Luận án tiến sĩ nghiên cứu xác định bề dày thép c45 bằng phương pháp gamma tán xạ sử dụng đầu dò nhấp nháy nai (TI)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HOÀNG ĐỨC TÂM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH BỀ DÀY THÉP C45 BẰNG PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ SỬ DỤNG ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP Hồ Chí Minh – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HOÀNG ĐỨC TÂM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH BỀ DÀY THÉP C45 BẰNG PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ SỬ DỤNG ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân Mã Số: 62 44 05 01 Phản biện 1: PGS.TS Đỗ Quang Bình Phản biện 2: TS Trần Văn Hùng Phản biện 3: TS Huỳnh Trúc Phương Phản biện độc lập 1: GS.TS Nguyễn Văn Đỗ Phản biện độc lập 2: PGS.TS Đỗ Quang Bình NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS CHÂU VĂN TẠO TP Hồ Chí Minh – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Tơi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS.TS Châu Văn Tạo Thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS Trần Thiện Thanh ThS Huỳnh Đình Chương giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất Thầy, Cô Bộ môn Vật lý hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM truyền thụ kiến thức tảng giúp tơi có kiến thức ban đầu để thực luận án Tôi xin cảm ơn thành viên nhóm nghiên cứu giúp đỡ tơi để luận án hồn thành thời gian sớm Tôi xin cảm ơn Thầy, Cô Khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm TP.HCM tạo điều kiện thuận lợi để tơi có nhiều thời gian dành cho việc nghiên cứu Tôi xin cảm ơn Phòng Đào tạo Sau đại học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên hỗ trợ thủ tục cần thiết trình thực đề tài nghiên cứu sinh Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình hỗ trợ động viên tơi tồn thời gian để tơi n tâm hồn thành khóa học LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tồn liệu luận án thân thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Châu Văn Tạo chưa công bố cơng trình mà tơi chưa tham gia Tác giả luận án Hoàng Đức Tâm i MỤC LỤC Danh mục chữ viết tắt iv Danh mục hình vẽ, đồ thị v Danh mục bảng viii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ GAMMA .12 1.1 Tán xạ Compton 12 1.1.1 Tổng quan tán xạ Compton 12 1.1.2 Hàm tán xạ không kết hợp 16 1.2 Tán xạ Thomson tán xạ Rayleigh 17 1.3 Tán xạ nhiều lần 20 1.3.1 Lý thuyết vận chuyển photon nghiên cứu tán xạ nhiều lần 20 1.3.2 Nhận xét 24 1.4 Kỹ thuật gamma tán xạ ngược 24 1.4.1 Cơ sở lý thuyết kỹ thuật gamma tán xạ ngược 24 1.4.2 Đường cong bão hòa vật liệu .28 1.4.3 Nhận xét 29 1.5 Kết luận chương 30 CHƯƠNG KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TÁN XẠ CỦA PHOTON TRÊN VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 31 2.1 Giới thiệu phương pháp Monte Carlo chương trình MCNP 31 2.2 Chương trình mơ MCNP 32 2.2.1 Cấu trúc chương trình MCNP5 32 2.2.2 Đánh giá phân bố độ cao xung - Tally F8 34 2.2.3 Đánh giá sai số 36 2.3 Khảo sát phụ thuộc cường độ tán xạ theo thể tích tán xạ 39 2.3.1 Phương pháp xác định thể tích vùng tán xạ 39 ii 2.3.3 Khảo sát phụ thuộc cường độ chùm tia tán xạ theo thể tích tán xạ .46 2.3.4 Nhận xét 51 2.4 Đánh giá việc xác định bề dày vật liệu sử dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược phương pháp Monte Carlo 51 2.4.1 Phổ tán xạ từ mô MCNP5 .51 2.4.2 Kết tính tốn bề dày vật liệu 54 2.4.3 Nhận xét khả áp dụng kỹ thuật gamma tán xạ sử dụng đầu dò NaI(Tl) 57 2.5 Kết luận chương 58 CHƯƠNG HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ DÙNG TRONG MÔ PHỎNG MONTE CARLO CỦA HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ 59 3.1 Hệ đo nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl) 59 3.1.1 Giới thiệu hệ đo 59 3.1.2 Hiệu suất tổng đầu dò NaI(Tl) 60 3.2 Đường chuẩn lượng đường cong phân giải lượng (FWHM) đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 62 3.2.1 Đường chuẩn lượng 62 3.2.2 Đường cong phân giải lượng FWHM 66 3.3 Hiệu chỉnh thông số dùng mô Monte Carlo đầu dò NaI(Tl) 67 3.3.1 Giới thiệu vấn đề cần nghiên cứu .67 3.3.2 Bố trí thực nghiệm 70 3.3.3 Mơ hình hóa đầu dị NaI(Tl) phương pháp Monte Carlo 71 3.3.4 Khảo sát đáp ứng phổ mô với phổ thực nghiệm .73 3.3.5 Hiệu suất đỉnh lượng toàn phần (FEPE) 74 3.4 Kết luận chương 77 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH BỀ DÀY VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ 79 4.1 Hệ đo tán xạ ngược 79 iii 4.1.1 Nguồn phóng xạ ống chuẩn trực nguồn .79 4.1.2 Khối đầu dò 81 4.1.3 Bia tán xạ 82 4.1.4 Bố trí thí nghiệm .82 4.2 Kỹ thuật xử lý phổ cải tiến 84 4.3 Áp dụng kỹ thuật xử lý phổ cải tiến để đánh giá đặc trưng phổ tán xạ 87 4.3.1 Dạng đáp ứng phổ từ mô MCNP5 GEANT4 87 4.3.2 Đỉnh tán xạ lần tán xạ hai lần .88 4.3.3 Nhận xét 91 4.4 Kết xác định bề dày vật liệu 91 4.4.1 Mô Monte Carlo phổ tán xạ MCNP5 91 4.4.2 So sánh dạng đáp ứng phổ tán xạ mô thực nghiệm 92 4.4.3 Kết xác định bề dày vật liệu mô thực nghiệm 95 4.4.4 Nhận xét 98 4.5 Kết luận chương 99 KẾT LUẬN 100 Hướng phát triển .103 Danh mục cơng trình cơng bố 104 Tài liệu tham khảo 108 Phụ lục A 120 Phụ lục B 121 Phụ lục C 123 Phụ lục D 126 Phụ lục E 130 iv Danh mục chữ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh FEP Đỉnh lượng toàn Full Energy Peak phần FEPE Hiệu suất đỉnh Full Energy Peak Efficiency lượng tồn phần FOM Thơng số đánh giá độ tin Figure Of Merit cậy phương pháp Monte Carlo FWHM Bề rộng nửa Full Width at Half Maximum GEANT Chương trình mơ GEometry ANd Tracking Monte Carlo GEANT GEB Nở rộng đỉnh theo phân Gaussian Energy Broadening bố Gauss HPGe Germanium siêu tinh High Purity Germanium khiết Monte Carlo MC MCA Bộ phân tích đa kênh Multi-Channel Analyser MCNP Chương trình mơ Monte Carlo N – Particle Monte Carlo MCNP NDT Kiểm tra không hủy thể Non-Destructive Testing RD Độ lệch tương đối Relative Deviation v Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Tán xạ Compton photon electron tự .12 Hình 1.2 Tiết diện tán xạ theo lượng [85] .14 Hình 1.3 Sự phân bố lượng electron bật tán xạ Compton [85] 15 Hình 1.4 Phổ tán xạ chùm photon lượng 59,54 keV bia đồng với góc tán xạ 120o [88] 18 Hình 1.5 Tiết diện tán xạ kết hợp không kết hợp photon lượng 662 keV tán xạ bia sắt – thành phần chủ yếu (chiếm 97%) vật liệu thép C45 [51] 19 Hình 1.6 Hình học a) tán xạ lần b) tán xạ hai lần 20 Hình 1.7 Dạng đặc trưng phổ tán xạ hai lần [27] 22 Hình 1.8 Phổ tán xạ lần, lần lần với vật liệu tán xạ ô-xi thu phương pháp Monte Carlo [27] 23 Hình 1.9 Phổ tán xạ lần, lần lần với bia tán xạ nhôm thu phương pháp Monte Carlo [27] 23 Hình 1.10 Phổ tán xạ lần, lần lần với bia tán xạ đồng thu phương pháp Monte Carlo [27] 24 Hình 1.11 Quá trình tán xạ photon bia .25 Hình 2.1 Phổ mơ MCNP có sử dụng không sử dụng hàm bề rộng nửa [66] 35 Hình 2.2 Minh họa khác độ lặp lại độ xác (a) Độ lặp lại tốt kết đo lệch hẳn khỏi giá trị thực (b) Độ xác thấp giá trị đo phân bố xung quanh giá trị thực Đường thẳng biểu diễn giá trị thực đại lượng cần đo [55] .36 Hình 2.3 Mặt cắt thể phần thể tích sở phần thể tích tán xạ 40 Hình 2.4 Biểu diễn hình học cho việc tính tốn thể tích sở 40 vi Hình 2.5 Lưu đồ thuật tốn tính phần thể tích sở sử dụng phương pháp Monte Carlo [14] 43 Hình 2.6 Thể tích sở a) nằm hồn toàn vật liệu b) phần nằm vật liệu .44 Hình 2.7 Bố trí thí nghiệm khảo sát cường độ tán xạ theo thể tích tán xạ .46 Hình 2.8 Bố trí thí nghiệm mơ Monte Carlo .48 Hình 2.9 Phổ tán xạ photon lượng 662 keV vật liệu thép C45 góc tán xạ 120o .48 Hình 2.10 Sự phụ thuộc diện tích đỉnh tán xạ vào thể tích tán xạ .50 Hình 2.11 Bố trí hệ đo tán xạ dùng mơ MCNP5 51 Hình 2.12 Phổ tán xạ 137Cs bia thép C45 có bề dày cm việc khớp đỉnh phổ chương trình Colegram 52 Hình 2.13 Kết diện tích đỉnh tán xạ theo bề dày vật liệu tính Colegram góc  khác 53 Hình 3.1 Đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) kích thước tinh thể 76 mm  76 mm .60 Hình 3.2 Phổ 137 Cs đo hệ đo nhấp nháy NaI(Tl) kích thước tinh thể 76 mm  76 mm .61 Hình 3.3 Bố trí nguồn đầu dị để xây dựng đường cong hiệu suất 64 Hình 3.4 Đường chuẩn lượng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) với MCA cài đặt chế độ 8192 kênh .66 Hình 3.5 Cấu trúc đầu dị NaI(Tl) 70 Hình 3.6 Hình học mơ đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) 71 Hình 3.7 So sánh phổ thực nghiệm mô số đồng vị phóng xạ .73 Hình 4.1 Cấu trúc bên nguồn phóng xạ 137Cs 79 Hình 4.2 Cấu trúc hộp chì chứa nguồn 80 Hình 4.3 Cấu trúc ống chuẩn trực nguồn chì 81 Hình 4.4 Cách lắp ráp chi tiết khối nguồn 81 Hình 4.5 Chi tiết khối đầu dò 81 Hình 4.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo bề dày vật liệu với góc tán xạ 120o 83 119 89 Yalcin S., Gurler O., Kaynak G., Gundogdu O (2007), “Calculation of total counting efficiency of a NaI(Tl) detector by hybrid Monte-Carlo method for point and disk sources”, Applied Radiation and Isotopes 65, 1179 – 1186 90 Yi C.-Y., Hah S.-H (2012), “Monte Carlo calculation of response functions to gamma-ray point sources for a spherical NaI(Tl) detector”, Applied Radiation and Isotopes 70, 2133 – 2136 91 European Steel and Alloy Grades/Number, Accessed Jun 2012, 92 Nucléide – Lara, Accessed Jun 2012, 93 Eckert & Ziegler – Industrial Sources, Accessed Dec 2013, 120 Phụ lục A So sánh dạng phổ thực nghiệm mơ đồng vị phóng xạ 10000 10000 137 Mn Thùc nghiƯm M« pháng 1000 Sè ®Õm/kªnh 1000 100 100 10 10 1 100 200 300 400 500 600 700 200 800 400 10000 65 Zn Thùc nghiƯm M« pháng 1000 100 10 200 600 800 Năng lượng (keV) Năng lượng (keV) Số đếm/kênh Số đếm/kênh 54 Cs Thực nghiệm Mô 400 600 800 1000 Năng lượng (keV) 1200 1400 1600 1000 1200 121 Phụ lục B Chương trình CalcTotEff tính tốn hiệu suất tổng viết ngơn ngữ lập trình Fortran Program EFFICIENCY_NaI_POINT_SOURCE Real*8 muy,R,H,TotEff Integer*8 N Parameter (Nd=10) Real*8 d(Nd) !E = 661.66 muy = 0.27124799 R = 3.8 N = 199821691 H = 7.6 Open(400,file='input.txt') Do j=1,Nd Read(400,*) d(j) Enddo Open(500,file='TotEff.txt') Do j=1,Nd Call CalcTotEff(muy,R,d(j),N,H, TotEff) write(500,*) d(j), TotEff Enddo Close(500) 122 Subroutine CalcTotEff(muy,R,d,N,H, TotEff) Real*8 muy,R,H,d, TotEff integer*8 N Real*8 theta1, theta2, S, TS, q, delta theta1=datan(R/(H+d)) theta2=datan(R/d) TS=0.d0 Do i=1,N CALL RANDOM_NUMBER (q) ! q = cos(theta) If (q=dcos(theta1)) then delta=H/q S=1-dexp(-muy*delta) TS=TS+S Else delta=R/dsqrt(1-q**2)-(d/q) S=1-dexp(-muy*delta) TS=TS+S Endif 100 Endif Enddo TotEff=TS/dble(2*N) End subroutine 123 Phụ lục C Chương trình CoFiv tính tốn thể tích tán xạ ngơn ngữ lập trình Fortran Integer*8 N,Nin Real*8 x, y, z, yphay, zphay, Zmin, Zmax, ZP, YP, V, l1, l2,error,e Real*8 z0, Z1, Z2, Z3, Z4, k1, k2, k3, tanalpha, tanbeta, theta,kc,d N = 1000000 Nin = V = 0.d0 z0 = 122.5d0 ! Khoang cach tu nguon den tam tan xa l1 = 122.5d0 ! Khoang cach tu nguon den tam tan xa l2 = 122.5d0 ! Khoang cach tam tan xa - detector pi=4.0*atan(1.0) a=1.27*pi/180.d0 kc=90.0d0 d=45.0d0 dk1=kc+d dk2=kc print*,dk1,dk2 tanalpha=tan(a) tanbeta=tanalpha open(10,file='test_d.dat') theta=90.0d0 theta=theta*pi/180.d0 124 ZP=l1+l2*cos(theta) YP=l2*sin(theta) Z1=(ZP*tan(theta+atan(tanbeta))-YP)/(tan(theta+atan(tanbeta))-tanalpha) Z2=(ZP*tan(theta+atan(tanbeta))-YP)/(tan(theta+atan(tanbeta))+tanalpha) Z3=(ZP*tan(theta-atan(tanbeta))-YP)/(tan(theta-atan(tanbeta))-tanalpha) Z4=(ZP*tan(theta-atan(tanbeta))-YP)/(tan(theta-atan(tanbeta))+tanalpha) print*,Z1,Z2,Z3,Z4 If (Z1>=Z2) then Zmax=Z1 Else Zmax = Z2 Endif If (Z3>=Z4) then Zmin=Z4 Else Zmin = Z3 Endif ! If (Zmax>=dk1) then Zmax=dk1 endif if (zmin