Bài viết khảo sát sự suy giảm của chùm hạt beta với các bề dày khác nhau của vật liệu chúng tôi xác định được những đường cong suy giảm ứng với từng loại vật liệu. Từ đó có thể xác định được bề dày của vật liệu nhẹ nằm trong giới hạn cho phép.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 103-107 Xác định bề dày vật liệu phương pháp truyền qua hạt beta Determining the Thickness of Material Using the Transmission Method of Beta Particles Mai Đình Thủy*, Bùi Ngọc Hà Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tịa soạn: 22-4-2019; chấp nhận đăng: 25-9-2020 Tóm tắt Hiện nay, việc sử dụng xạ công nghiệp phổ biến Việt Nam Trong đó, có ứng dụng xạ beta, gamma lượng thấp tia X để đo kiểm soát bề dày sản phẩm giấy, màng nhựa, nhôm, thép, màng mỏng công nghiệp, vv Chúng thực nghiên cứu, tính tốn, xây dựng hệ thực nghiệm đưa phương trình đường chuẩn cho hệ thiết bị để đo bề dày vật liệu có hệ số Z nhỏ (nhơm, silic, ) với bề dày nằm khoảng từ 0.1 mm đến mm sử dụng phương pháp truyền qua xạ beta Từ khóa: thiết bị xạ, xạ beta, kiểm tra bề dày vật liệu, vật liệu có Z nhỏ Abstract Currently, the use of radiation in industry is very popular in Vietnam The applications of beta, low energy gamma or X-ray radiation are used to measure and control product thickness such as paper, plastic film, aluminum foil, steel, thin film in industry, etc We have carried out researches, calculations, experiments and gave calibration equations for the system to measure the thickness of small Z-coefficient materials (aluminum, silicon, ) with a thickness from 0.1 mm to mm using transmission method of beta radiation Keywords: radiation equipment, checking material thickness, materials with small Z, beta particles Mở đầu* phát xạ tia X proton (PIXE) Một số kỹ thuật khác đòi hỏi hệ thống điện tử phức tạp Giá trung bình hệ thống đo độ dày có sẵn thường dao động khoảng từ 1.200 đến 130.000 USD [2,7,8, 9,10] Nguồn beta thường sử dụng sở công nghiệp phịng thí nghiệm để đo độ dày vật liệu mỏng (nhôm, giấy, nhựa, vải, ) độ dày lớp phủ (như vàng, bạc, nhựa, )[1] Điều kiện để kiểm tra bề dày sử dụng hạt beta phạm vi bề dày tương ứng phải nhỏ quãng đường di chuyển lớn hạt beta xạ phóng xạ vật liệu (quãng chạy lớn nhất) Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp đo bề dày vật liệu nhẹ (với bề dày khảo sát vật liệu nhẹ từ 0.1 mm đến 3.0 mm) dựa suy giảm cường độ chùm hạt beta truyền qua loại vật liệu khác Bằng việc khảo sát suy giảm chùm hạt beta với bề dày khác vật liệu xác định đường cong suy giảm ứng với loại vật liệu Từ xác định bề dày vật liệu nhẹ nằm giới hạn cho phép Việc kiểm tra độ dày đối tượng chỗ thường quan trọng nghiên cứu sản suất Kỹ thuật đo độ dày phân loại phá hủy không phá hủy Các phương pháp phá hủy sử dụng nhiều sử dụng mặt cắt kính hiển vi điện tử quét, mặt cắt kính hiển vi điện tử truyền qua, quang phổ phát xạ tác động điện tử, phản xạ, nhiễu xạ electron lượng cao, định hình độ sâu phún xạ quang phổ quang điện tử tia X Các kỹ thuật không phá hủy nhiễu xạ tia X, huỳnh quang tia X, quang phổ elip, tán xạ ngược Rutherford (RBS), phân tích phản ứng hạt nhân quang phổ tán sắc lượng Tuy nhiên, nhược điểm nhiều kỹ thuật không nhỏ gọn sử dụng nguồn beta số yêu cầu phương tiện lớn RBS Nội dung 2.1 Nội dung phương pháp Đo đạc thực nghiệm dựa sở lý thuyết suy giảm cường độ xạ truyền qua vật chất thể qua công thức sau [2,3]: I I e x (1) với µ hệ số hấp thụ tuyến tính, x bề dày vật liệu, I cường độ xạ sau qua vật liệu che chắn, I0 cường độ xạ ban đầu * Địa liên hệ: Tel.: (+84) 977.385.928 Email: thuy.maidinh@hust.edu.vn 103 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 103-107 Chúng ta xác định suy giảm số đếm mà hệ đo ghi nhận sau xạ truyền qua vật liệu thay đo độ suy giảm cường độ xạ Như vậy, ta sử dụng cơng thức tính suy giảm xạ theo số đếm ghi nhận qua vật liệu sau: N N0 e x Áp dụng công thức thực nghiệm vật liệu nhôm (ρ = 2.7 g/cm-3) silic (ρ = 2.33 g/cm-3) quãng chạy lớn hạt beta sử dụng nguồn beta Sr-90/Y-90 phương pháp truyền qua 3.9 mm 4.6 mm Trước khảo sát phụ thuộc cường độ chùm hạt beta vào bề dày vật liệu, cần phải khảo sát ảnh hưởng bề dày chuẩn trực nguồn beta khoảng cách từ nguồn beta đến đầu dò lên đường chuẩn bề dày vật liệu Bề dày chuẩn trực nguồn (vật liệu thường làm chì) khảo sát hai giá trị 1.15 mm chì 15 mm chì hình Khoảng cách nguồn beta đầu dò khảo sát thay đổi từ 2.5 cm đến 4.1 cm (2) đó: N: Số đếm ghi nhận có vật liệu che chắn nguồn máy đo N0: Số đếm ghi nhận khơng có vật liệu che chắn nguồn máy đo Như vậy, ta tiến hành đo đạc thực nghiệm để xác định số đếm N, số đếm N0 ứng với vật liệu nhơm silic có bề dày x khác Từ tính hệ số hấp thụ xạ nhôm xạ beta mm Nhựa che phủ nguồn beta Cấu hình xếp khối điện tử hệ đo đạc thực nghiệm thiết kế, xây dựng hình Trong nghiên cứu sử dụng hệ đo ứng với hai loại đầu dò khác là: hệ thực nghiệm 1: Đầu dò gamma-beta NDI-65/50 kèm với hệ xử lý phân tích phổ MultiAct; hệ thực nghiệm 2: Đầu dò Geiger-Muler vận hành điện áp 500V kèm với hệ phân tích phóng xạ URL-2 K h u ếc h đạ i T iền k hu ếc h đ ại Đầu dị Khối phân tích Nguồn beta 1.15 mm Pb 10 mm 100 mm mm 15 mm Pb Nhựa che phủ nguồn beta Hiển thị kết 10 mm Nguồn beta 100 mm Hình Hình dạng kích thước nguồn beta chuẩn trực nguồn Vật liệu cần xác định bề dày 2.2 Kết thảo luận Nguồn beta Hình Sơ đồ khối hệ thực nghiệm Để xây dựng đường cong chuẩn việc xác định bề dày ngẫu nhiên vật liệu mỏng có số Z nhỏ phương pháp truyền qua xạ beta cần phải khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chùm beta như: bề dày chuẩn trực nguồn; khoảng cách từ nguồn Sr-90/Y-90 đến đầu dò ảnh hưởng bề dày vật liệu đo đến cường độ chùm hạt beta Tất thí nghiệm thực điều kiện phịng thí nghiệm nhiệt độ áp suất Nguồn phóng xạ beta sử dụng nguồn Sr-90/Y-90 (đối với Sr-90 có lượng Eβ(trung bình) = 0.196 MeV Eβ(max) = 0.546 MeV; đồng vị Y-90 có lượng Eβ(trung bình) = 0.935 MeV Eβ(max) = 2.284 MeV) [3] Các loại vật liệu có Z nhỏ mỏng sử dụng để xác định đường cong chuẩn theo bề dày vật liệu là: nhôm silic Bức xạ beta qua chuẩn trực nguồn xảy hiệu ứng tương tác beta với vật chất như: ion hóa, tán xạ beta, tạo chùm xạ hãm, [2,3] Do đó, sử dụng nguồn Sr-90/Y-90 để xác định bề dày vật liệu mỏng cần phải đánh giá thêm ảnh hưởng chuẩn trực nguồn nằm nguồn đầu dị lên kết đo để có hiệu chỉnh thích hợp Đặc biệt ảnh hưởng xạ hãm lớn đến kết thực nghiệm Đối với nguồn Sr-90/Y90 có Eβ(max) = 2.284 MeV, xạ hãm hình thành tương tác beta vật liệu làm chuẩn trực nguồn (sử dụng vật liệu chì có ZPb = 82) có lượng từ MeV đến 2.284 MeV[4,5] Đối với quãng chạy hạt beta vật liệu có số Z nhỏ (vật liệu nhẹ có nguyên tử số hiệu dụng Z nhỏ nhôm, silic, ) xác định dựa cơng thức thực nghiệm hạt beta có lượng 0.01 ≤ Eβ ≤ 2.5 MeV sau[3]: 1.27 0.0954lnE ( g / cm2 ) (3) ln E 6.63 3.24(3.29 ln R )1/ (4) R 0.412 E Hoặc 104 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 103-107 Hình cho thấy ảnh hưởng bề dày chuẩn trực nguồn việc xác định độ dày vật liệu nhiên, khoảng cách đầu dò nguồn hạt beta phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm hệ đo để đạt kết tối ưu Bảng Kết ảnh hưởng bề dày lớp chuẩn trực nguồn đến việc xác định bề dày vật liệu silic: Bề dày vật liệu (mm) 0.00 0.52 1.04 1.56 2.08 2.60 3.12 Tốc độ đếm (cps) Chuẩn trực nguồn Chuẩn trực nguồn dày 15 mm dày 1.15 mm 11296 27 28239 88 3888 11 22399 37 2081 11 15340 37 1090 11 9205 37 518 11 4682 37 216 11 1966 37 78 11 667 37 Hình So sánh ảnh hưởng khoảng cách nguồn beta đầu dò đến việc xác định bề dày vật liệu Hình So sánh ảnh hưởng bề dày lớp chuẩn trực nguồn đến việc xác định bề dày vật liệu nhôm a Sự thay đổi bề dày vật liệu sử dụng đầu dị gammabeta NDI-65/50 Đối với chuẩn trực nguồn có bề dày 1.15 mm đồ thị suy giảm xạ beta vật liệu có dạng gần tuyến tính ảnh hưởng xạ hãm (năng suất phát xạ hãm tỷ lệ với Z2 vật liệu bia) sinh tương tác với đầu dò Trong trường hợp bề dày chuẩn trực nguồn không đủ để ngăn cản hết xạ hãm nguồn Sr-90/Y-90 sinh Đối với chuẩn trực nguồn có bề dày 15 mm, suy giảm cường độ chùm hạt beta có xu hướng phương trình (2) Như với bề dày lớn chuẩn trực nguồn xạ (sử dụng vật liệu chì) làm giảm hiệu ứng ảnh hưởng xạ hãm Do hạt beta từ nguồn Sr-90/Y-90 bị lượng dọc theo đường nên chúng quãng đường hữu hạn Qua việc khảo sát suy giảm cường độ chùm hạt beta vào bề dày vật liệu có thay đổi khoảng cách đầu dò nguồn Sr90/Y-90 thu đường cong suy giảm (hình 4) có phương trình liên hệ số đếm bề dày vật liệu theo dạng [6]: y y0 Ae Bx (5) Khảo sát đường cong ta thấy khoảng cách nguồn hạt beta đầu dị nhỏ độ sai khác kết thực nghiệm hàm làm khớp (5) nhỏ Tuy b Sự thay đổi bề dày vật liệu sử dụng đầu dị GeigerMuller Hình Khảo sát hình dạng đường chuẩn xác định bề dày vật liệu hệ đầu dò khác (đầu dị beta đầu dị Geiger-Muller) 105 Tạp chí Khoa học Công nghệ 145 (2020) 103-107 Để đảm bảo tính ổn định xác phương trình phụ thuộc cường độ chùm beta vào bề dày vật liệu, khảo sát thêm thay đổi bề dày vật liệu hệ thực nghiệm khác với loại vật liệu có số Z nhỏ xấp xỉ nhơm silic Các kết khảo sát thực sau điều chỉnh điều kiện thực nghiệm khoảng cách nguồn – đầu dò bề dày chuẩn trực nguồn Dựa điều kiện thực nghiệm, nhóm nghiên cứu xác định khoảng cách từ nguồn Sr-90/Y-90 41 mm bề dày chuẩn trực nguồn 15 mm chì Đồ thị phụ thuộc cường độ hạt beta vào bề dày vật liệu nhơm silic biểu diễn hình Các đồ thị cho thấy hệ thực nghiệm khác (hệ sử dụng đầu dò Geiger-Muller kết hợp với hệ phân tích URL2 hệ phân tích đo phổ beta) kết nhơm silic tương đồng với hình dạng, tuân theo quy luật suy giảm phương trình (2) dụng hàm chuẩn cho kết có sai số chấp nhận Tương tự, nhóm nghiên cứu tiến hành so sánh, đánh giá sai lệch giá trị bề dày vật liệu thực tế tính tốn qua phương trình (6a, 6b, 6c) với sai số lớn 5% Bề dày vật liệu nhỏ xác định 0.39 mm silic 0.10 mm nhôm Từ rút ngắn thời gian đo đạc mà độ xác bề dày vật liệu đảm bảo Bảng So sánh giá trị bề dày thực tế bề dày tính theo phương trình (6d) vật liệu silic: Từ kết đo đạc thực nghiệm với bề dày khảo sát: bề dày nhôm từ 0.1 mm đến 3.23 mm (sử dụng nhôm bề dày 0.1 mm) bề dày silic từ 0.39 mm đến 3.12 mm, xây dựng phương trình đường cong khớp hàm chuẩn thay đổi cường độ chùm beta vào bề dày vật liệu có số Z nhỏ nhơm silic phương pháp nội Các phương trình đường khớp hàm chuẩn thể phụ thuộc bề dày vật liệu nhôm silic vào số đếm (hoặc tốc độ đếm) đo từ hệ thực nghiệm khác sau: y 0.901ln( x 10605.331) 11.820 (6a) Silic: 0.39 0.01 1117 0.43 0.01 0.45 4.65 702 0.78 0.02 0.82 5.13 357 1.34 0.03 1.35 0.74 Sai số (%) 5.13 Lời cảm ơn (6b) Bài báo cáo hỗ trợ nghiên cứu từ đề tài cấp sở mã đề tài T2017-PC-036 trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đối với hệ sử dụng đầu dò Geiger-Muller: Nhôm: Tài liệu tham khảo (6c) Silic: y 0.825 ln( x 1769.489) 9.637 1173 Bề dày tính toán (mm) 0.41 Phương pháp đo độ dày vật liệu có số Z nhỏ sử dụng phương pháp truyền qua hạt beta phương pháp khả dụng Phương pháp cho phép đo độ dày vật liệu theo cách không phá hủy tiết kiệm chi phí Dựa kết thực nghiệm, nhóm nghiên cứu xây dựng đồ thị phương trình hàm làm khớp vật liệu nhơm silic hệ thiết bị sử dụng loại đầu dò đầu dò gamma-beta NDI-65/50 đầu dò Geiger-Muller Các phương trình hàm làm khớp sở cho việc nghiên cứu loại vật liệu có số Z nhỏ khác thực nghiệm Ngoài kết nghiên cứu sử dụng để xây dựng lên thí nghiệm phục vụ cơng tác đào tạo lĩnh vực kỹ thuật hạt nhân ứng dụng Nhôm: y 1.04 ln( x 6347.63) 12.25 Bề dày thực (mm) Kết luận Đối với hệ sử dụng đầu dò gamma-beta NDI-65/50: y 0.687 ln( x 2104.085) 9.191 Tốc độ đếm (cps) [1] Grozev, P.A., Vapirev, E.I., Botsova, L.I., 1992 Energy-distribution of beta-particles transmitted through an absorber Appl Radiat Isotopes 43, 383– 387 [2] Brasunas, J.C., Cushman, G.M., Lakew, B., 1999 Chapter 7: Thickness Measurement In: Webster, J.G (Ed.), The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook, 1999 by CRC Press LLC, USA [3] James E Turner Atoms, Radiation, and Radiation Protection 2007 WILEY-VCH Verlag Gmb H&Co KGaA, Weinheim (6d) Để kiểm nghiệm tính khả dụng phương trình nhóm nghiên cứu thử nghiệm với bề dày khác vật liệu Bảng thể kết kiểm tra phương trình (6d) với vật liệu silic hệ thực nghiệm sử dụng đầu dò Geiger-Muller Từ bảng ta thấy phương pháp thực nghiệm xác định bề dày vật liệu sử 106 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 103-107 [4] Damkjaer, A., 1982 The response of a silicon surface-barrier detector to monoenergetic electrons in the range 100–600 keV Nuclear Instruments and Methods 200, 377–381 [5] Evans, R.D., 1955 The Atomic Nucleus McGrawHill, New York [6] Konopinski, E.J., 1966 The Theory of Beta Radioactivity Oxford University Press, London [7] S Yalcin, O Gurler, 2005 Effect of different arrangements of point source, aluminum absorber and detector on mass absorption coefficient of betaparticles J Radioanal Nucl Chem 266, 509–511 [8] S Yalcin, O Gurler, O Gundogdu, D.A Bradley, 2012 A practical meth od for in-situ thickness determination using energy distribution of beta particles Applied Radiation and Isotopes 70, 128– 132 [9] Mark E Zipf, April 2010 Radiation transmissionbased thickness measurement systems advancements, innovations and new technologies Advances in measurement systems ISBN: 978-953307-061-2 [10] D.M Farcasiu, T Apostolescu, H Bozdog, E Badescu, V Bohm, S.P Stanescu, A Jlanu, C Bordeanu and M.V 1992 CraciunA digital instrument for nondestructive measurements of coating thicknesses by beta backscattering Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A312, 284-288 107 ... nguồn beta đầu dị đến việc xác định bề dày vật liệu Hình So sánh ảnh hưởng bề dày lớp chuẩn trực nguồn đến việc xác định bề dày vật liệu nhôm a Sự thay đổi bề dày vật liệu sử dụng đầu dò gammabeta... Bề dày vật liệu nhỏ xác định 0.39 mm silic 0.10 mm nhơm Từ rút ngắn thời gian đo đạc mà độ xác bề dày vật liệu đảm bảo Bảng So sánh giá trị bề dày thực tế bề dày tính theo phương trình (6d) vật. .. beta vào bề dày vật liệu, cần phải khảo sát ảnh hưởng bề dày chuẩn trực nguồn beta khoảng cách từ nguồn beta đến đầu dò lên đường chuẩn bề dày vật liệu Bề dày chuẩn trực nguồn (vật liệu thường