nghiên cứu các đặc trưng truyền qua của gamma đa năng lượng trong ứng dụng khảo sát đường ống công nghiệp

Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của từng đỉnh năng lượng theo bề dày nhựa thay đổi trong mô phỏng MCNP .... Gamma đa năng lượng Đối với nguồn gamma đa năng lượng, sự tương tác, hấ

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập tại bộ môn Vật lý Hạt nhân-Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp.HCM và thời gian thực tập hoàn thành khoá luận tại Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân Trong Công nghiệp CANTI ( Centre for Applications of Nuclear Technique in Industry) là một khoảng thời gian quý giá Trong thời gian này tôi nhận được những bài học lý thuyết và trải nghiệm,

kỹ năng thực tế quý giá Đồng thời tôi nhận được sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình, những lời động viên, góp ý của các thầy cô trong bộ môn, các anh chị và gia đình mình Giờ đây, khi đã hoàn thành khoá luận tốt nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới:

Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp.HCM đã giảng dạy trong hai năm qua Những kiến thức thu nhận được qua từng bài giảng, từng môn học của các Thầy Cô là nền tảng để cho tôi có thể học tập, thực hiện khoá luận này tốt hơn

Cô Trương Thị Hồng Loan, cô giáo đã tận tình chỉ bảo nhiều kiến thức có tính định hướng về mô phỏng MCNP, giúp tôi làm quen, tiếp cận một công

cụ hữu ích trong thực hiện khoá luận

Ban Giám Đốc Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân trong Công nghiệp

đã chấp thuận, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực tập, làm khoá luận tốt nghiệp tại Trung Tâm

Anh Trần Thanh Minh và anh Mai Công Thành, hai anh luôn chỉ bảo tận tâm, định hướng và theo sát tôi trong khoá luận này, hai anh đã hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến giúp cho khoá luận hoàn thiện hơn

Các anh trong phòng Kỹ Thuật Hạt Nhân đã chia sẻ, chỉ bảo nhiều kiến thức, nhiệt tình giúp tôi trong suốt thời gian thực tập này

Lời cuối tôi xin gửi tới cha mẹ và các thành viên trong gia đình luôn tạo điều kiện tốt nhất, yêu thương, bên tôi trong khoảng thời gian này

Tp.HCM, 09/07/2014

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục chữ viết tắt iv

Danh mục hình vẽ-đồ thị v

Danh mục các bảng vii

Mở đầu 1

Chương 1 Cơ sở lý thuyết 3

1.1 Sự tương tác và suy giảm của gamma khi đi qua môi trường vật chất 3

1.1.1 Sự tương tác của gamma với môi trường vật chất 3

1.1.2 Sự suy giảm của chùm tia gamma khi truyền qua bề dày vật chất 5

1.1.2.1 Gamma đơn năng 5

1.1.2.2 Gamma đa năng lượng 5

1.2 Một số nguồn gamma đồng vị thường dùng trong công nghiệp 7

1.3 Một số loại đầu dò dùng trong công nghiệp 9

1.4 Nhận xét chương 1 11

Chương 2 Khảo sát đặc trưng truyền qua của nguồn Se-75 12

2.1 Giới thiệu phương pháp mô phỏng-chương trình MCNP 12

2.1.1 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo 12

2.1.2 Chương trình MCNP 13

2.2 Mô phỏng khảo sát đặc trưng truyền qua của nguồn Se-75 18

2.2.1 Cấu hình mô phỏng 19

2.2.2 Kết quả mô phỏng 20

2.2.3 Đánh giá giới hạn phát hiện ăn mòn 1mm thép 25

2.3 Mô phỏng khảo sát độ nhạy với một số đóng cặn vật liệu nhẹ 26

2.3.1 Cấu hình mô phỏng 26

2.3.2 Kết quả mô phỏng 27

2.4 Nhận xét chương 2 28

Chương 3 Thực nghiệm 30

3.1 Mục tiêu 30

3.2 Thiết bị 30

3.3 Các bước tiến hành 31

3.3.1 Khảo sát phổ vi phân Se-75 và khả năng ghi nhận của thiết bị 31

3.3.2 Khảo sát đặc trưng truyền qua, suy giảm của nguồn Se-75 33

3.3.3 Khảo sát đóng cặn vật liệu nhẹ trong trường hợp thép dày 1,5cm 37

3.3.4 Khảo sát nguồn Se-75 trên ống công nghiệp 40

3.4 Nhận xét chương 3 46

Kết luận-Hướng phát triển 47

Tài liệu tham khảo 49

Phụ lục 51

KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

MCNP Monte Carlo N Particles Chương trình mô phỏng MCNP FWHM Full Width at Half Maximum Chiều rộng một nửa đỉnh phổ

DANH MỤC HÌNH VẼ- ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tán xạ Compton 3 Hình 1.2 Hiệu ứng quang điện 4 Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp 4 Hình 1.4 Khả năng truyền qua của gamma ở

các mức năng lượng khác nhau 6

Hình 2.1 Hệ toạ độ Descartes 15 Hình 2.2 Mô hình gamma truyền qua 2D mô phỏng trên MCNP 20 Hình 2.3 Phổ nguồn Se-75 từ mô phỏng MCNP không có vật liệu che

chắnvẽ trên Genie 2k 20

Hình 2.4 Phổ nguồn Cs-137 từ mô phỏng MCNP

không có vật liệu che chắn vẽ trên Genie 2k 21

Hình 2.5 Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày nhựa thay đổi

trong mô phỏng MCNP 22

Hình 2.6 Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày thép thay đổi trong

mô phỏng MCNP 22

Hình 2.7 Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của từng đỉnh năng

lượng theo bề dày nhựa thay đổi trong mô phỏng MCNP 24

Hình 2.8 Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của từng đỉnh năng lượng

theo bề dày thép thay đổi trong mô phỏng MCNP 24

Hình 2.9 Tỉ lệ độ thay đổi số đếm với sai số của phép đo 26 Hình 2.10 Mô hình mô phỏng đóng cặn nhựa trên MCNP 27 Hình 2.11 Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa bakelit)

sau tấm thép dày 1,5cm 28

Hình 3.1 Hệ máy đo đơn kênh Ludlum 2200-detector NaI(Tl) 1inch 30 Hình 3.2 Máy đo liều Ludlum 2401-EC2A 31 Hình 3.3 Mô hình thí nghiệm đo khảo sát phổ vi phân nguồn Se-75, Cs-137 32

Hình 3.4 Phổ vi phân nguồn Se-75 đo tại khoảng cách 5m 32

Hình 3.5 Phổ vi phân nguồn Cs-137 đo tại khoảng cách 2,5m 33

Hình 3.6 Mô hình thí nghiệm kiểm tra đặc trưng 34

Hình 3.7 Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày nhựa thay đổi trong thực nghiệm 35

Hình 3.8 Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày thép thay đổi trong thực nghiệm 35

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 36 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 36

Hình 3.11 Tỉ lệ độ thay đổi số đếm với sai số của phép đo 37

Hình 3.12 Mô hình kiểm tra khả năng phát hiện đóng cặn nhựa 38

Hình 3.13 Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa mica) sau tấm thép dày 1,5cm 39

Hình 3.14 Dụng cụ scan đường ống công nghiệp 40

Hình 3.15 mô hình vị trí đóng cặn trong đường ống 41

Hình 3.16 Vị trí ăn mòn số 1 42

Hình 3.17 Vị trí ăn mòn số 2 42

Hình 3.18 Vị trí ăn mòn số 3 43

Hình 3.19 Số đếm từng vị trí trong phép đo đóng cặn nhựa, parafin trên ống thép 44

Hình 3.20 Hệ số khác biệt F từng vị trí trong phép đo đóng cặn trong đường ống 44

Hình 3.21 Số đếm tại từng vị trí trong phép đo ăn mòn trên đường ống 45

Hình 3.22 Hệ số khác biệt F tại từng vị trí trong phép đo ăn mòn đường ống 45

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Một số nguồn gamma đồng vị thường dùng trong công nghiệp 8

Bảng 1.2 Thông tin về năng lượng và xác suất phát của nguồn Se-75 8

Bảng 1.3 Chiều dày hấp thụ một nửa của một số vật liệu đối với nguồn Se-75 8

Bảng 1.4 Liều chiếu của nguồn Se-75 ở khoảng cách 1 m 9

Bảng 1.5 Một số tính chất cơ bản của tinh thể nhấp nháy vô cơ 11

Bảng 2.1 Các thẻ tally 16

Bảng 2.2 Thành phần của các vật liệu che chắn dùng trong mô phỏng 51

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 51

Bảng 2.4 Diện tích đỉnh phổ nguồn Se-75 và Cs-137 trong mô phỏng khi truyền qua lớp nhựa có chiều dày khác nhau 53

Bảng 2.5 Giới hạn độ dày thép che chắn ứng với độ nhạy phát hiện 1mm thép trong mô phỏng 54

Bảng 2.6 Kết quả mô phỏng giới hạn phát hiện đóng cặn nhựa sau lớp thép 1,5 cm 27

Bảng 3.1 Số đếm của các đỉnh nguồn Se-75 và Cs-137 trong thực nghiệm khi truyền qua thép 55

Bảng 3.2 Số đếm của các đỉnh nguồn Se-75 và Cs-137 trong thực nghiệm khi truyền qua nhựa 57

Bảng 3.3 Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa mica) sau tấm thép dày 1,5cm 39

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của công nghiệp thì việc kiểm tra đánh giá mực độ ăn mòn, đóng cặn bên trong hệ thống đường ống trong các nhà máy có nhu cầu ngày càng nhiều, được đặt lên hàng đầu mang tính cấp thiết nhằm đảm bảo ổn định sản xuất, an toàn cho người, môi trường và thiết bị

Hiện nay trên thế giới đã phát triển các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy như siêu âm, siêu âm trên dải rộng, chụp ảnh phóng xạ, kiểm tra dòng điện xoáy… có thể ứng dụng để kiểm tra, đánh giá tìm kiếm khuyết tật bên trong đối tượng đường ống, bình chứa…nhằm cung cấp thông tin cho kỹ sư của nhà máy có phương án khắc phục các hư hỏng Trong đó mỗi kỹ thuật có những ưu điểm khác nhau: siêu

âm trên dải rộng LRUT (Long Range Ultrasonic Testing ) và kiểm tra dòng điện xoáy ECT (Eddy Current Testing) có ưu điểm kiểm tra trên diện rộng ; chụp ảnh phóng xạ , siêu âm, gamma truyền qua có ưu điểm trong phép kiểm tra cục bộ, trong một dải hẹp cho độ phân giải cao

Kỹ thuật đo gamma truyền qua dò tìm đóng cặn, ăn mòn bên trong đường ống

đã được phát triển từ những năm 1970 và tại Việt Nam cũng đã ứng dụng trong các nhà máy lọc dầu, chế biến khí nhằm đánh giá mực độ đóng cặn, tình trạng lớp cách nhiệt bên trong các thiết bị Tuy nhiên, cấu hình thiết bị còn khá đơn giản, chỉ gồm một nguồn và một đầu dò, độ phân giải mật độ không cao do năng lượng gamma lớn, số liệu ghi nhận và xử lý bằng tay nên chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế Trên thế giới đã có những công ty thương mại đã phát triển thiết bị đo kiểm tra khuyết tật bên trong đường ống bằng phương pháp gamma truyền qua, có khả năng hiển thị kết quả ngay tại hiện trường, với tốc độ kiểm tra khá nhanh và chính xác nhờ vào việc ứng dụng kỹ thuật điện tử nhanh và nguồn phóng xạ gamma năng lượng thấp Tuy vậy, giá thành thiết bị còn cao, thời gian bán rã của nguồn bức xạ ngắn làm cho việc ứng dụng vào điều kiện Việt Nam chưa thật sự thích hợp Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo ra một hệ đo gamma truyền qua phục vụ kiểm tra tình trạng đường ống đáp ứng nhu cầu thực tế ở Việt Nam là một yêu cầu cấp thiết

Để nghiên cứu chế tạo một thiết bị như trên, việc khảo sát đánh giá các đặc trưng truyền qua của nguồn gamma đa năng lượng, năng lượng thấp nhằm đánh giá khả năng phân giải mật độ từ đó đánh giá khả năng áp dụng để khảo sát tình trạng bất thường bên trong đường ống là bước đầu cần thực hiện, đó cũng là mục tiêu của khoá luận này Với mục tiêu trên, khoá luận được thiết kế nghiên cứu các nội dung sau:

Chương 1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất, đánh giá các đặc trưng

truyền qua của nguồn đơn năng lượng và nguồn đa năng lượng Giới thiệu đầu dò

và một số nguồn đồng vị thường dùng trong công công nghiệp và nguồn gamma đa năng lượng, đầu dò phù hợp ghi nhận bức xạ nguồn gamma đa năng lượng được khảo sát trong khoá luận

Chương 2 Giới thiệu về chương trình mô phỏng MCNP, ứng dụng mô phỏng

cho bài toán khảo sát đặc trưng truyền qua của nguồn Se-75, xác định một số độ nhạy phát hiện ăn mòn, đóng cặn của nguồn Se-75 trong một số cấu hình giả định

Chương 3 Thực nghiệm khảo sát tính chất truyền qua của nguồn gamma đa

năng lượng Se-75 và Cs-137 trên một số vật liệu, so sánh với kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sự tương tác và suy giảm của gamma khi đi qua môi trường vật chất

1.1.1 Sự tương tác của gamma với môi trường vật chất

Bức xạ gamma có tính xuyên sâu cao đối với vật chất, có khả năng tương tác với hạt nhân, electron và nguyên tử thông qua 3 quá trình cơ bản sau: tán xạ Compton (Compton Scattering), hiệu ứng quang điện (Photoelectric Effect) và hiệu ứng tạo cặp (Pair Production), cụ thể như sau:

- Tán xạ Compton hay còn gọi là tán xạ rời rạc (Incoherent Scattering) là

quá trình tương tác của gamma với electron tự do trong đó gamma truyền một phần năng lượng cho electron tự do và lệch đi so với quỹ đạo ban đầu

- Hiệu ứng quang điện là quá trình năng lượng của gamma tới bị electron

hấp thụ hoàn toàn và electron bức ra khỏi nguyên tử trở thành electron quang điện

Hình 1.2 Hiệu ứng quang điện

Tiết diện của hiệu ứng quang điện chủ yếu phụ thuộc vào năng lượng tới của tia gamma và điện tích Z của hạt nhân bia Hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế ở vùng năng lượng thấp và chất hấp thụ có Z lớn Tiết diện phản ứng tỉ lệ với Z như sau:

ph ~ Z

n

- Hiệu ứng tạo cặp là quá trình tương tác trong đó bức xạ gamma biến mất

trong môi trường vật chất sinh ra một cặp electron - positron và nhân giật lùi Điều kiện của quá trình tạo cặp là năng lượng của tia gamma tới phải có năng đủ lớn (hv0 ≥ 1,022 MeV) Hiệu ứng này chiếm ưu thế ở vùng gamma năng lượng cao

Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp

Tiết diện phản ứng p của hiệu ứng tạo cặp tăng với Z và năng lượng của tia gamma tới tăng

Khi đó tiết diện tổng cộng của quá trình tương tác quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp trong môi trường vật chất là:

µ còn được hiểu như là hệ số hấp thụ tuyến tính trong quá trình bức xạ gamma truyền qua bề dày vật chất và có đơn vị cm-1 [4],[7]

1.1.2 Sự suy giảm của chùm tia gamma khi truyền qua bề dày vật chất

1.1.2.1 Gamma đơn năng

Khi một chùm tia gamma đơn năng hẹp cường độ I0 (được chuẩn trực) xuyên qua một bề dày chất hấp thụ x (cm) thì cường độ I (ghi nhận được tại detector) sẽ suy giảm theo hàm mũ như công thức sau:

-μx 0

I=I e

(1.5)Khi bề dày vật liệu thay đổi, cường độ chùm bức xạ cũng thay đổi và được tính như sau:

-μx 0

dI

=μI e

1.1.2.2 Gamma đa năng lượng

Đối với nguồn gamma đa năng lượng, sự tương tác, hấp thụ và suy giảm được thể hiện trên nhiều đỉnh năng lượng và nhiều vật liệu truyền qua khác nhau:

- Ở mức năng lượng thấp, khả năng truyền qua của gamma kém nhưng lại suy giảm nhanh qua các vật liệu che chắn, kể cả các vật liệu che chắn có số nguyên tử Z nhỏ Vì vậy gamma năng lượng thấp thể hiện độ nhạy cao hơn năng lượng cao trong phép kiểm tra với các vật liệu nhẹ

- Ở mức năng lượng cao, khả năng xuyên sâu của gamma tốt đối với hầu hết các vật liệu, sự suy giảm chỉ thể hiện rõ khi truyền qua các vật liệu nặng, chiều dày lớn

Trong phép đo gamma truyền qua, nguồn đa năng lượng thể hiện ưu điểm trên cả dải năng lượng từ thấp tới cao, độ nhạy tốt hơn với các vật liệu nhẹ do sự suy giảm của các đỉnh năng lượng thấp và khả năng xuyên sâu hơn nhờ vào các đỉnh năng lượng cao

Chính vì vậy nguồn đa năng lượng có thể cho khả năng phân giải mật độ tốt, trên dải mật độ rộng hơn so với một đỉnh năng lượng nhất định

Hình 1.4 Khả năng truyền qua của gamma ở các mức năng lượng khác nhau

Xét trường hợp chùm tia gamma gồm nhiều đỉnh năng lượng khác nhau, cường

độ của mỗi đỉnh năng lượng sau khi đi qua vật liệu có bề dày x suy giảm theo:

1 1

2 2

3 3

i i

Tương tự như đối với gamma đơn năng lượng, ta tính được sự thay đổi của cường độ chùm gamma đa năng khi bề dày vật liệu thay đổi:

i i

dx của nguồn đa năng lượng có các ưu điểm sau:

-Lớn hơn độ thay đổi của từng đỉnh đơn năng;

-Đối với vật liệu nhẹ, nhờ sự suy giảm nhanh của các đỉnh năng lượng thấp nên khả năng phát hiện tốt;

-Đối với vật liệu nặng, nhờ sự xuyên sâu tốt của các đỉnh năng lượng cao nên khả năng đo được cũng được gia tăng

Nhờ các ưu điểm trên, nguồn đa năng lượng được ứng dụng tốt trong phép

đo gamma truyền cho các đường ống trong công nghiệp [4],[6],[8],[10]

1.2 Một số nguồn gamma đồng vị thường dùng trong công nghiệp

Nguồn phát gamma trong công nghiệp bao gồm máy phát tia X, nguồn đồng

vị và máy gia tốc Tuy nhiên việc ứng dụng khảo sát trên hiện trường đồi hỏi tính tiện lợi về kích thước, khả năng vận chuyển cũng như thao tác dễ dàng thì chỉ có nguồn đồng vị phát gamma là có thể đáp ứng được Một số nguồn đồng vị phát gamma được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là: Caesium (Cs-137), Cobalt (Co-60), Iridium (Ir-192), Gadolinum (Gd-153), Ytterbium (Yb-169) và Selenium (Se-75)

Trong đó các nguồn Co-60 và Cs-137 là 2 loại nguồn được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp cũng như trong các phòng thí nghiệm do thời gian bán rã lâu, tuy nhiên năng lượng gamma của 2 đồng vị này khá cao, do đó độ nhạy trong các phép đo không được tốt

Hiện nay, các đồng vị phát gamma năng lượng thấp như Gd-153, Ir-192, Yb-169 và Se-75 đã được ứng dụng khá phổ biến trong các phương pháp chụp ảnh phóng xạ, đo gamma truyền qua trên hiện trường Các đồng vị này phát nhiều

đỉnh gamma trong vùng năng lượng từ vài keV đến vài trăm keV (theo bảng 1.1), nhờ đó cho kết quả tốt hơn so với đồng vị Co-60 và Cs-137 [12],[13]

Bảng 1.1 Một số nguồn gamma đồng vị thường dùng trong công nghiệp

Trong các đồng vị phát gamma năng lượng thấp thì Se-75 có khoảng năng lượng

từ 66-401 keV rất phù hợp cho việc khảo sát các đối tượng vật liệu trong công nghiệp từ vật liệu nhẹ như dầu, nhựa; các vật liệu trung bình như nhôm, bê tông cho đến các vật liệu nặng như sắt thép… đồng thời chu kỳ bán rã của đồng vị Se-75 cũng khá dài (120 ngày), do đó hiện nay nguồn Se-75 được ứng dụng khá phổ biến trên hiện trường trong các kỹ thuật như chụp ảnh phóng xạ hay soi gamma truyền qua Một số đặc trưng cơ bản của nguồn Se-75 được trình bày trong các bảng sau:

Bảng 1.2 Thông tin về năng lượng và xác suất phát của nguồn Se-75

Xác suất phát (%) 3,41 17,15 58,15 59,00 25,00 11,50

Bảng 1.3 Chiều dày hấp thụ một nửa của một số vật liệu đối với nguồn Se-75

Vật liệu Nhôm(Al) Thép Chì Tungsten Bê tông

Bảng 1.4 Liều chiếu của nguồn Se-75 ở khoảng cách 1 m

Năng lượng nguồn Se-75 Liều chiếu 1m

(R/h/Ci)

Liều chiếu 1 m (mSv/h/GBq)

1.3 Một số loại đầu dò dùng trong công nghiệp

Các loại đầu dò ghi nhận bức xạ gamma bao gồm: ống đếm tỉ lệ, buồng ion hóa, geiger muller, nhấp nháy và bán dẫn Trong đó các loại đầu dò nhấp nháy tinh thể được ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp do các ưu điểm về kích thước nhỏ gọn, độ nhạy, độ bền cao

Một số loại đầu dò tinh thể nhấp nháy được ứng dụng phổ biến nhất hiện nay như: NaI(Tl), CsI(Tl), CsI(Na), BGO, CdWO4 Mỗi loại tinh thể đều có các đặc tính và khả năng ứng dụng riêng như sau: [2],[3]

 Tinh thể NaI(Tl)

 Tinh thể NaI(Tl) được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng phát sáng cao, hiệu suất cao, có khả năng ghi đo các bức xạ gamma năng lượng thấp tốt (vài keV đến vài trăm keV)

 Thời gian nháy sáng của tinh thể NaI(Tl) là khá dài: 250ns, góp phần làm cho thời gian chết của các hệ đo dùng tinh thể này lớn, không thể ghi đo gamma cường độ cao

 Ngoài ra tinh thể NaI(Tl) còn có ưu điểm là dễ dàng gia công chế tạo Do

đó nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, chủ yếu để ghi đo gamma năng lượng không quá cao

 Tinh thể CsI(Tl) và CsI(Na)

 So với tinh thể NaI(Tl), tinh thể CsI(Tl) và CsI(Na) có hiệu suất phát sáng tương đối cao Khả năng ghi nhận các bức xạ gamma năng lượng thấp tốt

 Tuy nhiên thời gian nháy sáng của các loại tinh thể CsI là rất dài (1000

ns với CsI(Tl) và 630 ns với tinh thể CsI(Na), do đó chỉ có thể dùng để ghi đo gamma với cường độ khá thấp

 Các loại tinh thể CsI dễ dàng thiết kế và chế tạo, đặc biệt với bước sóng phát ra phù hợp cho việc ghép nối với pin photodiode, các loại tinh thể CsI rất thích hợp để thiết kế chế tạo các loại đầu dò nhỏ gọn, không cần nguồn nuôi cao, có khả năng ứng dụng rất cao trong một số trường hợp đặc biệt trên hiện trường

 Tinh thể BGO

 Có hiệu suất phát sáng thấp hơn so với tinh thể NaI(Tl) và các loại tinh thể CsI, do đó khả năng ghi nhận các gamma năng lượng thấp không được tốt

 Thời gian nháy sáng trung bình (300 ns)

 Mật độ tinh thể lớn (7,13 g/cm3) nên khả năng bắt và ghi nhận các gamma năng lượng cao là rất tốt Tinh thể BGO thường được ứng dụng trong các loại đầu dò ghi đo gamma năng lượng cao

Ngoài ra còn có các dạng tinh thể mới được ứng dụng để ghi đo cho các mục đích đặc thù như CdWO4 để ghi đo tia X, LYSO để ghi đo gamma thông lượng cao Một số tính chất cơ bản của các tinh thế nhấp nháy thường dùng được tổng hợp trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Một số tính chất cơ bản của tinh thể nhấp nháy vô cơ

Tinh thể

Tỉ lệ phát sáng (p/keV)

Ánh sáng đầu ra (%)/ kết hợp PMT

Thời gian phát sáng (ns)

Bước sóng tối đa (nm)

Chiết suất

Mật độ (g/cm3)

Bề dày suy giảm một nửa (cm,661 keV)

1.4 Nhận xét chương 1

Trong chương 1 đã trình bày sự tương tác và suy giảm của bức xạ gamma với vật chất, dự đoán được một số ưu điểm, khả năng ứng dụng tốt hơn của nguồn gamma đa năng lượng so với những nguồn đơn năng lượng Với những ưu điểm hơn của nguồn đa năng lượng Se-75 so với các nguồn đa năng lượng khác được tìm hiểu trong chương 1 và sự phù hợp của tinh thể NaI(Tl) cho mục đích khảo sát nguồn Se-75 nên nên nguồn Se-75 và tinh thể NaI(Tl) đã được lựa chọn để khảo sát trong khoá luận này

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG TRUYỀN QUA

CỦA NGUỒN Se-75 2.1 Giới thiệu phương pháp mô phỏng-chương trình MCNP

2.1.1 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Mô phỏng là sự kết hợp giữa máy tính và các quy luật toán học, vật lý, dựa trên phép tính định lượng khi tương đối hoá các tham số để giải quyết các bài toán nghiên cứu kết cấu hay các quá trình, thực hiện tính toán hay dựng lên các mô hình thí nghiệm

Mô phỏng có một vai trò khá quan trọng trong thực tế, nó không chỉ giúp các nhà khoa học kiểm tra lại kết quả thí nghiệm mà còn giúp họ đưa ra những dự đoán cho thí nghiệm Mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí, tối ưu hoá cho các bài toán hay thí nghiệm có khả năng ứng dụng thực tế cao

Để mô phỏng cần trải qua nhiều giai đoạn như:

 Xác định vấn đề hay hệ thống cần mô phỏng

 Xác định mô hình mô phỏng và các thông số của mô hình

 Chạy mô phỏng và phân tích kết quả

 Kiểm tra tính chính xác của kết quả so với thực tế và khả năng ứng dụng thực tế của bài toán

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo là phương pháp giải số, có thể áp dụng cho việc mô phỏng sự tương tác giữa các giữa các vật thể hay giữa vật thể với môi trường nhờ lý thuyết cơ học và động lực học, dựa theo yêu cầu của bài toán cần mô phỏng

Ưu điểm của phương pháp mô phỏng Monte Carlo là giải bài toán bằng phương pháp số thông qua việc lặp lại các phép tính đơn giản với giá trị biến ngẫu nhiên ban đầu rất nhiều lần, kết quả tính toán càng chính xác khi quá trình lặp lại càng nhiều, do đó nó rất thích hợp khi ứng dụng trên máy tính

Ngày nay, phương pháp Monte Carlo được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như thống kê, lượng tử, mô phỏng cấu trúc vật liệu…Đặc biệt được sử dụng

nhiều trong nghiên cứu sự vận chuyển bức xạ, tính toán và thiết kế lò phản ứng thông qua chương trình mô phỏng MCNP được phát triển bởi phòng thí nghiệm Los Alamos.[9]

2.1.2 Chương trình MCNP

MCNP (Monte Carlo N Particles) là một chương trình máy tính ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng quá trình vận chuyển của các hạt nơtron, photon và electron riêng biệt, hoặc kết hợp sự vận chuyển của nơtron/photon, (trong

đó các photon được tạo ra bởi tương tác của nơtron với vật liệu) nơtron/photon/electron, photon/electron, electron/photon trong những môi trường vật liệu khác nhau Trong một số phiên bản mới như MCNPX hay MCNP6 còn hỗ trợ mô phỏng cho các ion nặng

Quá trình mô phỏng bài toán hạt nhân trên MCNP bao gồm các bước:

- Tạo file input chứa tất cả các thông tin của cấu hình mô phỏng bao gồm: cấu trúc hình học, các tính chất vật lý cũng như hạt nhân của các thành phần trong cấu hình, yêu cầu tính toán cho bài toán vật lý hạt nhân…;

- Chạy chương trình;

- Đọc và xử lý kết quả trong file output

Trong đó quan trọng nhất là bước tạo file input cho bài toán mô phỏng 2.1.2.1.Cấu trúc file input

Để tiến hành một bài toán mô phỏng cần có một tệp đầu vào cho chương trình bao gồm 3 phần chính: định nghĩa ô, định nghĩa mặt và định nghĩa dữ liệu Cấu trúc của một tệp đầu vào như sau:

TITLE CARDS (Thẻ tiêu đề) CELL CARDS (định nghĩa các ô mạng) [dòng trống phân cách]

SURFACE CARDS (định nghĩa các mặt) [dòng trống phân cách]

DATA CARDS (Thẻ dữ liệu: vật liệu, nguồn, tally…) [dòng trống phân cách]

 Cell card

Mô tả ô (cell): ô trong MCNP được quy định là một vùng không gian được hình thành bởi các mặt biên, được hình thành bởi các vùng không gian phân chia bởi các mặt thông qua toán tử giao (khoảng trắng), hội (:) hay bù (#) Khi định nghĩa một ô cần chắc chắn rằng ô đó được bao kín bởi các mặt nếu không sẽ bị lỗi

Geom là phần mô tả hình học của ô, được giới hạn của các mặt

Params là các tham số tuỳ chọn của ô

nếu không gian chỉ có một mặt thì mặt này sẽ chia không gian thành hai phần

riêng biệt Giả sử một điểm I(x,y,z) thoả mãn điều kiện I=f(x,y,z), Khi đó I nằm trên mặt phẳng đó Nếu I âm thì nó ở bên trong mặt và được gán dấu âm, Nếu I

dương thì nằm ngoài mặt và được gán dấu dương

Quy ước về chiều của mặt có thể được xác định một cách đơn giản hơn, trong

hệ toạ độ Descartes, các trục toạ độ x, y, z có hướng như hình dưới, nếu có một mặt bất kỳ thì dấu của mặt đó là:

Vùng phía trên mặt này mang dấu “+”,bên trái mang dấu âm “-”

Vùng bên ngoài mang dấu “+”,vùng bên ngoài mang dấu “-”

Vùng phía trước mang dấu “+”,vùng phía sau mang dấu “-”

phần này dùng để mô tả các loại nguồn phóng xạ, bao gồm một số loại nguồn

như nguồn tổng quát (SDEF), nguồn mặt (SSR/SSW), nguồn tới hạn (KCODE), nguồn điểm (KSRC) Các thông số của nguồn bao gồm năng lượng bức xạ, loại hạt,

trọng số, vị trí, thời gian phát…

cấu trúc của một nguồn tổng quát bao gồm:

SDEF CEL POS ERG WGT TME PAR DIR

SDEF : loại nguồn

CEL : chỉ số ô có chứa nguồn

POS : vị trí của nguồn

ERG : năng lượng tính băng MeV (mặc định 14 MeV)

WGT : trọng số của nguồn (mặc định là 1)

TME : thời gian phát

PAR : loại hạt (n, n p, n p e, p e và e)

Tally là phương thức tính toán được MCNP cung cấp để thu được các kết quả ghi nhận của các hạt truyền qua môi trường vật chất Tuỳ vào mục đích tính toán

khác nhau mà ta có thể lựa chọn tally tương ứng

Chương trình MCNP cung cấp 7 tally chuẩn cho neutron, 6 tally chuẩn cho photon và 4 tally chuẩn cho electron, tất cả đều được chuẩn hoá trên một hạt phát

ra, trừ một số trường hợp với nguồn tới hạn Các tally được dùng để đánh giá về dòng hạt, thông lượng, năng lượng để lại…

2.1.2.2 Đo phổ gamma của nguồn đồng vị bằng tally F8 trong MCNP

Đánh giá F8 hay còn gọi là đánh giá độ cao xung có chức năng cung cấp các

phân bố năng lượng của bức xạ (photon, electron) bị mất mát trong một ô được chỉ

rõ Mỗi hạt bức xạ khi tương tác bên trong thể tích của ô sẽ được ghi nhận ứng với năng lượng mà nó để lại Tally F8 có thể được sử dụng để mô phỏng phổ năng lượng mà các hạt bức xạ bỏ lại do tương tác với đầu dò vật lý trong thực nghiệm Các đỉnh năng lượng trong đánh giá F8 tương ứng với sự ghi nhận năng lượng toàn phần của các hạt bức xạ mất đi trong đầu dò vật lý

Vì vậy để khảo sát đặc trưng truyền qua của một nguồn đa năng lượng trên từng đỉnh năng lượng hay toàn phổ có thể sử dụng tally F8 trong mô phỏng MCNP

Cách khai báo chi tiết về tally F8 trong MCNP:

- Khai báo loại loại tally được sử dụng theo cú pháp

Fn:pl S 1 … S k Trong đó: n chỉ số tally;

Pl là loại hạt cần ghi nhận : n ứng với neutron, p ứng với

photon;

S i là chỉ số cell hoặc mặt cần khai báo

- Khai báo, chia kênh năng lượng trong phổ theo cú pháp

En E1 ∆E Ai E k Trong đó: n là chỉ số của tally

E1 là giá trị năng lượng của kênh đầu tiên

∆E là độ rộng năng lượng của một kênh

Ek là giá trị cuối của kênh năng lượng

- Khai báo hiệu chỉnh cho tally theo cú pháp

FTn ID 1 P 1,1 P 1,2 P 1.3… ID2 P 2,1 P 2,2 P 2.3…

Trong đó: n là chỉ số tally

ID i là từ khoá

P i,j là các tham số đi kèm

- Ngoài ra trên thực nghiệm, các đỉnh năng lượng toàn phần của phổ gamma thu nhận được có dạng đỉnh Gauss sẽ bị giãn nở do hiệu ứng như nhiễu điện tử nên trong quá trình mô phỏng cần khai báo hiệu chỉnh độ rộng

năng lượng cho tally F8 Độ phân giải đỉnh năng lượng được tính theo công thức :

2

Với a, b, c được xác định bằng thực nghiệm

- Độ phân giải đỉnh năng lượng trong mô phỏng được hiệu chỉnh theo cú pháp:

FT8 GEB a b c

Tally F8 cho kết quả là phân bố xung hạt nhân theo năng lượng Phổ năng lượng có thể xử lý trên excel hoặc phần mềm xử lý phổ Gennie-2k Qua đó có thể tính được diện tích đỉnh của mỗi năng lượng hay của cả phổ nguồn bức xạ bằng cách lấy giá trị kết quả mô phỏng nhân với hoạt độ nguồn (phân rã/giây)

2.1.2.3 File output

Các kết quả sau khi chạy chương trình sẽ được xuất ra một file output, bên cạnh một số kết quả được xuất ra theo yêu cầu của input thì file output còn chứa nhiều thông tin khác, các thông tin này được liệt kê dưới dạng các bảng Các thông tin output có một số phần chính :

 Nội dung file input ;

2.2 Mô phỏng khảo sát đặc trƣng truyền qua của nguồn Se-75

Để kiểm tra đặc trưng của nguồn đa năng lượng Se-75, phép đo gamma truyền qua trong mô phỏng được khảo sát trên các vật liệu nặng và nhẹ (thép-nhựa)

các vật liệu khác nhau Đồng thời nguồn Cs-137 cũng được mô phỏng tương tự để đánh giá và so sánh với nguồn Se-75

- Khoảng cách từ nguồn đến đầu dò: 50cm

- Vật liệu che chắn:

o Vật liệu nhẹ: nhựa bakelit dày từ 0 - 10cm, mỗi bước thay đổi 2,5mm;

o Vật liệu nặng: thép C45, độ dày 0 – 5,2cm, mỗi bước thay đổi 1mm

- Tinh thể NaI 1 inch có độ phân giải đỉnh năng lượng khoảng 10%;

- Trong MCNP thì FWHM phụ thuộc vào năng lượng được tính bằng công thức:

2

FWHM a b EcEVới: a=-0,0113334535 (MeV), b=0,064768845(MeV1/2), c=-0,02796541, được xác định bằng thực nghiệm đo độ rộng một nửa đỉnh phổ của nhiều đỉnh năng lượng khác nhau, từ đó fit tìm ra sự phụ thuộc của FWHM vào năng lượng

E theo công thức 2.1

- Nhằm tiết kiệm thời gian chạy mô phỏng, cấu hình mô phỏng trong mỗi file input gồm đầu dò và hệ thống chuẩn trực đối xứng với nguồn, giữa nguồn và mỗi đầu dò có bề dày vật liệu che chắn khác nhau, như hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình gamma truyền qua 2D mô phỏng trên MCNP

2.2.2 Kết quả mô phỏng

Sau quá trình mô phỏng, kết quả thu được là các phổ gamma của nguồn Se-75 và của nguồn Cs-137 trong các trường hợp che chắn khác nhau

Hình 2.3 Phổ nguồn Se-75 từ mô phỏng MCNP

không có vật liệu che chắnvẽ trên Genie 2k

Phổ Cs-137 thể hiện rõ đỉnh năng lượng 661 keV

Dùng chương trình Gennie-2k xử lý các phổ mô phỏng như sau:

- Phổ Se-75: các diện tích:

o S1: đỉnh chập của 2 đỉnh 121 keV và 136 keV

o S2: đỉnh chập của 2 đỉnh 264 keV và 279 keV

o S3: đỉnh 400 keV

o S4: tổng diện tích toàn phổ (cắt bỏ vùng nhiễu X)

- Phổ Cs-137: diện tích S5 cho đỉnh 661 keV

Lấy các diện tích trong mô phỏng MCNP nhân với hoạt độ nguồn ta được số đếm của từng đỉnh trong một đơn vị thời gian trong từng trường hợp vật liệu che chắn khác nhau Số đếm từng đỉnh trong các trường hợp bề dày che chắn thay đổi được trình bày trong các đồ thị 2.5, 2.6

Hình 2.5 Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày nhựa thay đổi

trong mô phỏng MCNP

Hình 2.6 Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày thép thay đổi

trong mô phỏng MCNP Qua đồ thi số đếm của từng đỉnh năng lượng qua các vật liệu nhẹ (nhựa) và vật liệu nặng (thép) thay đổi khác nhau theo từng mức năng lượng và từng loại vật liệu che chắn, cụ thể như sau:

- Đỉnh chập S1 (121 – 136 keV): suy giảm trung bình với nhựa và mạnh với thép, tuy nhiên với bề dày thép khoảng 2cm thì không còn thể thấy rõ do số đếm quá thấp

- Đỉnh chập S2 (264-279 keV): suy giảm yếu với nhựa và trung bình với thép, vẫn thể hiện rõ sự suy giảm đến bề dày thép khoảng 3cm

- Đỉnh S3 (400 keV): Do xác suất phát thấp nên số đếm rất ít, không thể hiện

rõ sự thay đổi khi đi bề dày các vật liệu thay đổi

- Đỉnh S4 (đỉnh toàn phổ của nguồn Se-75): suy giảm trung bình với nhựa và mạnh với thép, vẫn thể hiện rõ sự suy giảm đến bề dày thép khoảng 3,5cm

- Đỉnh S5 (661 keV của nguồn Cs-137): suy giảm rất yếu với nhựa và yếu với thép, tuy nhiên ở bề dày thép > 5cm vẫn thấy được sự suy giảm yếu

Phương trình suy giảm của nguồn Se-75 và Cs-137 khi truyền qua nhựa thể hiện

sự suy giảm khác nhau của mỗi đỉnh năng lượng đối với môi trường truyền qua:

- Phương trình suy giảm của nguồn Se-75 và Cs-137 khi truyền qua thép:

 Đỉnh năng lượng 121-136 keV : S1 = 117787.exp(-1,7184x)

 Đỉnh năng lượng 264-279 keV : S2 = 101885.exp(-0,8974x)

 Đỉnh năng lượng 400 keV : S3 = 7004.exp(-0,6712x)

 Tổng phổ nguồn Se-75 keV : S4 = 254157.exp(-1,1300x)

 Đỉnh năng lượng 661 keV : S5 = 61244.(exp-0,5679x)

- Phương trình suy giảm của nguồn Se-75 và Cs-137 khi truyền qua nhựa:

 Đỉnh năng lượng 121-136 keV : S1 = 117787.exp(-0,1784x)

 Đỉnh năng lượng 264-279 keV : S2 = 101885.exp(-0,1456x)

 Đỉnh năng lượng 400 keV : S3 = 7004.exp(-0,1200x)

 Tổng phổ nguồn Se-75 keV : S4 = 254157.exp(-0,1592x)

 Đỉnh năng lượng 661 keV : S5 = 61244.exp(-0,0971x) Dựa vào phương trình suy giảm của các đỉnh năng lượng nguồn Se-75

và Cs-137 khi truyền qua nhựa và thép có thể tính được độ thay đổi số đếm trên đơn

vị bề dày dI/dx của các đỉnh năng lượng đối với từng vật liệu theo công thức 1.9

Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của từng đỉnh năng lượng khi bề dày nhựa và thép thay đổi được tính và trình bày trong các đồ thị sau:

Hình 2.7 Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của từng đỉnh năng lượng

theo bề dày nhựa thay đổi trong mô phỏng MCNP

Hình 2.8 Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của từng đỉnh năng lượng

theo bề dày thép thay đổi trong mô phỏng MCNP Qua đồ thị độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của nguồn từng đỉnh năng lượng qua các vật liệu nhẹ (nhựa) và vật liệu nặng (thép) ta thấy:

- Khi bề dày vật liệu che chắn (nhựa hay thép) tăng thì độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày giảm

- Đối với vật liệu nhẹ thì độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của các đỉnh năng lượng thấp cao hơn các đỉnh năng lượng cao Nhưng đối với vật liệu nặng thì độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của các đỉnh năng lượng thấp chỉ cao hơn với bề dày vật liệu nhỏ, còn ở bề dày vật liệu lớn thì các đỉnh năng lượng cao chiếm ưu thế hơn

- Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của đỉnh tổng S4 (nguồn Se-75) lớn hơn so với từng đỉnh thành phần của nguồn Se-75 ở cả hai loại vật liệu nhẹ (nhựa) và nặng (thép)

2.2.3 Đánh giá giới hạn phát hiện ăn mòn 1mm thép

Bức xạ phát ra mang tính chất ngẫu nhiên, và phép ghi đo gamma cũng tuân theo phân bố Gauss chuẩn, có phương sai bằng căn của giá trị trung bình:

I-IΔI

Hình 2.9 Tỉ lệ độ thay đổi số đếm với sai số của phép đo

của đỉnh 661keV và số đếm tổng nguồn Se-75

Trong hình 2.9 thể hiện giới hạn độ dày lớp thép che chắn ứng với ứng với

độ nhạy phát hiện sự thay đổi 1mm thép của số đếm tổng nguồn Se-75 và nguồn

661 keV, giới hạn chiều dày thép ứng với độ nhạy phát hiện 1mm thép của các đỉnh như sau:

o Giới hạn lớp thép che chắn ứng với số đếm tổng nguồn Se-75 là 5,2cm

o Giới hạn lớp thép che chắn ứng với đỉnh 661 keV là 5,2cm

Đồng thời có thể thấy rõ rằng hệ số khác biệt F giữa Io và I của tổng phổ Se-75 lớn hơn hẳn so với đỉnh 661 keV của Cs-137, điều đó cho thấy tổng phổ nguồn Se-75 có độ nhạy cao với sự thay đổi 1mm thép che chắn Giới hạn độ dày thép che chắn ứng với độ nhạy phát hiện 1mm thép của một số đỉnh năng lượng khác cũng được thể hiện trong bảng 2.5 (phụ lục)

2.3 Mô phỏng khảo sát độ nhạy với một số đóng cặn vật liệu nhẹ

Với ưu điểm của sự suy giảm số đếm tổng nguồn Se-75 đã kết luận trong phần mô phỏng khảo sát đặc trưng truyền qua, tiến hành mô phỏng đánh giá khả năng phát hiện đóng cặn vật liệu nhẹ trong trường hợp nhất định

2.3.1 Cấu hình mô phỏng

Cấu hình mô phỏng đóng cặn đối với vật liệu nhẹ được khảo sát với