Khảo sát khuyết tật bên trong khối bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ ngược

Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp thực tế, các phương pháp trên không được áp dụng mà thay vào đó là phương pháp tán xạ ngược được dùng nhờ vào các ưu điểm sau: - Phương pháp đo gamma tá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRẦN THIỆN THANH

-

TP Hồ Chí Minh – 2015

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tác giả đã nhận được rất nhiều sự góp ý chân thành, quý báu cũng như sự giúp đỡ nhiệt tình từ phía thầy cô, bạn bè và gia đình Để đáp lại những tình cảm quý báu đó, tác giả xin bày tỏ lòng tri ân và xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

- TS Trần Thiện Thanh – người thầy đầy nhiệt huyết đã truyền đạt rất nhiều kiến thức, kinh nghiệm và phương pháp làm việc mang tính khoa học Thầy đã đưa ra những lời khuyên, ý kiến có tính chất định hướng và tận tình chỉ dẫn cho tác giả những điều còn thiếu sót Từ đó, giúp tác giả có cái nhìn toàn diện và chính xác hơn về những vấn đề đang nghiên cứu

- Quý Thầy Cô trong hội đồng khoa học đã dành thời gian quý báu của mình để đọc

và cho ý kiến đánh giá giúp luận văn được hoàn thiện hơn, giúp tác giả có thêm nhiều kinh nghiệm trong quá trình học tập và nghiên cứu về sau

- Quý Thầy Cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG – TP.HCM đã giảng dạy trong suốt quá trình tác giả theo học chương trình cao học tại trường Những kiến thức mà Thầy Cô truyền đạt là nền tảng vững chắc

để tác giả có thể giải quyết các vấn đề trong luận văn và trong công việc của mình

- Bộ môn Vật lý Hạt nhân và phòng Kỹ thuật hạt nhân, Trường Đại học Khoa học

Tự nhiên, ĐHQG – TP.HCM đã đáp ứng các điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết

1

MỤC LỤC

Danh mục các chữ viết tắt 4

Danh mục các biểu bảng 5

Danh mục các hình vẽ và đồ thị 6

Mở đầu 7

Chương 1: TỔNG QUAN 10

1.1 Tình hình nghiên cứu về phương pháp gamma tán xạ ngược 10

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 10

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 12

1.2 Lý thuyết tán xạ ngược gamma 14

1.2.1 Một số vấn đề cơ bản 14

1.2.1.1 Tán xạ Rayleigh và tán xạ Compton 14

1.2.1.2 Tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần 15

1.2.2 Sự phân bố năng lượng của chùm tia gamma tán xạ 15

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chùm tia gamma tán xạ ngược 16

1.2.4 Phương pháp khảo sát lỗ rỗng 17

1.3 Phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP 20

1.3.1 Phương pháp Monte Carlo 20

1.3.2 Chương trình MCNP 21

1.3.2.1 Giới thiệu 21

1.3.2.2 Cấu trúc chương trình MCNP 22

1.3.2.3 Đánh giá phân bố độ cao xung F8 23

2

1.3.2.4 Sai số và đánh giá sai số trong chương trình MCNP 25

1.4 Nhận xét chương 1 27

Chương 2: HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC 28

2.1 Hệ đo thực nghiệm tán xạ ngược 28

2.1.1 Khối nguồn 28

2.1.2 Khối đầu dò 31

2.1.2.1 Đầu dò NaI(Tl) 31

2.1.2.2 Hệ điện tử và ghi nhận bức xạ 32

2.1.3 Bia tán xạ 33

2.2 Bố trí thí nghiệm gamma tán xạ ngược 34

2.2.1 Bố trí hệ đo 34

2.2.2 Bố trí các thí nghiệm 34

2.2.2.1 Nghiên cứu sự thay đổi mật độ của bia tán xạ 34

2.2.2.2 Nghiên cứu sự phân bố lỗ rỗng trong bia 35

2.2.2.3 Nghiên cứu vị trí lỗ rỗng trong bia theo kích thước 36

2.2.2.4 Nghiên cứu vị trí lỗ rỗng trong bia theo độ sâu 37

2.3 Mô phỏng hệ đo gamma tán xạ ngược 38

2.4 Nhận xét chương 2 39

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Xác định cường độ tán xạ một lần 40

3.1.1 Trừ phông 40

3.1.2 Tách đỉnh tán xạ một lần 41

3

3.2 Kết quả thực nghiệm 42

3.2.1 Nghiên cứu sự thay đổi mật độ bia 42

3.2.2 Nghiên cứu sự phân bố lỗ rỗng trong bia 43

3.2.3 Nghiên cứu vị trí lỗ rỗng trong bia theo kích thước 44

3.2.4 Nghiên cứu vị trí lỗ rỗng trong bia theo độ sâu 45

3.3 Kết quả mô phỏng 46

3.3.1 Nghiên cứu sự phân bố lỗ rỗng trong bia 46

3.3.2 Nghiên cứu vị trí lỗ rỗng trong bia theo kích thước 47

3.3.3 Nghiên cứu vị trí lỗ rỗng trong bia theo độ sâu 48

3.4 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng 49

3.4.1 Nghiên cứu sự phân bố lỗ rỗng trong bia 49

3.4.2 Nghiên cứu vị trí lỗ rỗng trong bia theo kích thước 52

3.4.3 Nghiên cứu vị trí lỗ rỗng trong bia theo độ sâu 54

3.3 Nhận xét chương 3 55

Kết luận và kiến nghị 56

Danh mục công trình 58

Tài liệu tham khảo 60

Phụ lục 62

4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

trong MCNP

Carlo cho photon

5

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Chỉ số

10 3.9 So sánh đặc điểm khuyết tật trong nghiên cứu kích thước lỗ

11 3.10 So sánh đặc điểm khuyết tật trong nghiên cứu độ sâu khuyết

14 2.9 Bố trí thực nghiệm nghiên cứu sự thay đổi mật độ của bia tán

16 2.11 Bia tán xạ trong thực nghiệm nghiên cứu khuyết tật theo kích

7

MỞ ĐẦU

Hiện nay, theo xu hướng phát triển chung của xã hội, việc xây dựng các công trình kiến trúc, trường h c, nhà ở sinh hoạt… ngày càng gia tăng một cách đáng kể Trong đó, bê tông là một loại vật liệu được sử dụng chủ yếu Chất lượng của bê tông góp phần quy định chất lượng của các công trình xây dựng nói trên Đặc biệt là theo thời gian, độ bền của bê tông sẽ ngày càng giảm dần, dẫn đến khả năng chịu lực kém Vấn đề đặt ra là phải thực hiện các phép kiểm tra mật độ cũng như có hay không sự xuất hiện các lỗ rỗng trong khối bê tông để giảm thiểu các sự cố ngoài ý muốn

Kiểm tra không phá hủy mẫu (Non Destructive Testing - NDT) là việc sử dụng các phương pháp Vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong hoặc ở bề mặt vật kiểm mà không làm tổn hại đến khả năng sử dụng của chúng Kiểm tra không phá hủy dùng để phát hiện các khuyết tật như vết nứt, kiểm tra ăn mòn của kim loại, kiểm tra độ ẩm của bê tông, đo bề dày vật liệu, xác định kích thước và định vị cốt thép trong

bê tông…

Hiện nay có nhiều phương pháp kiểm tra khuyết tật của sản phẩm mà không cần phá huỷ mẫu như phương pháp truyền qua, chụp ảnh phóng xạ, phương pháp dùng sóng siêu âm, … cho kết quả nhanh chóng với độ chính xác cao Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp thực tế, các phương pháp trên không được áp dụng mà thay vào đó là phương pháp tán xạ ngược được dùng nhờ vào các ưu điểm sau:

- Phương pháp đo gamma tán xạ ngược có thể thực hiện được khi đối tượng cần đo ở trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, áp suất lớn, mà điều này rất khó thực hiện với các phương pháp siêu âm và kiểm tra

đề được giải quyết một cách nhanh chóng và dễ dàng hơn, đặc biệt là các vấn đề trong bài toán thuộc lĩnh vực Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

Trong luận văn này, tác giả đã giới thiệu về phương pháp mô phỏng Monte Carlo trong bài toán khảo sát bức xạ gamma tán xạ ngược Qua đó, xây dựng một mô hình cho hệ đo tán xạ ngược gamma bằng chương trình MCNP5, bia là các khối bê tông có hình dạng và cấu trúc khác nhau Từ các kết quả khảo sát sự thay đổi của phổ tán xạ đặc trưng, ta có thể đưa ra nhận xét về việc phát hiện và tính toán đường kính các khuyết tật bên trong khối bê tông Đặc biệt, ta còn có thể so sánh được kết quả từ thực nghiệm và mô phỏng, từ đó thấy được ý nghĩa thiết thực của vấn đề nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các khối bê tông có dạng hình hộp chữ nhật, kích thước bề mặt 10 cm x 20 cm x 40 cm với các lỗ rỗng hình trụ có kích thước khác nhau nằm ở những vị trí khác nhau Các phép đo tán xạ ngược gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 7,6 cm x 7,6 cm và nguồn phóng xạ 137Cs có hoạt độ 5 mCi

Phương pháp nghiên cứu là xây dựng một mô hình hệ đo tán xạ ngược bằng thực nghiệm và sử dụng chương trình MCNP5 để mô phỏng sự vận chuyển của các photon Đồng thời lấy kết quả từ mô phỏng so sánh với kết quả từ thực nghiệm nhằm tăng độ tin cậy của số liệu thu được

Nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương:

- Chương 1: Nêu lên tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong nước và thế giới

về phương pháp tán xạ ngược gamma Trình bày những lý thuyết liên quan đến tán xạ ngược gamma; phương pháp Monte Carlo; giới thiệu về chương trình MCNP; cách

9

thức chương trình MCNP mô phỏng các tương tác của photon với vật chất và cách sử dụng chương trình MCNP

- Chương 2: Trình bày về các thành phần cấu tạo nên hệ đo tán xạ ngược

gamma; cách bố trí hệ đo tán xạ ngược gamma trong phòng thí nghiệm và mô hình của

hệ đo tán xạ ngược gamma được xây dựng bằng chương trình MCNP5

- Chương 3: Trình bày các kết quả thực nghiệm và mô phỏng đã đạt được

Đồng thời đưa ra những thảo luận về các kết quả này

10

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu về phương pháp gamma tán xạ ngược

Hầu hết các nghiên cứu về gamma tán xạ ngược trên thế giới cũng như trong nước đều tập trung vào hai nội dung chính, đó là ứng dụng của phương pháp tán xạ ngược gamma và khảo sát sự ảnh hưởng từ điều kiện làm việc của hệ đo tán xạ ngược tới các sự kiện tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần

Ứng dụng tiêu biểu nhất của phương pháp tán xạ ngược gamma là thực hiện các kiểm tra không hủy mẫu như: phát hiện các lỗ rỗng, vết nứt hoặc sự không đồng nhất bên trong mẫu; đo mực chất lỏng; xác định bề dày và mật độ của vật liệu

Các nghiên cứu về khảo sát các sự kiện tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần ghi nhận được khi thay đổi các điều kiện đo khác nhau như: góc tán xạ; năng lượng tia gamma tới; vật liệu và bề dày của bia; độ rộng của ống chuẩn trực

Trong các nghiên cứu nói trên, ngoài quá trình thực nghiệm và lý thuyết là chính, việc sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo cũng đóng góp một phần quan tr ng nhằm mang lại một kết quả hoàn thiện hơn

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Năm 1989, Hussein và Whynot [10] đã nghiên cứu khả năng ứng dụng kỹ thuật tán xạ Compton để kiểm tra cấu trúc của bê tông bằng phương pháp thực nghiệm và

mô phỏng Monte Carlo Trong quá trình thực nghiệm, các tác giả đã sử dụng nguồn

137Cs hoạt độ 235 mCi và đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) để ghi nhận các tia gamma tán xạ

từ các khối bê tông với bề dày khác nhau Đồng thời, các tác giả cũng đã dùng chương trình mô phỏng SIMPHO (simulation of photons) – một chương trình mô phỏng sử dụng phương pháp Monte Carlo, dựa trên các thông số hình h c của bia và hệ đo để mô phỏng lại quá trình tán xạ ngược gamma Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm thu được cho thấy có sự phù hợp với nhau trong việc phát hiện các thanh sắt hoặc lỗ rỗng trong khối bê tông

11

Năm 2000, Shengli và cộng sự [12] đã đưa ra nghiên cứu về tán xạ ngược Compton trong trường hợp không phá hủy mẫu bằng phần mềm mô phỏng EGS4 Trong nghiên cứu này cho biết khi một chùm tia gamma (có năng lượng 0,662 MeV của đồng vị 137Cs) được chuẩn trực tốt bức xạ theo chiều d c vào tường bê tông, các photon tán xạ có thể được phát hiện ở cùng một bên của bức tường bằng một đầu dò NaI(Tl) Cường độ của photon tán xạ một lần tỷ lệ thuận với mật độ electron tại điểm xảy ra tán xạ Dựa trên kết quả này, hệ thống có thể phát hiện các khối sắt (hoặc phi sắt) chôn trong tường bê tông

Năm 2004, Tavora và Gilboy [13] đã nghiên cứu về tán xạ Compton từ một bề mặt bằng phương pháp Monte Carlo Kết quả nghiên cứu cho biết rằng, phần mềm EGS4 có thể tính toán được số photon tán xạ một lần cũng như photon tán xạ nhiều lần

Để tránh sự suy giảm của tín hiệu, tác giả cũng đưa ra gợi ý nên bố trí nguồn sao cho tia bức xạ vuông góc với bề mặt mẫu

Năm 2010, Sharma và cộng sự [11] đã nghiên cứu về sự tán xạ rời rạc của gamma trong chụp ảnh cắt lớp đường ống dẫn (kiểm tra không hủy mẫu) Nhóm nghiên cứu dùng một hệ thống máy quét, hoạt động dựa trên phương pháp tán xạ ngược để xác định vị trí của đường ống trong đất, độ dày của thành ống, loại chất lỏng chảy bên trong và vết nứt rạn hoặc sự cố tắc nghẽn của ống Kết quả từ hệ thống kết hợp tính toán có thể cho biết một sự thay đổi nhỏ (khoảng 1 mm) đối với độ dày của thành ống và có thể định vị một khuyết tật có chiều rộng 1 mm dưới lớp vật chất cách

li

Năm 2014, Boldo và Appoloni [8] đã dùng phương pháp tán xạ Compton để tiến hành thực nghiệm xác định vị trí của các lỗ rỗng và thanh thép bên trong khối bê tông cốt thép Bia tán xạ là các khối bê tông có kích thước 15 cm x 7,5 cm x 10 cm với

lỗ rỗng và cốt thép nằm ở vị trí 10 mm, 15 mm và 20 mm cách bề mặt bia Góc tán xạ được ch n là 1350, nguồn 241Am hoạt độ 100 mCi (với ống chuẩn trực đường kính 2 mm) và đầu dò CdTe (ống chuẩn trực hình trụ kích thước ϕ7 x 30 mm) Khối bê tông

12

được dịch chuyển ngang qua trường nhìn của nguồn và đầu dò để vùng thể tích tán xạ quét ngang qua hết khối bê tông, với mỗi bước dịch chuyển 1mm Kết quả thu được là cường độ tán xạ tại vị trí của lỗ rỗng và thép có sự thay đổi (tăng lên với thép và giảm xuống với lỗ rỗng) Khi lỗ rỗng và thép nằm càng sâu trong khối bê tông thì sự khác biệt này càng nhỏ lại và khả năng phát hiện kém đi

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong những năm qua, phương pháp tán xạ ngược đã được nghiên cứu rộng rãi Tuy nhiên việc áp dụng phương pháp này vào trong công nghiệp vẫn chưa được phát triển mạnh mẽ do việc bố trí thực nghiệm để đạt đến điều kiện tối ưu rất khó khăn và tốn kém Do đó, để hỗ trợ cho quá trình khảo sát thực nghiệm, nhiều công trình đã kết hợp phương pháp nghiên cứu phổ gamma tán xạ ngược với chương trình mô phỏng MCNP

Năm 2008, Trương Thị Hồng Loan và cộng sự [2] đã nghiên cứu phổ gamma tán xạ ngược của đầu dò HPGe bằng chương trình MCNP Nguồn được khảo sát là 192Ir

có dạng cầu đường kính 0,5cm, hoạt độ 1Ci, được đặt trong buồng chì Tia phát ra có năng lượng 316,5keV được chuẩn trực bởi một colimator bằng chì Khi tăng góc tán xạ

từ 600

đến 1200, với bia nhôm đặt ở góc 300

và 450 so với chùm tới phổ tán xạ, thành phần tán xạ một lần tăng và thành phần tán xạ nhiều lần giảm Khi thay đổi bề dày bia nhôm, đỉnh tán xạ tăng và bắt đầu bão hòa ở bề dày 1cm Kết quả này là nền tảng hỗ trợ cho các nhà thực nghiệm nghiên cứu ứng dụng phổ gamma tán xạ ngược có thể

ch n lựa điều kiện cho phép đo khi áp dụng phương pháp này trong kiểm tra mật độ hoặc bề dày mẫu và tìm kiếm khuyết tật của trong mẫu đo

đo bề dày vật liệu bằng phương pháp tán xạ ngược gamma trên hệ thiết bị chuyên dụng MYO-101 (sử dụng đầu dò nhấp nháy YAP(Ce) và tia gamma 60 keV của nguồn

241Am) Sau đó, các kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả thu được từ mô phỏng Monte Carlo bằng chương trình MCNP Trong bài nghiên cứu của mình, các tác

13

giả đã khảo sát một vật liệu như: giấy, plastic, nhôm và thép C45 Từ đó, đưa ra các phương trình làm khớp về mối liên hệ giữa cường độ chùm tia tán xạ ngược và bề dày của một số vật liệu nói trên với độ sai biệt giữa các kết quả thực nghiệm và mô phỏng nằm trong khoảng 3,3% - 15,5%

Năm 2013, Hoàng Đức Tâm và cộng sự [6] đã nghiên cứu sự phụ thuộc cường

độ chùm tia gamma tán xạ ngược vào thể tích tán xạ bằng phương pháp Monte Carlo Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng cường độ chùm tia gamm tán xạ phụ thuộc tuyến tính vào thể tích tán xạ với hệ số tương quan R2 khi khớp hàm bằng 0,951 Kết quả này làm cơ sở cho các bố trí thực nghiệm sao cho việc ghi nhận được cường độ chùm tia tán xạ là lớn nhất trong kĩ thuật gamma tán xạ ngược có sử dụng đồng thời ống chuẩn trực nguồn và ống chuẩn trực đầu dò

Năm 2014, Nguyễn Thị Bình [1] đã nghiên cứu gamma tán xạ ngược bằng thực nghiệm và sử dụng chương trình mô phỏng MCNP5 Tác giả sử dụng nguồn phóng xạ

137

Cs hoạt độ 5 mCi, đầu dò NaI(Tl), bia tán xạ là vật liệu thép C45 hình trụ tại góc tán

xạ 120o Kết quả nghiên cứu xác định được bề dày bão hòa của thép C45 hình trụ là

cm0,019

Mục tiêu của luận văn là khảo sát khả năng phát hiện ra các lỗ rỗng bên trong

bê tông đối với hệ đo gamma tán xạ ngược (sự phân bố của các lỗ rỗng bên trong kết cấu bê tông) Đồng thời, xác định khả năng phát hiện của hệ đo khi các lỗ rỗng trong khối bê tông có kích thước và độ sâu thay đổi

Tán xạ Rayleigh (tán xạ đàn hồi) là quá trình tia gamma tương tác với các electron liên kết, sau đó bị tán xạ mà không gây nên sự ion hóa hay kích thích nguyên tử Do đó, quá trình tán xạ Rayleigh chỉ làm thay đổi hướng của tia gamma tới mà không có sự thay đổi về mặt năng lượng

Tán xạ Compton (tán xạ không đàn hồi) là quá trình tia gamma và các electron tự do tương tác với nhau, trong đó tia gamma truyền một phần năng lượng cho electron Hay nói cách khác, quá trình tán xạ Compton không chỉ làm thay đổi hướng mà còn làm thay đổi cả về mặt năng lượng của tia gamma tới

E'

Electron sau tán xạGamma tới,

năng lượng E

15

Trong đó: E, E’ lần lượt là năng lượng của gamma tới và gamma tán xạ;

m là khối lượng electron;

Tán xạ một lần là quá trình mà tia gamma chỉ xảy ra duy nhất một lần tán

xạ (Compton hoặc Rayleigh) với bia trước khi được ghi nhận bằng detector Tán

xạ nhiều lần là quá trình mà tia gamma đã trải qua nhiều lần tương tác (Compton hoặc Rayleigh hoặc cả Compton và Rayleigh) với bia trước khi được ghi nhận bằng detector

1.2.2 Sự phân bố năng lượng của chùm tia gamma tán xạ

Các tia gamma tán xạ nhiều lần có năng lượng nằm trong miền liên tục từ năng lượng của tia gamma tới trở xuống Điều này dễ dàng có được vì theo lý thuyết tán xạ Compton, gamma tới đã truyền một phần năng lượng cho electron trong quá trình tương tác

Theo nghiên cứu của Fernández [9], các sự kiện tán xạ hai lần trong phổ gamma tán xạ ngược bao gồm: Compton-Compton, Compton-Rayleigh, Rayleigh-Compton và Rayleigh-Rayleigh Dạng phổ đặc trưng của sự phân bố cường độ tán xạ hai lần được

biểu diễn như Hình 1.2 Trong đó, tán xạ Rayleigh-Rayleigh chỉ đóng góp một mức

năng lượng rời rạc bằng với năng lượng E của tia gamma tới Tán xạ

E21

16

EEE

  đến E và có cực đại năng lượng bằng với năng lượng tán xạ

Compton một lần Như vậy, sự đóng góp của tán xạ Compton-Rayleigh và Compton gây ra khó khăn trong việc đánh giá các sự kiện tán xạ một lần, vì sự chồng chập của chúng không thể phân biệt được trên phổ tán xạ

Rayleigh-Hình 1.2: Dạng đặc trưng của sự phân bố cường độ của tán xạ hai lần [9]

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của chùm tia gamma tán xạ ngược

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cường độ của chùm tia tán xạ ngược bao gồm:

(nm)

Compton – Compton Rayleigh – Compton Compton - Rayleigh

17

 Bề dày bia tán xạ: Số lượng sự kiện tán xạ nhiều lần tăng lên khi bề dày bia tăng Tuy nhiên, khi tăng bề dày bia đến một giá trị nào đó (tùy theo vật liệu làm bia) thì cường độ tán xạ nhiều lần sẽ đạt giá trị bão hòa

 Góc tán xạ: Cường độ tán xạ nhiều lần giảm xuống khi góc tán xạ có giá trị từ

500 đến 800 và tăng lên khi góc tán xạ có giá trị từ 1000 đến 1300 Đặc biệt, cường độ tán xạ nhiều lần đạt cực tiểu khi đặt đầu dò đo tại góc tán xạ bằng 900

 Độ rộng ống chuẩn trực: Khi tăng độ rộng của ống chuẩn trực thì cường độ tán

xạ nhiều lần tăng lên và tỉ số tán xạ một lần trên tán xạ nhiều lần giảm

1.2.4 Phương pháp khảo sát lỗ rỗng

Cho một chùm tia gamma năng lượng E (keV) được chuẩn trực và có cường độ

I0 (gamma.cm-2.s-1) chiếu đến một bia có bề dày x0 (cm); Các tia gamma tán xạ được ghi nhận bởi đầu dò được bố trí sao cho trục của nó tạo với hướng của tia gamma tới một góc θ như Hình 1.3

Giả sử các tia gamma phát ra từ nguồn chỉ tán xạ một lần trên bia trước khi đến được đầu dò Đường đi của tia gamma được chia làm ba giai đoạn:

o Giai đoạn 1: Sự suy giảm của chùm gamma khi đi từ nguồn qua bề dày x đến vị

trí tán xạ P (theo đường α)

  E x μ 0

μ (cm-1) là hệ số suy giảm tuyến tính đối với tia gamma có năng lượng E

x (cm) là chiều dài quãng đường của tia gamma tới trong vật liệu

o Giai đoạn 2: Sau khi tán xạ, cường độ tia gamma tán xạ tại điểm P được tính

bởi công thức:

E,θ,ZdΩρ VS

dΩ

dσI

1

Hình 1 3 Minh h a cho tán xạ một lần của chùm tia gamma [3]

o Giai đoạn 3: Tia gamma đi từ điểm P đến đầu dò Cường độ tia gamma đến đầu

dò được tính bởi công thức:

  E' x' μ 2

19

x' (cm) là quãng đường của tia gamma tán xạ trong vật liệu

Cường độ chùm tia gamma tán xạ mà đầu dò ghi nhận được là:

e Com

x E μ 0

dΩ

dσe

II

dΩ

dσI

  E x μ E ' x ' μ

eKe

ρe  ) trong thể tích tán xạ Điều này có nghĩa là nếu cường độ tán xạ một lần có sự thay đổi thì mật độ tại vùng khảo sát thì cũng sẽ có thay đổi Trên cơ sở quan tr ng đó, luận văn dựa vào sự thay đổi cường độ tán xạ một lần để khảo sát lỗ rỗng và vết nứt bên trong khối bê tông

Trong quá trình thực nghiệm, mật độ bia tại vùng khảo sát được thay đổi trong khi cấu hình của hệ đo được giữ không đổi Vùng khảo sát hay thể tích tán xạ là phần thể tích giao nhau giữa độ mở của ống chuẩn trực nguồn và trường nhìn của đầu dò đối với bia Các bia bê tông với các lỗ rỗng bên trong được đo trong hai trường hợp: khi thể tích tán xạ qua tâm lỗ rỗng và nằm ngoài lỗ rỗng, việc này được tiến hành bằng cách dịch chuyển bia đồng thời giữ yên vị trí của khối nguồn và khối đầu dò

Ta có công thức tính độ sai biệt:

100%

N

NNC

20

Dựa vào độ sai biệt này mà ta đánh giá khả năng phát hiện ra sự thay đổi mật độ vật chất tại vùng khảo sát hay khả năng phát hiện lỗ rỗng trong bia Để thuận lợi cho việc xử lí kết quả thực nghiệm luận văn đã sử dụng các phần mềm hỗ trợ sau:

 Genie 2000: Có chức năng ghi nhận phổ tán xạ, trừ phông trực tiếp, xác

định năng lượng tán xạ, độ rộng đỉnh năng lượng

 Colegram: Phần mềm sử dụng hàm đa thức bậc bốn làm khớp hàm tán xạ

nhiều lần từ đó tính ra diện tích đỉnh tán xạ một lần

 Origin pro 8.1: Là phần mềm hỗ trợ vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc

cường độ tán xạ vào vị trí đo

1 3 Phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP

1.3.1 Phương pháp Monte Carlo

Phương pháp Monte Carlo là tên g i để chỉ nhóm các thuật toán lấy mẫu ngẫu nhiên để thu được lời giải cho bài toán đặt ra Ngày nay, cùng với sự phát triển của máy tính, phương pháp Monte Carlo ngày càng được áp dụng rộng rãi trong các nghiên cứu khoa h c và công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ hạt nhân

Để giải một bài toán theo phương pháp Monte Carlo ta cần phải thực hiện các bước sau:

 Tạo ra các số ngẫu nhiên phân bố đều trên đoạn [0, 1] bằng các đầu phát số ngẫu nhiên

 Lẫy mẫu các đại lượng ngẫu nhiên từ các phân bố đã cho cho trước dựa trên các

số ngẫu nhiên phân bố đều trên đoạn [0, 1]

 Tính các đặc trưng trung bình được quan tâm dựa trên giá trị của các đại lượng ngẫu nhiên đã được lựa ch n và xử lí thống kê

Tính chính xác của lời giải bài toán Monte Carlo phụ thuộc vào việc lấy mẫu thống kê các đại lượng ngẫu nhiên Theo luật số lớn, khi số phép thử N đủ lớn thì giá trị ước lượng Monte Carlo sẽ hội tụ về giá trị thực của bài toán

và electron trong những môi trường vật chất khác nhau Các quá trình này có thể

là quá trình phân rã hạt nhân hoặc tương tác giữa hạt nhân với vật chất

Chương trình MCNP được phát triển bởi Trung tâm thí nghiệm quốc gia Los Alamos – Mỹ Tiền thân của nó là một chương trình Monte Carlo vận chuyển hạt mang tên là MCS Qua nhiều lần đổi mới và hợp nhất, năm 1973, chương trình này được đổi tên thành MCNP dùng để mô phỏng chính xác các tương tác neutron-photon Mặc dù đầu tiên MCNP có ý nghĩa là Monte Carlo Neutron – Photon Nhưng hiện nay, MCNP lại mang ý nghĩa là Monte Carlo N hạt, ở đây N có thể là neutron, photon hoặc electron

Kể từ khi các phiên bản đầu tiên của MCNP được đưa vào ứng dụng trong thập niên 1980, các nhà lập trình MCNP đã không ngừng nâng cấp và liên tục cập nhật 2 năm một lần, cho ra đời những phiên bản mới hơn trong một thời gian ngắn cùng với sự hoàn thiện hơn về các quá trình vật lý của các hạt, các thư viện ứng dụng, và những tính năng tiện ích của chúng

Chương trình MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân và nguyên tử năng lượng liên tục Các nguồn số liệu hạt nhân chủ yếu là các đánh giá từ các

số liệu hạt nhân ENDF, thư viện các số liệu hạt nhân ENDL, các thư viện kích hoạt ACTL từ Livemore và các đánh giá từ nhóm khoa h c hạt nhân ứng dụng ở

22

Los-Alamos Các số liệu đánh giá được xử lý theo định dạng thích hợp đối với MCNP bằng chương trình NJOY

Một số đặc trưng và ứng dụng của chương trình MCNP như sau:

o Vùng năng lượng neutron được sử dụng tính toán từ 10-8 keV đến 20000 keV, năng lượng photon và electron từ 1 keV đến 106

keV

o Các bảng tương tác gamma được xây dựng đối với tất cả các nguyên tố

có Z = 1 đến Z = 94

o MCNP có khả năng mô tả hình h c ba chiều

o Mô hình được thực hiện trên máy tính vì số phép thử cần thiết thường rất lớn

o MCNP có nhiều ứng dụng trong thiết kế lò phản ứng, an toàn giới hạn, che chắn và bảo vệ, phân tích và thiết kế dầu dò, vật lí trị liệu, nghiên cứu khí quyển, nhiệt phát quang do phóng xạ, chụp ảnh bằng phóng xạ,… Trong luận văn này, phiên bản MCNP5 được sử dụng để mô phỏng bài toán vận chuyển của photon trong mô hình hệ đo tán xạ ngược nhằm thu được các phổ tán xạ

1.3.2.2 Cấu trúc chương trình MCNP

Thành phần quan tr ng nhất của chương trình MCNP là số liệu đầu vào (file input) Để tiến hành mô phỏng đối với một bài toán cho trước, cần phải tạo một tệp dữ liệu đầu vào có chứa đựng những thông tin cần thiết để mô tả bài toán Các thông tin này bao gồm: mô tả hình h c của bài toán; sự chỉ rõ thông tin về vật liệu; lựa ch n những đánh giá tiết diện tán xạ; vị trí, khoảng cách và đặc điểm của nguồn cũng như đầu dò dùng để thu nhận dữ liệu và các kết quả cần tính toán

Khi chương trình MCNP được thực thi, từ những thông tin trong tệp dữ liệu đầu vào, chương trình MCNP sẽ g i ra các thư viện tiết diện tán xạ, tính toán hình h c cho việc xây dựng mô hình, sau đó thực hiện các quá trình tạo hạt

23

(tuân theo quy luật phân bố thống kê) và tính toán các tương tác của hạt với vật liệu Đồng thời, lưu lại các kết quả cho đến khi kết thúc chương trình Các kết quả mô phỏng có trong tệp đầu ra (file output) tương ứng với các truy xuất được yêu cầu Các tham số được nhập vào trong tệp dữ liệu đầu vào càng chính xác

so với thực tế thì kết quả thu được càng đáng tin cậy

Trong tệp dữ liệu đầu vào gồm 3 phần chính: định nghĩa ô, định nghĩa mặt, và định nghĩa dữ liệu Mỗi phần được ngăn cách nhau bằng một dòng trống

Một tệp dữ liệu đầu vào bất kì luôn có dạng như sau:

Ô mạng (Cell): là một vùng không gian được hình thành bởi các mặt biên (các mặt biên được định nghĩa ở phần thẻ mặt), mỗi ô được lấp đầy bởi một vật liệu tương ứng với phần không gian của đối tượng cần mô phỏng Các ô được khai báo sao cho tập hợp tất cả các ô phải tạo thành mô hình của đối tượng

Mặt (Surface): được định nghĩa bởi một thẻ mặt, trong đó ta cung cấp các

hệ số của phương trình mặt giải tích hay thông tin về các điểm đã biết Chương trình MCNP cũng cung cấp các dạng mặt cơ bản như mặt phẳng, mặt cầu, mặt trụ, mặt nón… giúp người sử dụng dễ dàng hơn trong việc khai báo hình h c

o Các dòng thông báo (tùy ch n)

24

Dữ liệu (Data) cần khai báo các thông tin về nguồn phát bức xạ, vật liệu cấu tạo các ô, loại đánh giá cần tính toán, số hạt gieo, độ quan tr ng của các ô 1.3.2.3 Đánh giá phân bố độ cao xung F8

Đánh giá F8 (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 nào đó 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 Do đó, đánh giá 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 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

Khi đánh giá độ cao xung F8 được dùng với nhiều khoảng năng lượng, ta phải lưu ý đến các số đếm từ các quá trình không tương tự và các số đếm được tạo nên bởi các hạt đi qua ô mà không để lại năng lượng Chương trình MCNP

xử lý bằng cách đếm các hiện tượng này vào khe năng lượng 0 và một khe năng lượng nhỏ (thông thường là 105 MeV) và từ đó ta có thể cô lập chúng

Ngoài ra, trong thực nghiệm do ảnh hưởng của ba hiệu ứng là sự giãn nở thống kê số lượng các hạt mang điện, hiệu ứng tập hợp điện tích và sự đóng góp của nhiễu tín hiệu từ hệ điện tử làm cho các đỉnh năng lượng toàn phần của phổ ghi nhận photon thực nghiệm có dạng Gauss Vì vậy trong quá trình mô phỏng phổ ghi nhận bức xạ photon cần sử dụng thêm lựa ch n giãn nở đỉnh Gauss (bằng cách khai báo thẻ GEB) đi k m với kết quả truy xuất phân bố độ cao xung Khi đó, phổ mô phỏng các đỉnh năng lượng toàn phần sẽ được mở rộng bằng cách lấy mẫu ngẫu nhiên theo hàm Gauss

 

2 0

E E

- A

E là năng lượng photon được mở rộng;

FWHMab E (1.11) Với a, b, c là các hệ số được xác định bằng thực nghiệm

1.3.2.4 Sai số và đánh giá sai số trong chương trình MCNP

Trong chương trình MCNP, các kết quả truy xuất được chuẩn hoá trên một hạt nguồn cùng với sai số tương đối R Các đại lượng cần được đánh giá sai số tương đối R

sẽ được tính toán sau mỗi quá trình mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo Chương trình MCNP đánh giá độ chính xác của phương pháp Monte Carlo như trình bày dưới đây [2]

Giả sử P(x) là hàm mật độ xác suất lựa ch n bước ngẫu nhiên cho đánh giá được tính thì giá trị kỳ v ng của x là E(x) được biểu diễn như phương trình sau:

E(x) = xP(x)dx (1.12) Khoảng tin cậy được đánh giá từ phương sai của tập hợp của x và được xác định bằng công thức:

σ = (x-E(x) )P(x)dx=E(x )-(E(x)) (1.13) Căn bậc hai của phương sai σ, được g i là độ lệch chuẩn của tập hợp của x Chú ý rằng, với các đại lượng E(x) thì σ2

thường ít được biết trước vì P(x) không được biết trực tiếp Thay vào đó người ta sử dụng x và S2 tương ứng được đánh giá bằng các tính toán Monte Carlo Ở đây:

N i

và N là số hạt được mô phỏng Các hệ thức giữa xvà E(x) được cho bởi luật các số lớn, mà theo đó, nếu E(x) là hữu hạn thì x tiến đến giới hạn của E(x) khi N tiến đến vô hạn Do đó, x được sử dụng như đại lượng đánh giá của E(x) Nếu x có phân bố Gauss với giá trị trung bình E(x) thì phương sai của x được yêu cầu để đánh giá khoảng tin cậy Nó được ký hiệu bằng 2

1 2 2

Sai số tương đối R sẽ được tính toán sau mỗi quá trình mô phỏng Monte Carlo

Nó cho phép người dùng đánh giá những đóng góp khác nhau vào kết quả truy xuất của một quá trình mô phỏng Đối với kết quả truy xuất tốt thì R tỉ lệ với 1 / N Còn đối với một kết quả không tốt thì R có thể tăng khi số quá trình N tăng

Bảng 1 1: Các đánh giá sai số tương đối R trong MCNP

T R

1

(1.18) Trong đó, T là thời gian tiến hành mô phỏng tính toán bằng phút

R là sai số tương đối

Giá trị của FOM càng lớn thì quá trình mô phỏng Monte Carlo càng hiệu quả, bởi vì chỉ cần ít thời gian tính toán cũng có thể đạt được giá trị R mong muốn Khi N tăng thì giá trị của FOM sẽ tiến đến giá trị không đổi vì R2 tỉ lệ với 1/N và T tỉ lệ với N

Ngoài ra, độ chính xác của kết quả tính toán bằng MCNP còn phụ thuộc vào: chất lượng chương trình tính toán, độ tin cậy của số liệu hạt nhân và thiết lập hình h c của hệ được tính toán

1.4 Nhận xét chương 1

Trong chương 1, tác giả đã trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu gamma tán xạ ngược trên thế giới và trong nước Đồng thời trình bày sơ lược về lí thuyết gamma tán xạ ngược để xác định khuyết tật trong vật liệu bê tông Bên cạnh đó, luận văn cũng giới thiệu về cách giải quyết bài toán bằng chương trình mô phỏng MCNP

28

Chương 2

HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC

2.1 Hệ đo thực nghiệm tán xạ ngược

Một hệ đo gamma tán xạ ngược đều gồm có 3 thành phần chính: khối nguồn, khối đầu dò và bia tán xạ

Hình 2.1 Mô hình nguồn phóng xạ 137Cs [3]

Đồng vị 137Cs có thời gian bán hủy khoảng 30,05 năm Khi phân rã 137Cs phát ra hai bức xạ β- có năng lượng 520 keV với xác suất 92% và 1170 keV với xác suất 8% rồi phát bức xạ gamma năng lượng 662 keV với xác suất 84,99% So với các nguồn phát gamma khác, nguồn 137Cs có ưu thế hơn vì nó là nguồn đơn năng nên dễ dàng

29

kiểm tra được năng lượng của đỉnh tán xạ trong phổ thực nghiệm từ lí thuyết tán xạ Compton Đồng thời, gamma phát ra có năng lượng đủ lớn dùng trong xác định độ dày vật liệu

 Thanh thép gắn nguồn: Nguồn 137Cs được gắn vào một đầu của thanh thép hình trụ đường kính 3cm, dài 25 cm như trên hình vẽ Vị trí gắn nguồn là một lỗ hình trụ, đường kính 6mm, độ sâu 8mm

 Ống chuẩn trực: Là một khối trụ rỗng làm bằng chì, có chiều dài 20cm, đường kính ngoài 5cm và đường kính trong 1cm Tác dụng của ống chuẩn trực là giúp ta xác định được trường chiếu của chùm tia gamma lên bia Từ đó xác định được thể tích tán xạ trong bia

 Hộp chứa nguồn: Trong phép đo tán xạ ngược, ta chỉ quan tâm đến các sự kiện tia gamma phát ra từ nguồn tán xạ trên bia và sau đó ghi nhận trong đầu dò Nhưng các nguồn đồng vị phóng xạ đều phát gamma đẳng hướng, nên sẽ có những tia gamma

đi trực tiếp từ nguồn đến đầu dò gây ra số đếm không mong muốn cũng như không đảm bảo an toàn cho người làm thí nghiệm Vì vậy, nguồn phóng xạ phải được đặt trong một hộp chứa nguồn có dạng như Hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình hộp chứa nguồn

30

Trong trường hợp này, hộp chứa nguồn được thiết kế bằng chì, hình trụ, đường kính 22 cm và có chiều dài 24 cm Trong hộp, ở hai đầu có hai lỗ hình trụ đồng trục với đường kính lần lượt là 3cm và 5 cm, chiều dài 14 cm và 10 cm

Hình 2.3 Mô hình lắp đặt khối nguồn

Khi làm thí nghiệm, thanh thép gắn nguồn được lắp vào từ phía sau hộp chứa nguồn, vừa khít với lỗ 3 cm sao cho nguồn hướng về phía trước Ống chuẩn trực được lắp từ phía trước hộp chứa nguồn, vừa khít với lỗ 5 cm Sau khi lắp, chiều dài phần ống chuẩn trực nhô ra ngoài là 10 cm

Hình 2.4 Hình ảnh khối nguồn thực tế

31

2.1.2 Khối đầu dò

2.1.2.1 Đầu dò NaI(Tl)

Đầu dò được sử dụng trong các thí nghiệm của luận văn này là loại đầu

dò NaI(Tl) 802 của hãng Canberra (Hình 2.4) Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) có hiệu suất ghi nhận cao nên phù hợp với các phép đo yêu cầu ghi nhận hạt có năng lượng khác nhau, phù hợp với những phép đo sử dụng nguồn phóng xạ có hoạt độ lớn, yêu cầu tốc độ ghi đo nhanh Ngoài ra, đầu dò NaI(Tl) có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng nên được sử dụng một cách rộng rãi

Hình 2.5 Đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm x 7,6 cm

Cấu tạo của đầu dò này gồm có các thành phần sau:

► Một tinh thể NaI(Tl) kích thước 7,6 cm x 7,6 cm Đây là bộ phận quan tr ng nhất của đầu dò NaI(Tl), nó là một tinh thể giòn, dễ vỡ nên được đặt trong một