xây dựng hệ khảo sát hiện tượng đóng cặn đường ống

Do vậy, trong quá trình nghiên cứu và áp dụng, nếu ta cóthể phối hợp các lĩnh vực Hạt nhân, Cơ khí và Tự động hóa, đồng thời tích hợp cácphương pháp có liên quan mật thiết khác ví dụ như

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển của Vật lý Kỹ thuật nói chung và Vật lý Hạt nhân nói riêng,thành quả đạt được từ nghiên cứu trong lĩnh vực này ngày càng được ứng dụng rộngrãi, đặc biệt là trong hiện đại hóa các ngành công nghiệp Nổi bật trong số đó là ứngdụng đồng vị phóng xạ để kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm mà không phảiphá hủy chúng

Quét gamma là phương pháp tốt nhất trong những kỹ thuật ứng dụng đồng vịphóng xạ để kiểm tra không phá hủy mẫu Các chùm tia gamma trực chuẩn truyềnqua mẫu khảo sát cho ta biết được những thông tin về kích thước và môi trường vậtchất bên trong của nó Phạm vi khảo sát của phương pháp này khá rộng lớn, trongkhóa luận này, đối tượng được chọn lựa nghiên cứu là vùng cặn đóng bám bêntrong đường ống dẫn

Việt Nam có một vùng biển chủ quyền lâu đời với vô số tài nguyên khoángsản, đặc biệt là dầu khí Vì vậy, để đáp ứng tốc độ phát triển của đất nước, ngànhcông nghiệp khai thác dầu khí đã liên tục phát triển không ngừng, đồng hành với đó

là hàng nghìn ki-lô-mét đường ống dẫn được đưa vào sử dụng cho việc vận chuyểnnguyên liệu và sản phẩm Bên cạnh đó, nền nông nghiệp truyền thống với lúa nước,cây ăn quả nhiệt đới và những cây công nghiệp ngắn hay dài ngày đều cần các hệthống cấp nước tưới tiêu kịp thời và đảm bảo vệ sinh Ngoài ra, các hệ thống đườngống cung cấp nước sạch và dẫn xả chất thải quy mô rất cần thiết để đáp ứng nhu cầusinh hoạt và sản xuất ở các đô thị Như vậy, có thể thấy rằng việc lưu thông vật chấtbằng đường ống dường như hiện hữu ở mọi nơi và rất thường nhật, đáp ứng nhữngnhu cầu từ cơ bản đến phức tạp

Với những nhiệm vụ to lớn và liên tục như thế, nếu không có những biệnpháp kiểm tra và xử lý kịp thời, trong trường hợp có vấn đề gây tắc nghẽn sự lưuthông của dòng vật chất thì rất có thể sẽ dẫn đến những hậu quả to lớn và nghiêmtrọng về kinh tế và sức khỏe con người

Trong đề tài này, tác giả thực hiện việc “ Xây dựng hệ khảo sát hiện tượng

đóng cặn đường ống” nhằm ứng dụng kỹ thuật quét gamma để giải quyết vấn đề

này Khóa luận gồm có 3 chương như sau:

- Chương 1: Tổng quan về tương tác của gamma với vật chất.

- Chương 2: Bố trí thí nghiệm.

- Chương 3: Kết quả và thảo luận.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của kỹ thuật quét gamma

1.1.1 Ứng dụng của kỹ thuật quét gamma

Được biết đến như một trong những phương pháp tốt nhất trong việc kiểmtra không phá hủy mẫu, kỹ thuật quét gamma đã và đang được các nhà nghiên cứucũng như các trung tâm kiểm định áp dụng và cải tiến từ nửa cuối thế kỉ trước

Các ngành công nghiệp dầu khí và hóa chất là những ngành sử dụng chủ yếu

và thu lợi rất nhiều từ kỹ thuật này Dựa trên các tính năng vật lý cơ bản củaphương pháp, ta có thể áp dụng nó vào các trường hợp điển hình như: đo mực chấtlỏng trong ống hoặc tháp có nhiều khay (ngăn) trong các ngành công nghiệp hóachất, phát hiện cặn bám trong các đường ống dẫn khí hoặc dẫn chất lỏng trong cácngành công nghiệp khai thác, xử lý chất thải và xây dựng

Cơ sở để tiến hành kỹ thuật quét gamma dựa trên những lý thuyết khá cơbản của Vật lý Hạt nhân Do vậy, trong quá trình nghiên cứu và áp dụng, nếu ta cóthể phối hợp các lĩnh vực Hạt nhân, Cơ khí và Tự động hóa, đồng thời tích hợp cácphương pháp có liên quan mật thiết khác (ví dụ như phương pháp tán xạ gamma để

đo bề dày vật liệu), ta hoàn toàn có thể xây dựng được một hệ đo đa dụng với hiệuquả công việc cao

1.1.2 Tình hình phát triển kỹ thuật quét gamma trên thế giới

Tập đoàn đa quốc gia ScanTech là một trong những nhà tiên phong tronglĩnh vực này, với các trụ sở chính và đối tác liên kết của họ có mặt tại hơn 30 quốcgia Một số dịch vụ chủ yếu có thể kể đến của ScanTech như: khảo sát tháp chưngcất, khảo sát mực chất lỏng trong bồn, khảo sát cặn trong ống dẫn, tìm kiếm dướinước và chụp ảnh cắt lớp [8]

Tuy nhiên, những dịch vụ trên chỉ mới có mặt ở các quốc gia có nền côngnghiệp tiến bộ trên thế giới Do đó, đây vừa là khó khăn nhưng cũng vừa là cơ hộitốt cho các nước đang phát triển theo xu hướng công nghiệp hóa và hiện đại hóa

1.1.3 Tình hình phát triển và tiềm năng của kỹ thuật quét gamma ở nước ta

Công tác kiểm tra không phá hủy mẫu đã được áp dụng trong các ngànhcông nghiệp ở Việt Nam trong nhiều năm nay, bằng các phương pháp quen thuộcnhư chụp ảnh phóng xạ, siêu âm hay thẩm thấu Tuy nhiên, việc áp dụng phươngpháp quét gamma dường như vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu Điều nàydẫn đến bất lợi cho các ngành công nghiệp ở nước ta, vì mỗi khi muốn áp dụng việckiểm tra bằng phương pháp này thì đều phải dựa vào các công ty kiểm định ngoàinước với mức chi phí không hề nhỏ

Bộ môn Vật lý Hạt nhân trực thuộc Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật củaTrường Đại học Khoa học Tự nhiên đã chế tạo thành công “ Hệ đo tán xạ gamma đểxác định bề dày của vật liệu” Bên cạnh đó, hiện nay Bộ môn cũng đang nghiên cứuviệc thiết kế tích hợp cả 2 kỹ thuật gamma tán xạ và gamma truyền qua cùng nằmtrong một hệ đo

Trên cơ sở các thiết bị kỹ thuật có sẵn của Bộ môn và một số thiết bị tự chếtạo khác, dưới sự hướng dẫn của TS Trần Thiện Thanh, em đã thực hiện khóa luận

“ Xây dựng hệ khảo sát hiện tượng đóng cặn đường ống” và thu được nhiều kết quảtích cực Những kết quả này đã khẳng định được sự thành công của hệ khảo sát ởquy mô phòng thí nghiệm và tính khả thi của việc ứng dụng kỹ thuật quét gamma

1.2 Tương tác của bức xạ gamma đối với vật chất

Bức xạ γ là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn khoảng cách giữa các nguyên

tử (λγ <<a, với a có giá trị khoảng 10-8 cm), bức xạ này ngoài tính chất sóng cònđược hình dung như dòng hạt nên gọi là bức xạ γ Giới hạn năng lượng thấp nhấtcủa bức xạ γ là 10 keV Công thức liên hệ giữa năng lượng và bước sóng của bức xạ

γ có dạng: [1]

Các máy gia tốc hiện tại tạo được bức xạ γ với năng lượng trên 20 GeV Tuyvậy, giá trị năng lượng khoảng từ 2 MeV đến 30 MeV là thích hợp nhất cho các ứngdụng trong thực tế

Giống như các hạt tích điện, bức xạ γ cũng bị hấp thụ bởi môi trường, chủyếu do tương tác điện từ Tuy nhiên cơ chế hấp thụ này khá khác biệt vì hai lý do:

• Thứ nhất, bức xạ γ không mang điện tích do đó không chịu tác động dưới trườnglực Coulomb Tương tác của bức xạ γ với electron xảy ra trong vùng bán kínhkhoảng 10-11 cm (kích thước này nhỏ hơn cỡ 3 bậc so với khoảng cách a giữa cácnguyên tử) Từ đó, va chạm giữa bức xạ γ (dịch chuyển qua môi trường vật chất)với electron và nhân là khá hiếm, những va chạm như thế thường dẫn đến sự lệchhướng đột ngột của bức xạ γ khỏi hướng đi ban đầu của nó Nghĩa là bức xạ γ tách

ra khỏi chùm tia

• Thứ hai, bức xạ γ không có khối lượng nghỉ, do đó không thể chuyển động với vậntốc khác vận tốc ánh sáng Điều này nghĩa là bức xạ γ không thể bị chia nhỏ Chúngcũng bị hấp thụ và tán xạ, thường ở các góc lớn Do vậy cường độ ban đầu củachùm bức xạ giảm dần

Khi xét đến cơ chế tự tương tác của bức xạ γ với môi trường ta phải xét đếntính bức xạ, nghĩa là tính chất sóng – hạt của bức xạ γ Tính bức xạ của các bức xạ γthấy rõ nét vì bước sóng bức xạ γ nhỏ hơn khoảng cách giữa nguyên tử và electron.Theo cơ học bức xạ, bài toán tương tác giữa bức xạ γ và nguyên tử chỉ có thể giảiđược dựa trên cơ sở điện động lực học bức xạ Tương tác giữa bức xạ γ với môitrường vật chất xảy ra theo ba cơ chế chính là:

a) Hiệu ứng quang điện

b) Hiệu ứng Compton

c) Hiệu ứng tạo cặp

1.2.1 Hiệu ứng quang điện

Bức xạ γ va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao toàn bộ năng lượngcủa mình cho electron liên kết của nguyên tử Một phần năng lượng này giúp choelectron thắng lực liên kết, phần còn lại trở thành động năng của electron

Theo định luật bảo toàn năng lượng:

E = Te- + I0 (1.2) với I0: năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử

Te-: động năng của electron

Động lượng của hệ được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên tử Do điều kiệnbảo toàn năng lượng và động lượng electron tự do không thể hấp thụ hay bức xạmột photon Do đó, hiệu ứng quang điện xảy ra mạnh nhất đối với bức xạ γ có nănglượng cùng bậc với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Đối với cáceletron nằm ở các lớp vỏ nguyên tử sâu và nguyên tử có bậc số nguyên tử Z lớn,năng lượng liên kết của electron càng lớn Vì vậy, khoảng năng lượng của bức xạ γcao hơn tia X, hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở lớp K (30%) Mặt khác, hiệuứng quang điện tăng mạnh đối với môi trường vật chất có bậc số nguyên tử lớn

Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện

Tiết diện của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ γ vàloại nguyên tử Cụ thể là tiết diện hấp thụ tỉ lệ với Z5, nghĩa là nó tăng rất nhanh đốivới các nguyên tố năng Nếu năng lượng của bức xạ γ tới chỉ lớn hơn năng lượngliên kết của electron thì tiết diện hấp thụ, σf(E), tỉ lệ với 1/E3,5, nghĩa là nó giảm rấtnhanh khi tăng năng lượng Khi năng lượng bức xạ γ tới lớn hơn rất nhiều lần so vớinăng lượng liên kết, σf(E) giảm chậm hơn, theo quy luật E-1 Trong khoảng nănglượng liên kết của electron, tiết diện hấp thụ thay đổi gián đoạn, nghĩa là xuất hiệncác đỉnh hấp thụ tại các giá trị năng lương cao hơn không nhiều so với năng lượngliên kết của electron tron các lớp Bởi vì, theo định luật bảo toàn năng lượng, ở năng

Tia γ tới

Tia X đặc trưng của phân lớp K

Tia X đặc trưng của phân lớp L

Electron quang điện

lượng thấp hơn năng lượng liên kết của electron, bức xạ gamma không thể tham giahiệu ứng quang điện Hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện bằng:

với n: là số lượng nguyên tử trên một đơn vị thể tích

ρ: là khối lượng riêng (g/cm3)

Do vậy, τ tỉ lệ thuận với σf(E) Trong khoảng năng lượng liên kết củaelectron trong nguyên tử, tiết diện hấp thụ σf(E) lớn hơn rất nhiều so với tiết diệncủa các quá trình khác Khi tăng năng lượng, tiết diện hấp thụ σf(E) giảm mạnh, vìkhi đó electron trong nguyên tử được xem như electron tự do Ví dụ, với Al ta có:

σf 6.10-18 cm2 ở E = 1 keV

σf 6.10-25 cm2 ở E = 0,1 MeV [3]

Hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ chủ yếu ở vùng năng lượng thấp, vaitrò của nó trở nên không đáng kể ở vùng năng lượng cao Đây cũng là vùng hiệuứng chủ yếu mà ta quan tâm trong quá trình khảo sát cặn trong ống của chúng ta

1.2.2 Hiệu ứng Compton

Hiệu ứng Compton là hiện tượng bức xạ γ tán xạ trên electron của nguyên tử

và lệch khỏi hướng ban đầu Năng lượng của bức xạ γ ban đầu được truyền choelectron và bức xạ γ tán xạ, năng lượng này lớn hơn rất nhiều so với năng lượngliên kết của electron trong nguyên tử nên electron được xem là electron tự do

Giả sử trước lúc va chạm electron đứng yên, áp dụng định luật bảo toàn nănglượng và bảo toàn động lượng, ta có:

hν = hν/ [1 + hν(1 – cosθ)/m0c2] (1.4)Với hν’: năng lượng của bức xạ γ tán xạ

hν : năng lượng của bức xạ γ ban đầu

Hình 1.3 biểu diễn phân bố cường độ của tia gamma tán xạ Compton theogóc tán xạ Ta thấy, khi năng lượng của chùm tia gamma ban đầu tăng, chùm tia tán

xạ Compton chủ yếu phân bố về phía trước theo phương đến của chùm tia gammaban đầu (góc tán xạ nhỏ)

Hình 1.3: Phân bố cường độ chùm tia gamma tán xạ Compton theo góc tán xạ θ.[3]

Khi năng lượng của bức xạ γ tăng, hiệu ứng hấp thụ quang điện trở thành cơchế tương tác thứ yếu Hiệu ứng Compton trở thành cơ chế tương tác chiếm ưu thếtrong khoảng năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết trung bình củaelectron trong nguyên tử Cần chú ý rằng, tán xạ Compton với nhân không đáng kể,

vì bán kính electron cổ điển đối với nhân, Z2e2/(Mnucc2), rất nhỏ [3]

1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp

Khi năng lượng của bức xạ γ lớn hơn rất nhiều so với 2m0c2 (bằng 1,022MeV) thì quá trình tương tác chính của γ lên vật chất là sự tạo cặp electron –positron Cặp e-, e+ sinh ra trong trường điện từ của nhân, khi đó bức xạ γ biến mất(hấp thụ hoàn toàn) và năng lượng của nó truyền hết cho cặp e-, e+ và nhân giật lùi

Năng lượng giật lùi của nhân không đáng kể, do đó biểu thức định luật bảo toànnăng lượng được viết như sau:

T-, T+ lần lượt là động năng của electron và positron

m0 là khối lượng của electron

Các e-, e+ sinh ra trong trường điện từ của nhân nên các e+ sẽ bay ra khỏi hạtnhân, các e- sẽ bị hãm lại (do lực hút Coulomb) Do đó phổ năng lượng đo đượckhác nhau đối với hai loại này Sự khác nhau càng tăng đối với môi trường có Zlớn Do khối lượng nghỉ của bức xạ γ bằng 0, nên nó chỉ có thể tạo cặp nếu nănglượng của nó lớn hơn tổng năng lượng nghỉ của electron và positron (2m0c2 = 1,022MeV) Do đó, hiệu ứng tạo cặp có thể bỏ qua khi năng lượng của bức xạ γ nhỏ hơn1,022 MeV Trên ngưỡng năng lượng này, tiết diện tương tác tăng dần và đạt đếnmột giá trị không đổi ở năng lượng rất cao (~ 1000m0c2) Giá trị này bằng σπ

0,08Z2r02, với r0 là bán kính cổ điển của electron

Hình 1.4 : Hiệu ứng tạo cặp.

Vì cả hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton có tiết diện tán xạ giảm đếnkhông ở khoảng năng lượng rất cao, nên sự tạo cặp ở vùng này là cơ chế chủ yếuhấp thụ bức xạ γ Cặp e-, e+có thể tạo được tạo bởi photon không chỉ trong trường

Tia γ tới

Coulomb của nhân, mà còn của electron Tuy nhiên, quá trình sau dẫn đến sự hấpthụ bức xạ γ yếu hơn nhiều, vì tiết diện tương tác này có giá trị khá nhỏ.

d1/2: là độ dày giảm một nửa

Hình 1.5: Sự suy giảm cường độ của chùm tia gamma qua vật chất [3]

Do đó, hệ số hấp thụ tuyến tính toàn phần μ của vật chất là tổng của các hệ

số hấp thụ ứng với các quá trình riêng lẻ:

với n là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích của môi trường Số hạng thứ nhấttrong (1.8) chiếm ưu thế ở miền năng lượng thấp, số hạng thứ hai chiếm ưu thế ởmiền năng lượng trung bình (vài MeV) và số hạng thứ ba chiếm ưu thế ở miền nănglượng cao Do đó, hệ số hấp thụ tuyến tính toàn phần có cực tiểu trong khoảng màhiệu ứng Compton chiếm ưu thế Cực tiểu này càng rõ nét đối với các nguyên tốnặng vì μf, μπ lần lượt tỉ lệ với Z5 và Z2, trong khi đó μc tỷ lệ với Z.

Hệ số hấp thụ tuyến tính tỉ lệ với mật độ ρ của môi trường vật chất Nghĩa là

hệ số hấp thụ tuyến tính đối với cùng một vật liệu khác nhau nếu mật độ môi trườngkhác nhau Để tránh sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ tuyến tính vào mật độ vật chất,

ta sử dụng hệ số hấp thụ khối :

Khi đó, bề dày của lớp vật chất hấp thụ được tính bằng đơn vị g/cm2

1.3 Phương pháp quét gamma khảo sát ống

1.3.1 Ứng dụng của quét gamma khảo sát ống

Quét gamma là kỹ thuật tốt nhất đối với khảo sát bên trong của một sảnphẩm hay thiết bị nào đó mà không cần tháo rời hay phá hủy nó Bằng cách ghinhận cường độ của bức xạ truyền qua, các số liệu đó có thể cung cấp cho ta nhữngthông tin về vật thể bên trong ống, độ cao cột chất lỏng hay bề dày vỏ thùng… Mật

độ vật chất càng cao, số bức xạ truyền qua được sẽ càng thấp, vì thế sẽ có sự chênhlệch lớn về số liệu ghi nhận giữa các vùng khảo sát có tính chất khác nhau

Dùng kỹ thuật quét gamma để khảo sát ống là một trong những trường hợpđược ứng dụng rộng rãi nhất Ngoài ra, kỹ thuật này còn có thể được sử dụng trongcác trường hợp như :

• Dò tìm cặn đóng bám bên trong ống

• Khảo sát chất lượng và hư tổn bên trong các vật liệu chịu nhiệt

• Khảo sát độ hiệu quả của các nút kín

• Hơi nước và chất lỏng bên trong đường ống

Trước khi thực hiện bất kì phép đo khảo sát nào, ta cần biết được nhữngthông tin cần thiết như :

• Đường kính bên trong và độ dày của thành ống

• Môi trường vật chất bên trong ống (khí, lỏng hoặc rắn)

Giá đỡ nguồn và đầu dò cần thiết phải trực chuẩn và luôn luôn giữ khoảngcách cố định trong quá trình khảo sát Nguồn phải được bao bọc bằng một ốngchuẩn trực có độ sâu tối thiểu là 6 đến 8 mm và đường kính trong khoảng một bướcdịch chuyển nhằm để hạn chế bức xạ phóng ra có dạng chùm phân kì Đầu dò cũngphải được bao phủ xung quanh để cho kết quả ghi nhận tốt nhất có thể.[5]

1.3.2 Cơ sở lý thuyết của kỹ thuật quét khảo sát cặn trong ống

Nguyên lý cơ bản: cường độ của bức xạ gamma bị hấp thụ bên trong vật chấtkhi đi từ nguồn đến đầu dò được mô tả bởi quy luật truyền qua:

I = I0.exp(-μm.ρ.x) = I0.exp(-μ.x) (1.11)

I là cường độ bức xạ sau khi truyền qua vật chất

I0 là cường độ bức xạ ban đầu

μm là hệ số hấp thụ khối của vật chất (cm2/g)

μ là hệ số hấp thụ tuyến tính của vật chất (cm-1)

ρ là mật độ vật chất đặc trưng của từng loại vật liệu (g/cm3)

x là quãng đường bức xạ truyền qua (cm)

Phương trình cơ bản này được sử dụng cho thiết kế thực nghiệm, cũng như các phép

đo và xử lý số liệu bức xạ gamma ghi nhận trong quá trình khảo sát cặn trong ống

Bảng 1.1: Một số nguồn gamma dùng trong Công nghiệp

Đồng vị phóng xạ Chu kì bán rã

(năm)

Đỉnh năng lượng(MeV)

Hằng số phóng xạ (R/hr.Ci.m)

• Các thiết kế của hệ đo thực nghiệm phải đáp ứng được vấn đề chuẩn trực của nguồn

và đầu dò

• Trong quá trình thực nghiệm, ta có được I và I0 từ hệ ghi nhận dữ liệu

• Từ các số liệu của cường độ bức xạ truyền qua I ghi nhận được, sau khi vẽ đồ thịliên hệ giữa vị trí trên ống và cường độ I tương ứng, ta có thể xác định được vùng

có và không có cặn đóng bám khá rõ ràng

• Nếu biết được các loại vật chất mà bức xạ gamma truyền qua, ta có thể tra cứu được

hệ số hấp thụ tuyến tính μ và mật độ khối ρ của các loại vật chất ấy, từ đó có thểtính được hệ số hấp thụ khối của từng loại vật chất từ công thức (1.10) Từ đây cóthể tính được quãng đường x, qua đó xác định bề dày lớp cặn bên trong ống

• Trong trường hợp chưa biết được hết các loại vật chất mà bức xạ truyền qua, ta cầnxác định quãng đường x bằng cách đo khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến đầu dò

Ta thực hiện phép đo tiết diện mặt cắt của ống theo hệ đo ngang đã bố trí, ghi nhậnmột bộ số liệu của cường độ bức xạ truyền qua I theo từng góc xoay đều xác định.Chuyển phương trình (1.11) về dạng :

Sau khi đã có các số liệu ρ theo từng góc xoay, ta sử dụng thuật toán dựng ảnh haichiều để mô phỏng hình ảnh bên trong ống Thông qua hình ảnh tái tạo, ta dễ dàngxác định được bề dày của cặn đóng bám bên trong ống

1.4 Nhận xét chương 1

Trong chương này, khóa luận đã trình bày vấn đề cơ bản và khái quát nhất về lýthuyết tương tác của bức xạ gamma với vật chất Bên cạnh đó, tác giả cũng đã giớithiệu một cách tổng quan nhất về tình hình phát triển của kỹ thuật quét gammatrong và ngoài nước, cũng là mục tiêu chính được nghiên cứu trong khóa luận này

CHƯƠNG 2

BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM

2.1 Hệ tải vận chuyển hệ đo

2.1.1 Mô hình hóa – Các thông số dự kiến

• Hai trụ chính của hệ, đồng thời cũng là thanh trượt của hệ: vật liệu sắt, đường kính

2 cm, dài 100 cm

• Tấm sắt đặt động cơ: diện tích bề mặt (40x20) cm2, dày 0,5 cm Khoan 3 lỗ thẳnghàng, cách đều nhau 10 cm đường kính 1 cm, lỗ giữa là tâm hình chữ nhật, dùng đểluồn dây cáp, 2 lỗ còn lại để cố định 2 thanh trụ.

• Tấm sắt đế: diện tích bề mặt (40x40) cm2; dày 1cm Khoan 2 lỗ cách nhau 20 cm,đường kính 1 cm, đồng tâm với 2 lỗ ngoài ở tấm đặt động cơ nhằm cố định 2 thanhtrụ một cách thẳng hàng

• Thanh giá đỡ hình chữ U, một bên đặt nguồn, một bên đặt detector: mỗi cạnh dài 20

cm Phần thanh ngang dài 32 cm, khoan 3 lỗ thẳng hàng, cách đều 10 cm đườngkính 1 cm, lỗ giữa lấy tại tâm hình học, dùng để nối với dây cáp, 2 lỗ còn lại dùng

• Tấm nhôm đặt động cơ quay: diện tích bề mặt (40x20) cm2; dày 1cm Khoan 3 lỗthẳng hàng, cách đều nhau 10 cm đường kính 1 cm, lỗ giữa là tâm hình chữ nhật,dùng để luồn dây cáp, 2 lỗ còn lại để cố định 2 thanh trụ

• Tấm nhôm đế: diện tích bề mặt (40x20) cm2; dày 1cm Khoan 2 lỗ cách nhau 20

cm, đường kính 1 cm, đồng tâm với 2 lỗ ngoài ở tấm đặt động cơ nhằm cố định 2thanh trụ một cách thẳng hàng

• Thanh giá đỡ sắt hình chữ U, một bên đặt nguồn, một bên đặt detector: mỗi cạnh dài

20 cm, cắt 2 mảng hình chữ nhật đối diện nhau có cạnh là 6,1 cm và 4,6 cm Phầnthanh ngang dài 32 cm, khoan 3 cụm lỗ, cách đều 10 cm đường kính 1 cm Cụmgiữa có 1 lỗ lấy tại tâm hình học, đường kính 1 cm, dùng để nối với dây cáp 2 cụm

lỗ còn lại, ở tại mỗi cụm, khoan 4 lỗ có đường kính là 0,4 cm tại 4 góc vuông củahình vuông có cạnh là 4 cm, tâm các hình vuông nằm trên đường trung bình củaphần thanh ngang 2 cụm lỗ đó dùng để gắn với 2 bạc đạn trượt

• Dây cáp tải: đường kính 0,2 cm, dài 120 cm

• Động cơ tải: sử dụng nguồn DC 24V, cường độ 2A, tải trọng tối đa 8 kg

• Thước đo độ cao dịch chuyển: thước dây dài 100 cm, một đầu gắn cố định với tấmđặt động cơ, đầu còn lại gắn cố định với tấm đế

Hình 2.1: Mô hình hóa và thực tế của hệ đo.

• Hộp điều khiển

Hình 2.2: Hộp điều khiển và sơ đồ mạch điều khiển

Khi đóng khóa K, mạch vẫn hở Khi ta nhấn nút số 1, dòng điện đi qua củađộng cơ, tạo nên lực từ khiến nó quay (theo chiều đưa hệ đi lên), bánh xoay gắn cốđịnh trên động cơ truyền động cho dây cáp nối với hệ đo, vận chuyển hệ đo đi lên,khi hệ đo lên tới độ cao mong muốn, ta ngừng nhấn nút số 1, mạch lại tiếp tục hở,động cơ ngừng quay Tương tự, khi nhấn nút số 2, động cơ cũng sẽ quay nhưng sẽtheo chiều ngược lại

• Hệ tọa độ đo ngang

Một vị trí hình tròn cố định ống, đường kính 12 cm Trên vành tròn, đánhdấu các góc cố định cần thiết cho phép đo khi xoay ống Đặt 7 vạch ngang mỏng,cách đều nhau 1 cm

Hình 2.3: Hệ tọa độ đo ngang.

Vị trí đặt ống

Các vạchdịch chuyển

• Khuyết điểm của hệ đo

Chưa hỗ trợ tối đa cho phép đo theo tiết diện mặt cắt của ống Độ chính xáccủa mỗi bước dịch chuyển chưa cao, còn phụ thuộc nhiều vào khả năng quan sát vàkinh nghiệm của người thực hiện phép đo

• Các khả năng gây sai số

Như đã nói ở trên, sai số của hệ đo còn tùy thuộc rất nhiều vào sự quan sátcủa người thực hiện Mặt khác, một số sai lệch từ mặt phẳng đặt hệ đo và quá trìnhdịch chuyển cũng có ảnh hưởng đến mức độ chuẩn trực của nguồn và detector

• Mục đích: khảo sát dò tìm cặn dọc theo chiều dài của ống

• Khối chì chứa nguồn: là khối chì dày 2,2 cm, mặt chính là hình vuông cạnh 5,2 cm.Tại tâm hình vuông, khoan một lỗ tròn đường kính 2,4 cm dùng để đặt nguồn Phíasau dùng một tấm chì mặt hình vuông, cạnh 5,2 cm, bề dày 0,5 cm

Hình 2.4: Nguồn đĩa Cs-137được sử dụng.

• Colimator: là một khối chì đa diện dày 4,2 cm, mặt chính là hình vuông có cạnh 6,1

cm Bên trên mặt chính là một khối hình trụ dẹt dày 1 cm, đường kính đáy ngoài là4,5 cm và đường kính đáy trong là 4,1 cm Tại tâm mặt sau, tiện một hình trụ sâu1,9 cm, đường kính đáy là 4,1 cm dùng để đặt nguồn vào Tại tâm mặt chính khoanmột lỗ tròn đường kính 0,3 cm tạo nên một ống chuẩn trực cho nguồn

• Chì che chắn phía sau: là hình hộp chữ nhật dày 2 cm, rộng 4 cm và cao 5,5 cm.Lớp che chắn này nhằm tăng tính an toàn trong quá trình tiến hành khảo sát

Hình 2.6: Nguồn điểm trước và sau khi đã được che chắn

Hình 2.7: Colimator của nguồn điểm

2.3 Hệ ghi nhận

2.3.1 Detector nhấp nháy NaI (Tl)

• Cấu hình: là tinh thể NaI (Tl) hình trụ, đường kính tinh thể là 2,54 cm, dày 2,3 cm;đường kính ngoài là 4 cm, tổng chiều dài của detector là 25 cm

• Nguyên tắc hoạt động: khi một bức xạ ion hóa đi vào khối nhấp nháy sẽ kích thíchcác nguyên tử hay phân tử Sau đó, với sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản, chúng

sẽ phát ra một ánh sáng nhấp nháy, đó là các photon ánh sáng Qua một lớp dẫnsáng, các photon đập vào các photocathode của nhân quang điện và ở lối ra củanhân quang điện sẽ xuất hiện một tín hiệu điện có biên độ khá lớn Tín hiệu điệnnày được đưa vào bộ tiền khuếch đại, thiết bị này có tác dụng hòa hợp tổng trở giữalối ra của detector và lối vào của bộ khuếch đại Xung điện tạo thành sau khi đi quacác bộ phận khuếch đại sẽ được tăng biên độ lên vài bậc trước khi vào bộ phận phântích và ghi nhận

• Ống nhân quang điện: các photon phát ra từ bản nhấp nháy đập vào photocathode Kcủa nhân quang điện, các photoelectron bật ra, và dưới tác dụng của điện trường,được tăng tốc rồi đập vào dynode thứ nhất (d1) Từ (d1) phát ra số electron nhiềuhơn số electron đập vào nó Quá trình này xảy ra tiếp tục trên các dynode thứ hai(d2), thứ ba (d3)… cứ như vậy tới anode A sẽ thu được một dòng electron rất lớn sovới dòng phát ra từ photocathode Kết quả, ở lối ra của nhân quang điện xuất hiệnmột tín hiệu điện có biên độ khá lớn

• Khối chì bọc khi dùng với nguồn đĩa (hoạt độ 1 μCi): là khối chì dày 2,2 cm, có mặtchính là hình vuông cạnh 5,2 cm Tại tâm mặt vuông có khoan 1 lỗ tròn đường kính2,6 cm dùng để đặt phần tinh thể của đầu dò vào Với colimator này, ta tạo cho

detector một tiết diện ghi nhận chuẩn trực xấp xỉ 21,23 cm2, một diện tích đủ lớn vàphù hợp cho việc ghi nhận số đếm từ một nguồn có hoạt độ nhỏ như trên

• Colimator khi dùng với nguồn điểm (hoạt độ 10 μCi): là một khối chì đa diện dày4,2 cm, mặt chính là hình vuông có cạnh 6,1 cm Bên trên mặt chính là một khốihình trụ dẹt dày 1 cm, đường kính đáy ngoài là 4,5 cm và đường kính đáy trong là4,1 cm Tại tâm mặt sau tiện một hình trụ sâu 2 cm, đường kính là 4,1 cm dùng đểđặt nguồn vào Tại tâm mặt chính khoan một lỗ tròn đường kính 1 cm Vớicolimator này, ta tạo cho detector một tiết diện ghi nhận chuẩn trực xấp xỉ 9,86 cm2,phù hợp cho các quá trình khảo sát chi tiết với các bước dịch chuyển nhỏ

Hình 2.9: Detector NaI (Tl).

2.3.2 Hệ điện tử ghi nhận

• Thiết bị: máy đếm đơn kênh (SCA)

• Cao thế: 800 V, là vùng cao thế mà hệ hoạt động tối ưu, do nhà sản xuất cung cấp

• Hệ số khuếch đại: 80, là mức khuếch đại ghi nhận tối ưu cho quá trình đo, được sosánh và chọn ra sau khi khảo sát vùng ghi nhận của hệ theo các mức khuếch đạikhác nhau

• Ngưỡng dưới: 70, là ngưỡng mà các số đếm chịu ảnh hưởng tối thiểu của các loạinhiễu không mong muốn, được so sánh và chọn ra sau khi khảo sát vùng ghi nhậncủa hệ theo các mức khuếch đại khác nhau

• Ngưỡng trên: 100, là ngưỡng tối đa trong khả năng ghi nhận của hệ

• Độ rộng cửa sổ: 30, là độ rộng được thiết lập cho mục đích đo lấy tổng số đếm (CT)

từ ngưỡng dưới đến ngưỡng trên

• Thời gian đo: 600 giây, hoạt độ của nguồn phóng xạ tương đối nhỏ, do đó thời giandài sẽ giúp ghi nhận được nhiều số đếm hơn và giảm được mức độ thăng giángthống kê trong quá trình ghi nhận

• Gồm 2 chế độ đo: chế độ đo (SCA) cho mục đích khảo sát hệ ghi nhận, chế độ đo(CT) dùng trong tất cả quá trình khảo sát cặn trong ống dẫn với mục đích ghi nhậntổng số đếm.

Hình 2.12: Hệ điện tử ghi nhận.

2.3.3 Hạn chế và sai số của hệ điện tử

Thời gian sử dụng của hệ đã khá lâu (hơn 30 năm) cho nên mạch điện tử hoạtđộng đôi khi không ổn định, tạo nên nhiễu điện tử trong qua trình ghi nhận và khiếnquá trình đo đôi khi gián đoạn Mặt khác, điện thế của khu vực thí nghiệm khôngthật ổn định, ảnh hưởng đến cao thế của hệ có sự dao động xung quanh vùng 800 V

2.4 Nhận xét chương 2

Chương này trình bày các bước tiến hành bố trí thí nghiệm, các thiết bị cần thiết choquá trình khảo sát và các thông số kỹ thuật của những thiết bị này Ngoài ra, chươngnày cũng chỉ ra một số hạn chế của thiết bị đo mà có thể dẫn đến những sai số bấtthường, cần lưu ý trong quá trình tiến hành khảo sát ở chương 3

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Khảo sát vùng hoạt động của hệ đo

3.1.1 Mục đích của việc khảo sát

Yêu cầu sử dụng detector trong phổ kế hạt nhân đòi hỏi hệ số khuếch đạiphải ổn định Sự ổn định này quyết định bởi nhiều yếu tố, trước hết là nhiệt độ môitrường bên ngoài Ngoài ra, từ trường trái đất cũng ảnh hưởng đến quỹ đạo củaelectron trong ống nhân quang điện Để tránh tác động của từ trường bên ngoài nhất

là khi nó thăng giáng, nhân quang điện phải được bao bọc với vỏ ngăn cản từtrường Cuối cùng, sự thăng giáng điện thế của nguồn điện sử dụng là nguồn gốcchủ yếu dẫn đến sự bất ổn định hệ số khuếch đại M Một cách gần đúng, ta xem hệ

số khuếch đại phụ thuộc tuyến tính vào hiệu điện thế V của nguồn điện:

M = σn = (kV)n =knVn (3.1)Với σ: là hệ số phát xạ thứ cấp (đo bằng tỉ số số e phát ra trên số e đập vào)

n: là số dynode có trong bộ nhân quang điện của detector

Vậy độ thăng giáng tương đối gây ra bởi sự thăng giáng hiệu điện thế V sẽ là:

Như vậy, một thăng giáng nhỏ V của nguồn điện sẽ dẫn đến độ thăng giáng của hệ

số khuếch đại n lần lớn hơn Do đó, việc khảo sát để tìm ra hệ số khuếch đại phùhợp, ổn định trong thời gian đo để giảm sai số từ hệ điện tử là quá trình rất cần thiết

Mặt khác, như đã nói ở chương 1, hiệu ứng quang điện là hiệu ứng chủ yếuđược sử dụng trong quá trình khảo sát Do đó, cần khảo sát khoảng mà các kênh chủyếu xảy ra hiệu ứng này

Việc khảo sát cũng giúp ta xác định được khoảng thời gian đo phù hợp, cầnthiết cho quá trình thực hiện các phép đo và thích hợp với tiến độ của toàn bộ quytrình khảo sát hiện tượng đóng cặn đường ống

3.1.2 Các bước chuẩn bị và tiến hành

• Nguồn đĩa Cs -137, hoạt độ 1 μCi

• Khoảng cách từ nguồn đến detector: cố định 20 cm

• Cài đặt các thông số trên hệ ghi nhận điện tử:

+ Cao thế: 800 V

+ Chế độ đo SCA: đo đơn năng

+ Kênh đầu: kênh 0

+ Kênh cuối: kênh 100

+ Độ rộng cửa sổ: 1 kênh

+ Thời gian đo: 30 giây; 60 giây; 600 giây điều chỉnh tùy theo từng lần đo.+ Mức khuếch đại khảo sát: 60; 70; 80 điều chỉnh theo mục đích khảo sát

3.1.3 Khảo sát thông số của hệ điện tử

• Khuếch đại 60, thời gian đo 30 giây

Hình 3.1: Đồ thị khảo sát hệ số khuếch đại 60 và thời gian đo 30 giây.

Từ hình 3.1, ta nhận thấy:

+ Vùng từ kênh 0 đến kênh 50 có độ thăng giáng lớn, chứng tỏ đây chính là vùngnhiễu điện tử lớn và tán xạ Compton

+ Vùng từ kênh 51 đến kênh 90, độ thăng giáng có dạng phân bố Gauss, chứng tỏ đây

là vùng chủ yếu diễn ra hiệu ứng quang điện

+ Cũng có thể thấy rằng, với độ khuếch đại này, vùng từ kênh 90 đến kênh 100 vẫnchưa ghi nhận được số đếm

+ Tuy nhiên, do thời gian đo ngắn (30 giây) và hoạt độ của nguồn nhỏ (1 μCi) nêntổng số đếm chỉ đạt 1503 (số đếm)

Sau khi khảo sát các cặp thông số: khuếch đại 60 và đo 60 giây, khuếch đại

70 và đo 60 giây, khuếch đại 80 và đo 60 giây, ta vẽ được các hình 3.2, 3.3, 3.4, tathấy rằng phải điều chỉnh hệ số khuếch đại là 80 và tăng thời gian đo lên 600 giây

• Khuếch đại 80, thời gian đo 600 giây

Hình 3.5: Đồ thị khảo sát hệ số khuếch đại 80 và thời gian đo 600 giây.

Nhận xét:

+ Vùng từ kênh 0 đến khoảng kênh 70 có độ thăng giáng lớn, đây chính là vùng nhiễuđiện tử và tán xạ Compton