1. Sự tương tác và suy giảm của gamma khi đi qua môi trường vật chất
3.3.2. Khảo sát đặc trưng truyền qua, suy giảm của nguồn Se-75
Dựa trên kết quả mô phỏng các đặc trưng truyền qua của nguồn Se-75, Cs-137 và kết quả khảo sát phổ vi phân, tiến hành thí nghiệm kiểm tra các đặc trưng
truyền qua của nguồn Se-75 và nguồn Cs-137 với vật liệu che chắn là thép và nhựa như sau:
34
-Khoảng cách giữa nguồn và đầu dò: giống như thí nghiệm đo phổ vi phân: 5m với nguồn Se-75 và 2,5m với nguồn Cs-137;
-Vật liệu nặng (thép) có chiều dày từ 0-40mm, mỗi bước thay đổi 1mm; -Vật liệu nhẹ (nhựa) có chiều dày thay đổi từ 0 -10 mm, mỗi bước
thay đổi 4mm.
Hình 3.6. Mô hình thí nghiệm kiểm tra đặc trưng
truyền qua suy giảm của nguồn Se-75 Kết quả thí nghiệm:
Kết quả đo của từng đỉnh đối với sự thay đổi bề dày và độ thay đổi số đếm theo đơn vị bề dày theo đối với mỗi loại vật liệu được cho trong các bảng 3.1, 3.2 (phụ lục) và các đồ thị 3.7-3.10.
35
Hình 3.7. Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày nhựa
thay đổi trong thực nghiệm
Hình 3.8. Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày thép
36
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
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 Qua kết quả thực nghiệm ta thấy:
- Giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng có một số khác biệt: không đo được đỉnh 400 keV của nguồn Se-75, số đếm trên từng đỉnh thấp hơn
37
kết quả mô phỏng do hạn chế của thiết bị (thời gian chết của đầu dò NaI(Tl) khá lớn);
- Tuy nhiên dạng đường cong suy giảm và độ thay đổi số đếm trên một đơn vị bề dày cũng thể hiện khá giống với kết quả mô phỏng cho các đỉnh năng lượng còn lại.
- Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy độ thay đổi số đếm trên một đơn vị bề dày dI/dx của đỉnh tổng lớn hơn hẳn so với từng đỉnh năng lượng thành phần. Đối với vật liệu nặng (thép), độ thay đổi số đếm trên một đơn vị bề dày của đỉnh tổng của nguồn Se-75 tốt hơn so với nguồn Cs- 137 ở mức bề dày < 4cm.
Giới hạn độ nhạy phát hiện 1mm thép trong thực nghiệm:
Hình 3.11. Tỉ lệ độ thay đổi số đếm với sai số của phép đo
của đỉnh 661keV và số đếm tổng nguồn Se-75.
Đồ thị 3.11 thể hiện giới hạn chiều dày thép giới hạn cho khả năng phát hiện sự thay đổi 1mm thép che chắn, với nguồn Se-75, khi chiều dày lớp thép che chắn nhỏ hơn 3cm thì phép đo có thể phát hiện được sự thay đổi 1mm của lớp thép che chắn, sự thay đổi này không thể phát hiện được khi chiều dày lớp thép lớn hơn 3cm. Trong thực nghiệm đối với nguồn Cs-137, do số đếm ghi nhận được nhỏ (khoảng
38
5000 số đếm/6s) nên không thể phát hiện được sự thay đổi 1mm của lớp thép che chắn.
3.3.3. Khảo sát đóng cặn vật liệu nhẹ trong trƣờng hợp thép dày 1,5cm.
Mô hình thí nghiệm:
Cấu hình thực nghiệm kiểm tra giới hạn nhỏ nhất của đóng cặn mà phép đo với nguồn Se-75 có thể phát hiện được khi chiều dày thép là 1,5cm.
Vật liệu đóng cặn được lựa chọn là nhựa mica có chiều dày là 1,5 hay 2mm. Khoảng cách từ đầu dò tới nguồn:
Đối với nguồn Se-75 là 5m ; Đối với Cs-137 là 2,5m.
Hình 3.12 . Mô hình kiểm tra khả năng phát hiện đóng cặn nhựa
39 Kết quả thí nghiệm
Bảng 3.3. Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa mica) sau tấm thép dày 1,5cm.
Số đếm và hệ số khác biệt F tương ứng của tổng phổ Se-75, đỉnh 661 keV trong phép đo kiểm tra đóng cặn nhựa
Nhựa (mm) Số đếm tổng phổ Se-75 Hệ số khác biệt F (Se-75) Số đếm đỉnh 661 keV (Cs-137) Hệ số khác biệt F (đỉnh 661 keV) 0 48112 23920 1.5 46795 2,00 23703 0,33 2 46508 2,44 23333 0,89 3 46082 3,09 23057 1,31 4 45240 4,36 23140 1,19 5 44157 6,01 22779 1,73 6 44007 6,24 22924 1,51 7 43201 7,46 22506 2,15 8 42513 8,51 21950 2,99 9 41661 9,80 21963 2,97 10 41150 10,58 21523 3,64
Hình 3.13. Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa mica) sau tấm thép dày 1,5cm
Dựa vào bảng thể hiện giới hạn đóng cặn nhựa sau lớp thép có thể phát hiện được của số đếm tổng nguồn Se-75 và đỉnh 661 keV nguồn Cs-137 ta thấy với tấm nhựa mica có độ dày 1,5 mm thì nguồn Se-75 có thể phát hiện được, trong khi đó nguồn Cs-137 chỉ có thể phát hiện được đóng cặn khi lớp nhựa mica dày hơn 3 mm.
40
Trong giới hạn truyền qua suy giảm tốt của nguồn Se-75 thì độ nhạy phát hiện đóng cặn nhựa của Se-75 luôn cao hơn so với nguồn Se-137.
Kết quả khảo sát trên cho thấy trong phép đo gamma truyền qua kiểm tra ăn mòn đóng cặn, nguồn Se-75 có có độ nhạy tốt với cả vật liệu nặng và nhẹ, ưu điểm hơn nguồn Cs-137 khi chiều dày thép nhỏ, phù hợp cho ứng dụng đối với các đường ống công nhiệp.
3.3.4. Khảo sát nguồn Se-75 trên ống công nghiệp
Dựa vào các kết quả khảo sát đặc trưng truyền qua của nguồn Se-75 trong mô phỏng và thực nghiệm, tiến hành thí nghiệm khảo sát trên ống thép công nghiệp để kiểm tra khả năng phát hiện đối với một số trường hợp ăn mòn đóng cặn.
Dụng cụ thí nghiệm: Thiết bị soi ống cầm tay gồm:
- Buồng chứa nguồn đồng vị, có cửa sổ chuẩn trực hướng chùm gamma đến detector;
- Đầu dò NaI có cáp nối với hệ đo Ludlum-2200; - Giá đỡ giữ cho nguồn luôn hướng về đầu dò; - Tay cầm.
41 Mô hình thí nghiệm:
Ống thép công nghiệp đường kính ngoài 28cm, chiều dày của thành ống thép là 0,75cm. Trên ống thép bố trí một số ăn mòn đóng cặn như sau:
- 3 vị trí ăn mòn có kích thước khác nhau:
Vị trí 1: ăn mòn rãnh, dài 1,5 cm, rộng 3mm, sâu 3mm; ( hình 3.15) Vị trí 2: ăn mòn rãnh, dài 1cm, rộng 5mm, sâu 2mm; ( hình 3.16) Vị trí 3: ăn mòn điểm, rộng 9mm, sâu 5mm; ( hình 3.17)
- 3 vị trí đóng cặn nhựa, kích thước rộng và dài 8×10 cm, độ dày các vị trí là 0,4; 0,8 và 1,2 cm; ( hình 3.14)
- 4 vị trí đóng cặn parafin, kích thước vuông 6 cm, độ dày các vị trí là 0,8; 1,0; 1,3 và 1,6 cm; ( hình 3.14)
Khoảng cách từ nguồn tới đầu dò là 40 cm. Do hoạt độ nguồn lớn, khoảng cách từ nguồn tới đầu dò thấp, số đếm tới đầu dò qua lớn gây ra chết đầu dò, để tránh hiện tượng này cần giảm số đếm tới đầu dò bằng cách che chắn một lớp chì dày 0,7 cm giữa đầu dò và nguồn.
Các vật liệu đóng cặn, kích thước các ăn mòn được thể hiện trong các hình sau:
42
Hình 3.16. Vị trí ăn mòn số 1
43
Hình 3.18. Vị trí ăn mòn số 3
Các bước thí nghiệm:
Điều chỉnh hệ đo Ludlum-2200 và đầu dò ở chế độ đo toàn phổ cho nguồn Se-75;
Độ dịch chuyển mối bước hệ soi trên ống thép cần được lựa chọn phù hợp với cấu hình phép đo gamma truyền qua. Đối với đầu dò NaI(Tl) 44- 2 kích thước 1inch, để bao phủ hết phạm vi đo thì mỗi bước dịch chuyển phải không quá 1inch (2,5cm). Trên thực tế, khoảng cách mỗi bước thích hợp nhất là 2cm;
Thực hiện đo với ống thép khi chưa có ăn mòn đóng cặn, thu nhận các giá trị số đếm làm chuẩn. Sắp xếp vật liệu đóng cặn theo các vị trí định trước bên trong ống thép, dịch chuyển thiết bị scan từng bước 2cm để kiểm tra các khuyết tật.
Kết quả thí nghiệm
- Kết quả kiểm tra đóng cặn trên ống thép công nghiệp:
Số đếm ghi nhận được khi truyền qua ống thép không có ăn mòn đóng cặn được lấy giá trị trung bình Io =127203 số đếm
44
Hình 3.19. Số đếm từng vị trí trong phép đo đóng cặn nhựa, parafin trên ống thép
45
- Kết quả kiểm tra ăn mòn trên ống thép công nghiệp:
Hình 3.21. Số đếm tại từng vị trí trong phép đo ăn mòn trên đường ống
Hình 3.22. Hệ số khác biệt F tại từng vị trí trong phép đo ăn mòn đường ống
Kết quả đo khảo sát các khuyết tật trên đường ống với hệ đầu dò NaI(Tl) và nguồn Se-75 cho thấy tất cả các khuyết tật trong mô hình thí nghiệm đều được phát hiện rõ. Qua đó cho thấy khả năng phát triển một thiết bị soi gamma truyền qua dùng nguồn đa năng lượng Se-75 ứng dụng khảo sát đường ống công nghiệp là hoàn toàn có thể.
46
3.4. Nhận xét chƣơng 3
Trong chương 3, thực nghiệm đã kiểm tra lại được các dự đoán đặc trưng truyền qua của nguồn đa năng lượng đã được nêu trong chương 1 và các kết quả đã thu được nhờ mô phỏng trong chương 2. Qua một số thí nghiệm như trên, nguồn Se-75 vẫn thể hiện tốt các đặc trưng truyền qua, khả năng suy giảm, cho độ nhạy phát hiện cao với dải mật độ rộng hơn.
Với nguồn Se-75 hoạt độ 1,5 Ci, khoảng cách từ nguồn tới đầu dò là 5m, thời gian đo 6s, số đếm trung bình ghi nhận được khoảng 60000 số đếm thì có thể phát hiện được lớp nhựa 1,5mm đóng cặn sau tấm thép 1,5cm và có thể phát hiện được sự thay đổi 1mm thép khi chiều dày lớp thép che chắn nhỏ hơn 3cm.
Với thử nghiệm nguồn Se-75 cùng với thiết bị scan hiện có trên ống thép công nghiệp, tuy còn gặp một số khó khăn về mặt thiết bị nhưng cũng đã cho kết quả kiểm tra khá tốt với các ăn mòn đóng cặn giả định. Trong phần thí nghiệm này, tuy chưa kiểm tra được khả năng phát hiện của nguồn Cs-137 đối với các ăn mòn đóng cặn giả định trên ống công nghiệp nhưng qua các thí nghiệm còn lại cũng có thể thấy được nguồn đa năng lượng Se-75 có ưu điểm hơn trong cấu hình gamma truyền qua kiểm tra ăn mòn, đóng cặn trong các đường ống công nghiệp, khi mà chiều dày lớp thép che chắn không quá lớn.
47
KẾT LUẬN – HƢỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN
Qua các kết quả mô phỏng và thực nghiệm khảo sát đặc trưng truyền qua của nguồn đa năng lượng Se-75 ta thấy:
- Độ nhạy đối với vật liệu nhẹ cũng như khả năng xuyên sâu với các vật liệu nặng của đỉnh tổng của nguồn đa năng lượng tốt hơn so với các đỉnh thành phần, đúng theo lý luận trong lý thuyết;
- Nguồn Se-75 với nhiều mức năng lượng có thể phát hiện tốt với cả các loại vật liệu nặng và vật liệu nhẹ so với nguồn đơn năng lượng Cs-137 (với vật liệu nặng như thép thì trong giới hạn bề dày < 3cm đối với cấu hình trong phần thực nghiệm, khoảng cách từ nguồn tới đầu dò là 5m, thời gian đo 6s, là thời gian nhỏ nhất của hệ đơn kênh Ludlum);
- Tuy chưa thật sự tốt nhưng khả năng ghi nhận của hệ đầu dò tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) đối với nguồn Se-75 đủ đáp ứng cho mục đích khảo sát đường ống công nghiệp bằng phương pháp gamma truyền qua. Do điều kiện thí nghiệm thực tế có những khó khăn nhất định nên mô hình thí nghiệm khảo sát nguồn Se-75 thực tế có khác với cấu hình trong mô phỏng. Chính vì vậy các kết quả mô phỏng và thực nghiệm không thể so sánh tính chính xác với nhau. Tuy vậy kết quả mô phỏng và thực nghiệm đều cho kết quả tốt, tương quan về đặc trưng truyền qua của nguồn Se-75.
Với các kết quả trên, việc sử dụng nguồn đa năng lượng Se-75 trong một cấu hình gamma truyền qua, ứng dụng khảo sát ăn mòn đóng cặn trên các đường ống công nghiệp cho cho kết quả nhanh, chính xác, đáp ứng được nhu cầu thực tế, phù hợp với điều kiện Việt Nam là hoàn toàn có thể.
HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Qua kết quả nghiên cứu của khoá luận, thấy được các ưu điểm của nguồn đa năng lượng và khả năng ứng dụng của nó trong phương pháp đo khảo sát đường ống. Đó cũng là nền tảng để có thể tiếp tục nghiên cứu phát triển và chế tạo các
48
thiết bị soi gamma truyền qua nhằm phục vụ soi kiểm tra tình trạng đường ống công nghiệp trong các nhà máy, một yêu cầu hết sức cấp thiết hiện nay.
49
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1]. Cao Thị Vân Đểm (2010), “ Khảo sát, đánh giá thực trạng thiết bị xét nghiệm sinh hoá tại các cơ sở y tế các tuyến và đề xuất quy trình kiểm định, hiệu chuẩn thiết bị nhằm nâng cao độ tin cậy của kết quả xét nghiệm’’ Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài cấp bộ, viện trang thiết bị và công trình y tế, Bộ Y Tế. [2]. Trần Phong Dũng, Châu Văn Tạo, Nguyễn Hải Dương (2005), “ Phương pháp ghi bức xạ ion hoá”, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM.
[3]. Đinh Sỹ Hiền (2005), “ Điện tử hạt nhân, đầu dò bán dẫn và ứng dụng”, NXB Đại học Quốc gia Tp HCM.
[4]. Ngô Quang Huy (2006), “Cơ sở vật lý hạt nhân”, NXB Khoa học Kỹ thuật. [5]. Trương Thị Hồng Loan (2013),”Xử lý thống kê số liệu thực nghiệm hạt nhân”, Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM.
Tiếng Anh
[6]. Peter Hayward (2006), “Radiography of Welds Using Selenium-75, Ir-192, and X-ray”, Asia Pacific Conference on NDT, 5th-10th Nov 2006, Aucklland, New Zealand.
[7]. Glenn F. Knoll,” Radiation Detection and Measurement”, Third Edition, John Willey & Sons, Ins, 2000.
[8]. Sang Mook Kang, Chang-Ho Shin, Pham Nhu Viet Ha, Chang Il Choi, Jong Kyung Kim and Yong Kyun Kim (2010), “Comparison to Images from a Computed radiography System for Non-destructive Testing Using Selenium-75, Iridium-192, and X-ray”, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 59, No. 2, August 2011, 717∼720.
[9]. J.K. Shultis (2011),”An MCNP Primer”, Dept. of mechanical and nuclear Engineering, Kansas State university.
[10]. Parag walinjkar & Gursharan Sing (2011),” Dual energy gamma scanning technique to analyze condition of distillation columns”, Indian Journal of Pure & Applied Physics, Vol. 49, Octobber. 2011, 669-672
50
Trang Web
[11]. http://vi.wikipedia.org/wiki/Phân_phối_chuẩn [12]. http://laraweb.free.fr/
51
PHỤ LỤC
Bảng 2.2. Thành phần của các vật liệu che chắn dùng trong mô phỏng
Vật liệu Khối lượng riêng (g/cm3) Thành phần nguyên tố (%) Tỉ lệ khối lượng (%) Tỉ lệ mô phỏng (%) Nước 1 H 0,111898 0,112 O 0,888102 0,888 Nhựa bakelite 1,25 H 0,057444 0,057 C 0,774589 0,774 O 0,167968 0,167 Dầu thô 0,87 H 0,755-0,871 0,845 C 0,115-0,145 0,125 S 0,001-0,035 0,025 N và O 0,001-0,005 0,005 Thép C45 7,85 C 0,42~0,50 0,435 Si 0,17~0,37 0,225 S < 0,04 0,284 Mn 0,50~0,80 0,586 Ni 0,25 0,122 Cr 0,25 0,053 Mo < 0,02 0,017 V < 0,0005 0,00029 Cu 0,25 0,094 W < 0,0005 0,00029 Ti < 0,003 0,0015 Al < 0,05 0,039 Ce < 0,007 0,004 P < 0,035 0,020 Fe còn lại 98,369
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
Diện tích đỉnh phổ Se-75 và Cs-137 suy giảm qua thép Thép(mm) 121-136 keV 264-279 keV 400 keV Tổng phổ Se- 75 661 keV 1 99190 93140 6549 226951 57863 2 83530 85145 6124 202658 54669 3 70342 77837 5727 180965 51651 4 59236 71156 5355 161594 48800
52 5 49883 65048 5007 144297 46106 6 42008 59465 4682 128851 43561 7 35375 54360 4378 115058 41156 8 29790 49694 4094 102742 38884 9 25087 45429 3828 91745 36738 10 21126 41530 3580 81924 34710 11 17790 37965 3347 73155 32794 12 14982 34706 3130 65324 30983 13 12616 31727 2927 58332 29273 14 10624 29004 2737 52088 27657