Ứng dụng kĩ thuật gamma tán xạ để đo bề dày vật liệu có Z thấp

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả mô phỏng quá trình tán xạ của chùm tia gamma phát ra từ nguồn 137Cs lên bia sáp paraffin bằng chương trình MCNP5 (Monte Carlo NParticles). Kết quả mô phỏng là cơ sở để chúng tôi bố trí và thực hiện các phép đo thực nghiệm.

Năm học 2015 - 2016 ỨNG DỤNG KĨ THUẬT GAMMA TÁN XẠ ĐỂ ĐO BỀ DÀY VẬT LIỆU CÓ Z THẤP Phạm Vũ Trân, Nguyễn Thị Hải Yến, Nguyễn Phạm Tường Minh, Tô Xuân Phương (Sinh viên năm 3, Khoa Vật lí) GVHD: TS Hồng Đức Tâm TĨM TẮT Trong nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng chương trình MCNP5 để tiến hành mô theo phương pháp Monte Carlo trình tán xạ chùm photon phát từ nguồn 137 Cs có lượng 661,66keV bia vật liệu Khi sử dụng kĩ thuật gamma tán xạ ngược, độ dày bia vật liệu paraffin xác định với độ lệch tương đối thực tế tính tốn 3,82% Bên cạnh đó, chúng tơi đề xuất phương án sử dụng đường cong bão hòa để tính nhanh bề dày vật liệu với sai số 3,64% Các kết làm sở cho việc bố trí thực nghiệm Mở đầu Vào năm 2011, nhóm nghiên cứu Priyada cơng trình [2] kĩ thuật gamma tán xạ cho độ xác tương tự với kĩ thuật chụp ảnh tia gamma tia X khảo sát độ ăn mòn thép mềm (mild steel) Và thêm nữa, bắt tay vào cơng trình [3], Priyada cộng đưa đến kết luận kĩ thuật gamma tán xạ cho độ xác cao kĩ thuật gamma truyền qua thực phép đo dò mặt phân cách hai môi trường (lỏng – lỏng, lỏng – khí) đo mật độ số chất Với độ xác cao cách khảo sát đối tượng đơn giản cần tiếp cận từ phía làm cho phương pháp gamma tán xạ ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp hạt nhân như: xác định bề dày, kiểm tra khuyết tật, đo độ ăn mòn vật liệu… Do đầu dò NaI(Tl) linh động đầu dò HPGe nên dùng nghiên cứu [2] ghi nhận xạ nhiệt độ thường gọn nhẹ, đầu dò HPGe cần phải làm lạnh ni-tơ lỏng khoảng 77K khiến khơng khả thi bố trí thực nghiệm Trong nước, cơng trình Hoàng Đức Tâm cộng [1] sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) nguồn hoạt độ thấp đồng thời cải tiến kĩ thuật phân tích phổ để xác định độ dày vật liệu với sai số tương đối so với độ dày thực nhỏ 4% cho thấy dùng kĩ thuật gamma tán xạ để xác định bề dày vật liệu hoàn toàn đáng tin cậy Bên cạnh đó, cơng trình [1] đo thành công bề dày bia thép chịu nhiệt C45 –vật liệu có số Z trung bình, nguồn 137Cs phát photon lượng 661,66keV Trên sở đó, chúng tơi mở rộng cơng trình cho đối tượng vật liệu có Z thấp, paraffin (thành phần 12C 1H) Khi đo Z thấp, người ta thường dùng 63 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH nguồn có lượng thấp, phổ biến 241Am–phát photon lượng 59,54keV tiết diện tán xạ thu lớn, độ xuyên sâu chùm tia thấp dẫn đến bề dày bão hịa nhỏ Do đó, để tăng bề dày bão hịa, chúng tơi thực nghiên cứu với nguồn 137 Cs Sự thành công để tài tạo tiền đề cho việc triển khai đo đạc vật liệu có Z thấp khác nguồn có lượng cao Paraffin tìm thấy nến, son mơi hay bút chì màu, cịn đóng vai trị ngành cơng nghiệp chăm sóc sắc đẹp nay, đặc biệt giảm đau khớp tay chân… phần nhỏ kiểm định an toàn Thực ra, paraffin chủ yếu có than đá, khí tự nhiên dầu mỏ, sản phẩm cuối chuỗi lọc dầu, “đáy thùng” [8] Bên cạnh lợi ích kể trên, với đặc tính nóng chảy 46 - 68 oC, khơng hịa tan nước, tan tiếp xúc với benzen số este dẫn xuất nhiên liệu xuất lớp paraffin đóng cặn gây tắc nghẽn đường ống, ảnh hưởng đến q trình vận chuyển [7] Chính vậy, chúng tơi muốn dùng kĩ thuật tán xạ gamma để đo bề dày lớp paraffin Trong nghiên cứu này, chúng tơi mơ q trình tán xạ chùm tia gamma phát từ nguồn 137Cs lên bia sáp paraffin chương trình MCNP5 (Monte Carlo NParticles) Kết mô sở để bố trí thực phép đo thực nghiệm Cơ sở lí thuyết phương pháp gamma tán xạ Quá trình tán xạ photon lên bia vật liệu diễn hình [2]: Hình Quá trình tán xạ photon lên bia vật liệu [2] Đầu tiên, photon phát từ nguồn có lượng E0 bay đến đập vào bia (theo đường ) bị tán xạ điểm tán xạ P bên bia cách bề mặt bia khoảng t’ Sau tán xạ P, lượng Es photon bay phụ thuộc góc tán xạ  theo biểu thức: 64 Năm học 2015 - 2016 Es  E0 E0 1 (1  cos  ) m0 c (1) Nếu ban đầu chùm photon phát từ nguồn có cường độ I0 sau đập vào bia vật liệu bị tán xạ vật liệu bay (theo đường ) bị suy giảm cường độ Do đó, cường độ I chùm photon bay mà đầu dò ghi nhận cường độ chùm photon bị suy giảm trình: photon qua lớp vật liệu đến điểm P, photon bị tán xạ P photon qua lớp vật liệu lần để bay khỏi bia đến đầu dị Vì vật liệu có bề dày T nên cường độ chùm tia I thu đầu dị [1] tính theo biểu thức: T    (E )      (E)   (2) I  k   exp     t '  exp     t '  dt '    cos   cos             (E0 )    (E)  exp    sec1  sec  T        Hay: I  k    (E )   (E)   sec 1   sec      Với I, I’ cường độ chùm tia mà đầu dò đo cho chùm photon tán xạ bia vật liệu có chiều dày T T’ [1] Khi đó, ta tính T’ theo công thức sau:     T '  ln  (3)  a   I ' (1  exp( aT))  I   Trong đó:   (E0 )   (E) a sec1  sec         (E )  (E) hệ số suy giảm khối ứng với lượng E E tra   sở liệu NIST [6] I' N' Khi ta thay tỉ số biểu thức (3) trở thành: I N    (4)  T '  ln   N ' a  1 (1  exp(aT ))  N   Trong đó: N N’ diện tích đỉnh tán xạ lần cho chùm photon tán xạ lên bia có bề dày T T’ Áp dụng phương pháp truyền sai số cho biểu thức (4) chúng tơi tính sai số phép đo bề dày vật liệu sau: 65 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH T '   exp( aT) N '2  N2 '  2 N N  N'  aN   (1  exp( aT))  N   (5) Với:  N  N ,  N '  N '  T sai số dụng cụ Bên cạnh đó, cường độ chùm photon tới vật liệu tăng cường độ chùm photon mà đầu dò ghi nhận tăng Nhưng cường độ tăng đến giá trị định dù chùm photon tới có tăng cường độ không làm tăng cường độ chùm photon đến đầu dò Giá trị gọi cường độ bão hòa vật liệu [1] xác định biểu thức: I (P)  I S (1  exp(  eff  T)) (6) Trong đó, IS cường độ bão hòa chùm photon tán xạ lần μefflà hệ số suy giảm khối hiệu dụng xác định bởi:  (E )  (E) eff  sec 1  sec 2   Ngồi ra, biểu thức (6) viết dạng khai triển Taylor – Maclaurin theo dạng: I  C0  C1 x0  C2 x02  C3 x03   Cn x0n  Rn (x ) (7) Dựa vào phương trình (6) (7), chúng tơi xác định hàm bão hịa diện tích đỉnh tán xạ theo bề dày vật liệu [4], từ đánh giá sử dụng bề dày làm chuẩn để tính lại bề dày nhỏ Mơ Monte Carlo MCNP Chương trình MCNP (Monte Carlo N-Particles) phần mềm phát triển nhà khoa học Phịng thí nghiệm quốc gia Los Alamos Hoa Kì từ năm 1957 Phần mềm ứng dụng phương pháp Monte Carlo sử dụng chủ yếu để mơ q trình vật lý mang tính thống kê neutron, photon electron (các trình phân rã hạt nhân, tương tác hạt nhân với vật chất, đo thông lượng neutron…) Do việc tiến hành phép đo thực nghiệm tốn nên chúng tơi sử dụng chương trình MCNP5 mơ q trình tán xạ photon vật liệu để xem xét tính khả thi phương pháp trước bố trí phép đo thực nghiệm Trong nghiên cứu chúng tơi sử dụng chương trình MCNP5 để mơ trình tán xạ photon vật liệu trước tiến hành phép đo thực nghiệm Và từ kết mô suy độ dày vật liệu 66 Năm học 2015 - 2016 Hình Các thơng số kĩ thuật đầu dị NaI(Tl) dùng mơ [1] Loại đầu dị sử dụng mơ đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) có đường kính tinh thể nhấp nháy 76mm chiều dài 76mm, cung cấp hãng Amptek với thơng số kĩ thuật hình Các thơng số xác nhận độ xác qua cơng trình Hồng Đức Tâm cộng năm 2015 xác định bề dày vật liệu kĩ thuật gamma tán xạ Vật liệu sử dụng mô paraffin dạng sáp với hàm lượng nguyên tố: Carbon – 85,14%; Hydro – 14,86% [4] Bề mặt sáp paraffin hình vng có bề dày thay đổi Tấm paraffin đặt cho pháp tuyến hợp với nguồn với trục đầu dị góc 30o để tạo góc tán xạ 120o hình Hình Bố trí mơ hình đo bề dày bia paraffin mơ Trong mô này, sử dụng nguồn 137Cs nguồn phát tia gamma đơn (năng lượng 661,66keV) Cả nguồn đầu dị có ống chuẩn trực chì 67 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH đặt trước với đường kính 1cm, dài 20cm để hạn chế ảnh hưởng tượng tán xạ nhiều lần Về mặt thống kê, kết có độ tin cậy cao số lượng hạt đủ lớn Do đó, chúng tơi thực mơ với số lịch sử hạt 6.109.Sử dụng thẻ FT8 GEB để xét độ phân giải phổ tính bề rộng nửa đỉnh phổ (FWHM) theo hàm sau [4]: FWHM  a  b E  cE Cần sử dụng thẻ FT8 GEB MCNP khơng xét đến q trình vật lí gây nở rộng phổ thực tế lại có diện q trình Bia paraffin Đầu dị NaI Nguồn 137 Cs Hình Mô hệ đo tán xạ MCNP5 Qua thực nghiệm xây dựng đường chuẩn FWHM, ta xác định được: a = 0,0137257 MeV; b = 0,0739501 MeV1/2; c = - 0,152982 MeV-1 Kết Trong nghiên cứu này, đầu dị bố trí để ghi nhận chùm photon tán xạ góc 120 Ở góc tán xạ này, lượng photon tán xạ tính theo biểu thức (1) 224,9 keV o Trong việc tính diện tích đỉnh để khảo sát bề dày, cần quan tâm đến đỉnh tán xạ lần Ban đầu, chúng tơi thực xử lí phổ theo phương pháp fit vùng tán xạ đơn, sử dụng hai đỉnh Gauss hình để khớp hai đỉnh lượng, dùng hàm đa thức để khớp vùng phổ [1].Tuy nhiên, phần bên trái phổ chưa xử lí tốt dẫn đến việc tính tốn khơng xác 68 Số đếm/kênh Năm học 2015 - 2016 Số đếm/kênh Hình Xử lí phổ tán xạ phương pháp fit vùng tán xạ đơn liệu paraffin Kênh Hình Xử lí phổ tán xạ phương pháp fit toàn phổ vật liệu paraffin Nhận thấy có chồng chập nhiều đỉnh phức tạp khu vực đỉnh tán xạ đơn Do đó, để tính xác diện tích đỉnh tán xạ đơn, chúng tơi sử dụng phương pháp fit toàn phổ, sử dụng bốn đỉnh Gauss hình để khớp với bốn đỉnh lượng, dùng hàm đa thức để khớp vùng phổ 69 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Bảng Năng lượng photon tán xạ đơn tính tốn theo mô Phép đo Bề dày (cm) Năng lượng (keV) Độ lệch (%) Phép đo Bề dày (cm) Năng lượng (keV) Độ lệch (%) 1,50 1,75 2,50 2,75 3,75 7,00 8,00 223,10 222,96 222,39 222,16 221,43 219,78 219,33 0,81 0,87 1,13 1,23 1,55 2,29 2,49 10 11 12 13 14 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 217,90 217,90 218,67 218,41 218,80 218,67 218,72 3,12 3,12 2,78 2,90 2,72 2,78 2,75 Việc mơ q trình tán xạ thực với bề dày khác từ 1,5cm đến 14cm Kết xác định lượng đỉnh tán xạ cho bảng Các giá trị nhìn chung lệch khoảng hẹp từ 217,9keV đến 223,1keV Hình Phổ lượng tán xạ ứng với bề dày khác Sau thu phổ ứng với bề dày khác ta biểu diễn chúng lên đồ thị để khảo sát mối liên hệ diện tích đỉnh lượng bề dày thực vật liệu [5] đồng thời biểu diễn cặp giá trị tương ứng bề dày diện tích đỉnh tán xạ đơn lên hệ trục tọa độ Kết biểu diễn hình 7và hình 70 Năm học 2015 - 2016 Hình Diện tích đỉnh tán xạ theo độ dày vật liệu với góc tán xạ 120o Sự thay đổi độ cao đỉnh tán xạ đơn hình cho thấy bề dày vật liệu tăng diện tích đỉnh tăng Tuy nhiên, đến bề dày khoảng 9cm trở độ cao đỉnh dần bão hịa, khơng tăng Kết phù hợp với đồ thị hình diện tích đỉnh tán xạ trở nên bão hịa bề dày lân cận 9cm Từ đó, nhận thấy dùng bề dày 9cm làm bề dày chuẩn để tính tốn lại bề dày nhỏ theo cơng thức (3) Kết trình bày bảng Bảng Kết xác định độ dày vật liệu với độ dày chuẩn 9cm Phép đo Bề dày thực (cm) Bề dày tính tốn (cm) Độ lệch (%) Phép đo Bề dày thực (cm) Bề dày tính tốn (cm) Độ lệch (%) 1,50 1,75 2,50 2,75 3,75 1,49 ± 0,02 1,74 ± 0,02 2,45 ± 0,03 2,69 ± 0,03 3,61 ± 0,04 0,56 0,80 1,84 2,33 3,64 5,00 6,00 7,00 8,00 4,81 ± 0,06 6,19 ± 0,10 6,81 ± 0,11 8,21 ± 0,17 3,82 3,09 2,66 2,68 Từ kết bảng 2, nhận xét độ lệch tương đối lớn bề dày tính tốn theo cơng thức (3) bề dày thực vật liệu 3,82% Như vậy, kĩ thuật gamma tán xạ sử dụng đầu dò nhấp nháy hồn tồn áp dụng để đo bề dày vật liệu có độ dày 9cm Bây giờ, đề xuất phương pháp khác để tính nhanh bề dày vật liệu Diện tích đỉnh tán xạ đơn ứng với bề dày khác khớp phần mềm Origin (phiên 8.5) theo phương trình (6) cho kết với hệ số R2=0,994 Kết 71 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH nhìn chung khơng khả quan nên chúng tơi tiến hành khớp theo hàm khai triển (7) đến bậc cho kết tốt với R2=0,999 Hình 9.Đường cong bão hịa vật liệu khớp phương trình (6) (7) Đưa liệu diện tích đỉnh tán xạ từ mơ vào hàm khớp theo phương trình (7) để tính tốn lại bề dày Sử dụng số số liệu chưa dùng khớp hàm để tính theo phương pháp thu kết bảng Bảng Kết tính tốn bề dày vật liệu cách sử dụng hàm khớp Diện tích đỉnh Bề dày tính tốn Bề dày thực (cm) Độ lệch (%) tán xạ theo hàm khớp (cm) 11497 1,00 0,99 1,00 36311 5,00 4,83 3,46 41023 6,00 6,15 2,45 47351 10,25 10,13 1,21 Theo kết tính tốn, độ lệch tương đối lớn bề dày thực bề dày tính theo hàm khớp 3,46% Như vậy, hồn tồn tính nhanh bề dày paraffin phương pháp sử dụng hàm khớp Kết luận Trong nghiên cứu này, áp dụng kĩ thuật gamma tán xạ ngược để xác định bề dày bia vật liệu làm sáp paraffin Kết cho thấy kĩ thuật khơng áp dụng cho vật liệu có Z trung bình [1] mà cho vật liệu có Z thấp Đây sở để tiến hành bố trí thực nghiệm Bên cạnh đó, chúng tơi đề xuất phương pháp để xử lí phổ cho kết tốt Thêm nữa, đưa dạng hàm khớp thông qua khai triển Taylor –Maclaurin thu hệ số làm khớp cao 72 Năm học 2015 - 2016 (R2=0,999), tạo sở cho nghiên cứu tính tốn bề dày bão hịa vật liệu sau Cuối cùng, việc tính tốn bề dày vật liệu theo hàm khớp thu đượckết tốt (dưới 3,82 %) sở để chúng tôiphát triển phương pháp bán thực nghiệm việcxác định bề dày vật liệu khác nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoang Duc Tam, Huynh Dinh Chuong, Tran Thien Thanh, Vo Hoang Nguyen, Hoang Thi Kieu Trang, Chau Van Tao (2015), “Advanced gamma spectrum processing technique applied to the analysis of scattering spectra for determining material thickness” J Radioanal Nucl Chem, 303, pp 693-699 Priyada P., Margret M., Ramar R., Shivaramu, Menaka M., Thilagam L., Venkataraman B., Raj B (2011), “Intercomparison of gamma scattering, gammatography, and radiography techniques for mild steel nonuniform corrosion detection”, Review of Scientific Instruments 82, 035115 (1 – 8) Priyada P., M.Margret., R.Ramar., Shivaramu (2011), “Intercomparison of gamma ray scattering and transmission techniques for fluid–fluid and fluid–air interface levels detection and density measurements”, Applied Radiation and Isotopes 70, pp 462–469 Kovaltchouk V., Machrafi R (2011), “Monte Carlo simulations of response functions for gas filled and scintillator đầu dò with MCNPX code”, Annals of Nuclear Energy 38, pp 788 – 793 NIST: Composition of PARAFFIN WAX.Accessed 12 Sep 2015 NIST (XCOM): Element/Compound/Mixture.Accessed 12 Feb 2016 WIKIPEDIA: Paraffin wax.Accessed 23 Mar 2016 SOYSPABATH: Why paraffin is so bad Accessed 23 Mar 2016 73 ... tương đối lớn bề dày tính tốn theo cơng thức (3) bề dày thực vật liệu 3,82% Như vậy, kĩ thuật gamma tán xạ sử dụng đầu dị nhấp nháy hồn tồn áp dụng để đo bề dày vật liệu có độ dày 9cm Bây giờ,... gamma tán xạ ngược để xác định bề dày bia vật liệu làm sáp paraffin Kết cho thấy kĩ thuật không áp dụng cho vật liệu có Z trung bình [1] mà cho vật liệu có Z thấp Đây sở để tiến hành bố trí thực nghiệm... xác định bề dày vật liệu kĩ thuật gamma tán xạ Vật liệu sử dụng mô paraffin dạng sáp với hàm lượng nguyên tố: Carbon – 85,14%; Hydro – 14,86% [4] Bề mặt sáp paraffin hình vng có bề dày thay đổi