. Mô hình đo mực chất lỏng thứ hai 10 2.1.3 Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba 11 2.2. Thực nghiệm 12 2.2.1. Lựa chọn mô hình 12 2.2.2. Tiến hành thí nghiệm 14 CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 16 3.1. Xác định ngưỡng và đo phông 18 3.1.1. Xác định ngưỡng 18 3.1.2. Đo phông 20 3.2. Lần đo thứ nhất 21 3.3. Lần đo thứ hai 25 KẾT LUẬN 31 ii TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 PHỤ LỤC 34 iii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện (Nguyên tử Hidro) 2 Hình 1.2: (a) Hiệu ứng Compton 4 (b) Sơ đồ tán xạ Compton của gamma lên electron tự do 4 Hình 1.3: Hiệu ứng tạo cặp electron-positron 6 Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối của Pb [3] 7 Hình 2.1: Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất 10 Hình 2.2: Mô hình đo mực chất lỏng thứ hai 11 Hình 2.3: Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba 12 Hình 3.1: Mô hình đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm 16 Hình 3.2: Hệ đo mực chất lỏng thực tế 17 Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm 18 Hình 3.4: Đồ thị khảo sát nguồn Cs-137 20 Hình 3.5: Đồ thị thu được sau lần đo thứ nhất 23 Hình 3.6: Đồ thị thu được sau lần đo thứ hai 27 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Số liệu trong lần đo xác định ngưỡng 19 Bảng 3.2: Số liệu đo phông 20 Bảng 3.3: Số liệu trong lần đo thứ nhất 21 Bảng 3.4: Số liệu trong lần đo thứ hai 26 1 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, vật lý hạt nhân được áp dụng rộng rãi trong nhiều lãnh vực khác nhau như trong y học, địa chất, khảo cổ, nông nghiệp,… Đặc biệt là trong công nghiệp, vật lý hạt nhân thường được biết đến như một phương pháp phân tích gamma truyền qua. Đây là một phương pháp phân tích khá đơn giản bởi chúng ta có thể xác định một số tính chất của đối tượng khảo sát với độ chính xác đáng tin cậy mà không cần nhiều thiết bị cồng kềnh, phức tạp hay đòi hỏi phải tiếp cận trực tiếp với đối tượng. Thật vậy, phương pháp phân tích gamma truyền qua đã giải quyết hiệu quả nhiều bài toán đặt ra trong lĩnh vực công nghiệp; cụ thể là xác định mực chất lỏng trong các bình chứa với độ chính xác cao. Các bình chứa có thể là các bình kín hay không kín, nhưng trong những điều kiện khắc nghiệt nào đó làm cho việc tiếp cận và đo đạc mực chất lỏng khó thực hiện thậm chí là không thực hiện được. Ví dụ như các lò nung gan thép, nung thủy tinh hay các bình đựng hóa chất độc hại. Và tất nhiên nếu các bình chứa này là các bình chứa kín, không thể mở ra xem xét hay đo đạc thì kỹ thuật hạt nhân được xem như là một lựa chọn hàng đầu. Do đó, trong khuôn khổ của khóa luận này, tôi đã tìm hiểu và ứng dụng vật lý hạt nhân như một phần nhỏ của phương pháp phân tích gamma truyền qua để khảo sát mực chất lỏng trong bình kín. Khóa luận được chia thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan về tương tác của bức xạ gamma với vật chất. Chương 2: Giới thiệu ba mô hình đo mực chất lỏng phổ biến và lựa chọn mô hình để tiến hành thí nghiệm. Chương 3: Báo cáo kết quả thí nghiệm và đưa ra kết luận về tính hiệu quả của phương pháp phân tích gamma truyền qua trong khảo sát đo mực chất lỏng. 2 CHƢƠNG I TƢƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1.1. Tƣơng tác gamma với vật chất Quá trình tương tác của bức xạ gamma với vật chất xảy ra chủ yếu thông qua 3 hiệu ứng: Hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp. 1.1.1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của gamma với electron liên kết của hạt nhân. Trong quá trình này, toàn bộ năng lượng của gamma được truyền cho electron. Electron này được gọi là quang electron (photoelectron). Quang electron nhận được năng lượng T e bằng hiệu số gamma tới E γ và năng lượng liên kết I i của lớp vỏ electron trước khi bị bức ra [7]. T e = E – I i (1.1) Trong đó: T e là động năng của quang electron. E là năng lượng của gamma. I i là năng lượng liên kết của electron ở lớp thứ i trong hạt nhân. Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện (Nguyên tử Hidro) 𝜸 e - 3 Khi E < I K thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, và không thể xảy ra trên lớp vỏ K; khi E < I L thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp vỏ M, N và không thể xảy ra trên lớp K, L, [7] Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các electron tự do – các electron không liên kết với hạt nhân. Năng lượng liên kết của electron với nguyên tử càng nhỏ so với năng lượng của gamma tới thì xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện càng nhỏ. Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt quá năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp vỏ trong cùng. Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm    . Đặc biệt, xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang điện với tất cả các electron quỹ đạo khi E  E k , E k là năng lượng liên kết của electron trên lớp K, tuân theo quy luật     , còn khi E >> E k thì tuân theo quy luật   . Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện cũng phụ thuộc vào Z. Và có dạng công thức như sau [7]:     (1.2) Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay cả khi gamma tới có năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ, hiệu ứng quang điện chủ yếu chỉ xảy ra đối với gamma có năng lượng thấp. 1.1.2. Hiệu ứng Compton Trong hiệu ứng Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron quỹ đạo của nguyên tử. Gamma thay đổi phương bay và truyền một phần năng lượng của mình cho electron (Hình 1.2a). Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình 1.2b). 4 Hình 1.2: (a) Hiệu ứng Compton (b) Sơ đồ tán xạ Compton của gamma lên electron tự do Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển động với năng lượng  lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây:      (1.3)      (1.4) Trong đó:       ; m e = 9,1 -31 kg là khối lượng của electron; c = 3x10 8 m/s là vận tốc ánh sáng; m e c 2 = 0,51 MeV Góc tán xạ  của electron sau tán xạ liên hệ với góc  như sau:            (1.5) Theo công thức (1.5), góc tán xạ của gamma càng lớn thì E càng bé. Nghĩa là gamma càng mất nhiều năng lượng. Gamma chuyển phần năng lượng lớn nhất cho electron sau tán xạ bay ra một góc 180 0 , tức là khi tán xạ giật lùi. Góc bay của gamma tán xạ có thể thay đổi từ 0 0 đến 180 0 trong khi electron chủ yếu bay về phía trước, nghĩa là góc tán xạ  của nó thay đổi từ 0 0 đến 90 0 . 𝛾 e - 𝛾 ’ E γ ’ E e 𝜃 𝜑 E γ (a) (b) 5 Công thức tính tiết diện tán xạ vi phân của tán xạ Compton theo Klein-Nishina [5]:                                         (1.6) Với        và          là bán kính electron cổ điển. Lấy tích phân phương trình trên ta có công thức tiết diện Klein-Nishina toàn phần:                                    (1.7) Đối với các photon có năng lượng thấp    , công thức (1.7) chuyển thành:                  (1.8) Đối với các photon có năng lượng cao    , công thức (1.7) chuyển thành:               (1.9) Như vậy, tiết diện tán xạ Compton tăng tuyến tính khi giảm năng lượng và đạt giá trị tới hạn      . Khi năng lượng gamma rất lớn, tiết diện tán xạ Compton biến thiên tỉ lệ nghịch với năng lượng E. Phần năng lượng truyền cho điện tử Compton phụ thuộc vào năng lượng và góc tương tác của photon tới. Trong nguyên tử có Z electron nên tiết diện tán xạ Compton đối với nguyên tử có dạng [5]:       (1.10) 1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp Electron có khối lượng bằng m e = 9,1x10 -31 kg hay năng lượng nghỉ của nó, theo công thức Einstein bằng E = m e c 2 = 0,51 MeV. Nếu gamma vào có năng lượng lớn hơn 2 lần năng lượng nghỉ electron 2m e c 2 = 1,02 MeV thì khi qua điện trường của hạt nhân gamma sinh ra một cặp electron-positron (positron có khối lượng bằng với khối lượng của electron nhưng mang điện tích +1e). Ta gọi hiệu ứng này là hiệu ứng tạo cặp electron-positron [7]. 6 Hình 1.3: Hiệu ứng tạo cặp electron-positron Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào đó để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn. Nếu quá trình tạo cặp xảy ra gần với hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron. Ngoài ra quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân. Tiết diện quá trình tạo cặp là một hàm của Z và có dạng [7]:     (1.11) 1.2. Hệ số hấp thụ Tổng tiết diện của mỗi nguyên tử tương tác với gamma tới là tổng các tiết diện của hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp [7]:          (1.12) Để xác định hệ số suy giảm gamma, người ta nhân  ở phương trình (1.12) với mật độ nguyên tử N. Theo đó ta được giá trị  tính bằng công thức: e + e - 𝜸 [...]... thể xác định được mực chất lỏng trong bình 9 Hình 2.1: Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất 2.1.2 Mô hình đo mực chất lỏng thứ hai Ở mô hình đo mực chất lỏng thứ hai [2], cả nguồn phóng xạ và đầu dò đều nằm bên ngoài bình chứa và nằm ở hai phía đối diện nhau sao cho chùm tia gamma có thể đi xuyên qua khối chất lỏng và được ghi nhận bởi đầu dò Điểm đặc trưng của phương pháp này là mực chất lỏng trong bình. .. vậy, kết quả đo được là khá phù hợp với giá trị thực của mực chất lỏng 30 KẾT LUẬN Mục tiêu của khóa luận là một lần nữa khẳng định ưu điểm của việc sử dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp, mà cụ thể là sử dụng kỹ thuật gamma truyền qua để đo mực chất lỏng trong bình kín Khóa luận này đã nêu ra một số mô hình đo mực chất lỏng trong các bình kín khác nhau bằng phương pháp gamma truyền qua Cũng đã... thành phần [7] 8 CHƢƠNG II CÁC MÔ HÌNH ĐO MỰC CHẤT LỎNG BẰNG TIA GAMMA VÀ TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM Ở chương một, chúng ta đã cùng tìm hiểu về lý thuyết tia gamma khi đi qua vật chất Trong chương này sẽ đề cập đến mô hình thực nghiệm đo mực chất lỏng bằng tia gamma cũng như tiến hành thí nghiệm để xác định mực chất lỏng 2.1 Một số mô hình đo mực chất lỏng bằng tia gamma Có rất nhiều mô hình thực nghiệm... trình đo: đo n từ a đến b tương ứng với giai đo n mực chất lỏng trong bình chứa thấp hơn trục nguồn – đầu dò, đo n từ b đến c tương ứng với đo n mực chất lỏng trong bình chứa bắt đầu chặn từng 10 phần cho đến khi chặn hoàn toàn chùm tia gamma, đo n từ c đến d tương ứng với giai đo n mực chất lỏng trong bình chứa đã hoàn toàn vượt qua trục nguồn và đầu dò Phương pháp như được miêu tả ở hình 2.2 có độ nhạy... xác định ngưỡng năng lượng cần đo, đo phông, đo số liệu cần khảo sát và xử lý số liệu hạt nhân thu được Sau khi tiến hành thí nghiệm, kết quả thu được sau mỗi lần đo là phù hợp với đường đồ thị đặc trưng của mô hình, đồng thời giá trị mực chất lỏng được xác định từ phương pháp này là khá chính xác, sai số tương đối giữa giá trị đo với giá trị thực tế là 1% Qua đó kiểm chứng được mô hình đo mực chất lỏng. .. 2.1.1 Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất Ở mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất [2], đầu dò được gắn cố định bên ngoài bể chứa và nguồn được đặt trên một phao nổi dâng lên theo mực chất lỏng Ở cách lắp ráp này tạo nên một đồ thị hình nhọn rất đặc trưng và rất nhạy được miêu tả như hình 2.1 Giả sử theo thời gian, mực chất lỏng trong bình chứa dâng lên từ thấp lên cao, khi đó nguồn phóng xạ tia gamma cũng được... chuyển xuống 1 mm Giá trị trung bình giữa kết quả của hai lần đo chính là mực chất lỏng mà ta cần tìm 15 CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN Chương hai đã giới thiệu sơ lược về các mô hình được ứng dụng để đo mực chất lỏng trong bình kín cũng như đưa ra lý do cho mô hình đã chọn để tiến hành thực nghiệm Hệ đo được thiết lập như hình 3.1 Hình 3.1: Mô hình đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm Hệ thiết... trống để đặt một bình chứa chất lỏng (Hình 3.2), và cụ thể trong khoá luận này chất lỏng được sử dụng để khảo sát là nước Bình chứa là một bình chữa cháy cũ được làm bằng sắt, trên thành bình có dán thước đo đơn vị cm để giúp người làm thí nghiệm thuận tiện hơn trong việc đọc trị số chiều cao Thông số bình chứa như sau: 16 Chiều cao: 32 cm Độ dày: 0,3 cm Đường kính trong: 9,18 cm Đường kính ngoài: 9,6... máy đếm khi tiến hành đo mực chất lỏng Bước 2: Đo mực chất lỏng trong bình chứa Tôi sẽ sử dụng mô hình đo mực chất lỏng thứ hai để tiến hành thí nghiệm này như đã nêu ở trên và tiến hành hai thí nghiệm: Ở thí nghiệm thứ nhất: Tiến hành đo và lấy số đếm từ máy đếm SCA-02 với độ cao của nguồn và đầu dò là từ thấp lên cao, mỗi lần dịch chuyển lên 1 mm Ở thí nghiệm thứ hai: Tiến hành đo và lấy số đếm từ... 2.2: Mô hình đo mực chất lỏng thứ hai 2.1.3 Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba [2] là một sự thay đổi lớn đối với hai mô hình trên Trong mô hình này ta sẽ dùng một nguồn phóng xạ dài và một đầu dò hạt nhân ngắn Hai thiết bị này được đặt bên ngoài bình chứa và ở hai phía đối diện nhau sao cho trung điểm của nguồn phóng xạ dài cân bằng với độ cao của đầu dò Trong khi đó thì . ĐO MỰC CHẤT LỎNG BẰNG TIA GAMMA VÀ TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM 9 2.1. Một số mô hình đo mực chất lỏng bằng tia gamma 9 2.1.1. Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất 9 2.1.2. Mô hình đo mực chất lỏng thứ. Hình 2.1: Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất 10 Hình 2.2: Mô hình đo mực chất lỏng thứ hai 11 Hình 2.3: Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba 12 Hình 3.1: Mô hình đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm. cập đến mô hình thực nghiệm đo mực chất lỏng bằng tia gamma cũng như tiến hành thí nghiệm để xác định mực chất lỏng. 2.1. Một số mô hình đo mực chất lỏng bằng tia gamma Có rất nhiều mô hình