Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm

Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm Nghiên cứu mô hình tẩy xạ bề mặt một số vật liệu và thiết bị trong lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân bằng phương pháp siêu âm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TẨY XẠ BỀ MẶT NHIỄM BẨN

PHÓNG XẠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

SVTH: Phạm Đức Minh CBHD: TS Lê Công Hảo CBPB: TS Huỳnh Trúc Phương

Tp Hồ Chí Minh, Năm 2016

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp

đỡ và góp ý tận tình của Quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý & Vật lý kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh

Trước hết, con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, vì công ơn sinh thành dưỡng dục và đã tạo mọi điều kiện có thể để con được bước đến giảng đường đại học

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Lê Công Hảo đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết để truyền đạt cho em kiến thức lẫn kỹ năng thực nghiệm

Em xin gửi lời cảm ơn Quý Thầy Cô trong hội đồng đã dành nhiều thời gian đọc

và có những ý kiến đóng góp quý báu vào khóa luận này

Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Vật lý Hạt nhân

đã tạo mọi điều kiện cho em trong suốt khóa học

Tôi xin cảm ơn đến toàn thể các bạn trong lớp 12KTH đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian qua

Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện khóa luận, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của Quý Thầy

Cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

Phạm Đức Minh

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 NHIỄM BẨN PHÓNG XẠ VÀ TỔNG QUAN VỀ TẨY XẠ 3

1.1 Nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt 3

1.2 Nhiễm bẩn phóng xạ trong nhà máy và cơ sở hạt nhân 3

1.3 Tổng quan về tẩy xạ 5

1.3.1 Khái niểm tẩy xạ 5

1.3.2 Cách thức tiếp cận và chọn phương pháp tẩy xạ 6

1.4 Đánh giá kết quả tẩy xạ 6

CHƯƠNG 2 TẨY RỬA SIÊU ÂM 8

2.1 Tổng quát 8

2.2 Cấu tạo của một hệ thống tẩy rửa siêu âm 8

2.2.1 Đầu dò siêu âm 9

2.2.2 Máy rửa siêu âm 11

2.2.3 Bể rửa siêu âm 12

2.3 Nguyên lý hoạt động của tẩy rửa siêu âm 12

2.3.1 Hiện tượng xâm thực khí 12

2.3.2 Quy trình làm sạch bằng công nghệ siêu âm 13

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến làm sạch siêu âm 15

2.4.1 Mối quan hệ giữa bọt khí và tần số siêu âm 15

2.4.2 Dung dịch tẩy rửa 17

2.4.3 Tác dụng của nhiệt độ 17

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 19

3.1 Hóa chất 19

3.2 Dụng cụ và thiết bị 19

3.3 Quy trình tạo mẫu nhiễm bẩn 21

3.3.1 Pha dung dịch muối kaliclorua 21

3.3.2 Quy trình ngâm các ống thép 304 21

3.4 Quy trình tẩy rửa 22

3.5 Kết quả và thảo luận 23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

decontamination Dose (radiation) rate “after”

decontamination Activity “before” decontamination

Activity “after” decontamination

Sóng âm phản xạ

Hệ số tẩy xạ Giá trị đo trước khi tẩy xạ Giá trị đo sau khi tẩy xạ Liều bức xạ trước khi tẩy

xạ Liều bức xạ sau khi tẩy

xạ Hoạt độ trước khi tẩy Hoạt độ sau khi tẩy

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Giá trị đo suất liều bức xạ phông 24

Bảng 3.2 Giá trị đo suất liều bức xạ của các ống thép trước khi tẩy 25

Bảng 3.3 Giá trị đo suất liều bức xạ của các ông thép sau khi tẩy 26

Bảng 3.4 Hệ số tẩy xạ DF và DF% của các mẫu 27

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sản lượng sản phẩm phân hạch theo khối lượng của phản ứng phân hạch

neutron nhiệt với U235 và Pu239 nguồn nhiên liệu điển hình cho các lò phản ứng hạt

nhân hiện nay[11] 4

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống tẩy rửa siêu âm 9

Hình 2.2 Đầu dò siêu âm áp điện tần số 40kHz 10

Hình 2.3 Máy phát siêu âm của máy Ultrasonic SQ338A 11

Hình 2.4 a) Dung dich tẩy rửa được tiếp xúc với chất bẩn và b) Phần dung dịch làm sạch gần chất bẩn bị bão hòa 14

Hình 2.5 a) Bọt khí bắn phá lớp bão hòa và chất bẩn và b) bọt khí bắn phá chất bẩn không bị hòa tan 14

Hình 2.6 Mô tả mối quan hệ giữa tần số và bọt khí 16

Hình 3.1 Ống thép 304 với các đường kính tương ứng 20

Hình 3.2 Máy rửa siêu âm SQ338A, dung tích 1,8 lít 20

Hình 3.3 a) Chuẩn bị dung dịch muối kaliclorua và b) Các mẫu ống thép được ngâm trong dung dịch và gia nhiệt 21

Hình 3.4 a) Mẫu trước khi tẩy rửa và b) Mẫu sau khi tẩy rửa 22

Hình 3.5 Mô phỏng tẩy xạ bằng phương pháp siêu âm 23

Hình 3.6 Biểu đồ cột so sánh hiệu suất tẩy xạ DF(%) của các mẫu ngâm trong

cùng thời gian là 30 ngày, và nhiệt độ của dung dịch khi tẩy là 60 độ C 28

Hình 3.7 Biểu đồ cột so sánh hiệu suất tẩy xạ DF(%) với các nhiệt độ khác nhau của các nhóm mẫu 2, 3 và 5 28

Hình 3.8 Biểu đồ cột khảo sát thời gian tẩy rửa với các nhóm mẫu 4, 5 và 6 29

LỜI MỞ ĐẦU

Vào năm 1794 – Lazzaro Spallanzani, một nhà sinh lý học và nhà sinh học người

Ý, phát hiện ra rằng loài dơi di chuyển trong bóng tối thông qua sự phản ánh của các

âm thanh tần số cao Phát hiện của Spallanzani đã trở thành nền tảng của vật lý siêu

âm

Sóng siêu âm là một dạng sóng cơ học được truyền đi trong môi trường vật chất bằng cách truyền năng lượng từ phần tử này sang phần tử khác Dải âm thanh ta nghe được có tần số từ 20HZ đến 20kHz Còn với dải sóng âm có tần số lớn hơn 20kHz gọi là sóng siêu âm

Yêu cầu của thế kỷ 19 vào các phép đo tốc độ của âm thanh trong nước đã mở đường cho sự phát triển của SONAR Năm 1826 – Jean-Daniel Colladon, một nhà vật lý học Thụy Sĩ, đã sử dụng chiếc chuông nhà thờ dưới nước để xác định tốc độ

âm thanh trong hồ Genava Ông phát hiện ra rằng tốc độ âm thanh trong nước hơn trong không khí Bằng cách đo hai sự kiện Colladon tính ra tốc dộ âm thanh trong nước là 1435m/s, chỉ khác biệt so với tính toán ngày nay là 3m/s[3]

Các nhiệm vụ của hải quân như hoạt động của tàu ngầm và chống tàu ngầm ngày càng khốc liệt trong Chiến tranh thế giới thứ nhất đã quan tâm đặc biệt đến sự phát triển của SONAR Trong nghiên cứu và phát triển âm thanh dưới nước và đầu

dò giai đoạn này phát triển mạnh, dẫn đến những tiến bộ quan trọng trong công nghệ siêu âm hiện nay[3]

Từ việc phát triển để phục vụ cho chiến tranh, ngày nay siêu âm đã tiến bộ và

có ứng dụng rộng rãi trong đời sống như: y học, công nghiệp, cho tới làm sạch bằng sóng siêu âm…

Trong những năm 1960, tẩy xạ đã là một thực tế phổ biến trong ngành công nghiệp hạt nhân Giữa những năm 1970, với sự hỗ trợ của các cơ quan quản lý và các ngành công nghiệp, quy trình tẩy xạ trở nên hoàn thiện Vào cuối những năm 1970,

sự ngừng hoạt động của các cơ sở hạt nhân và điều này đã đưa ra một khái niệm mới trong tẩy xạ , không chỉ để giảm mức độ bức xạ, thường là mục tiêu chính, mà còn

để tạo thuận lợi cho quản lý chất thải và, nếu có thể, cho phép tái sử dụng của vật

liệu, linh kiện

Khái niệm về tẩy xạ đã được giới thiệu tại sự ra đời của ngành công nghiệp hạt nhân và đã được sử dụng để mô tả việc giảm mức độ bức xạ trên bề mặt của các thành phần, hệ thống và cấu trúc tạo điều kiện công việc bảo dưỡng, sửa chữa và kiểm soát Tầm quan trọng của tẩy xạ, và sự phát triển tất yếu của phương pháp tẩy xạ mới đa dạng như các vấn đề về giảm mức độ bức xạ và ảnh hưởng đến việc xản suất liên quan đến ngành công nghiệp hạt nhân

Từ những điều nói trên có thể thấy tầm quan trọng của việc tẩy xạ Do đó tôi đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TẨY XẠ BỀ MẶT MỘT SỐ VẬT LIỆU

VÀ THIẾT BỊ TRONG LÒ PHẢN ỨNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM”, nhằm nghiên cứu hiệu quả tẩy xạ thực tế của nó ở qui

mô phòng thí nghiệm

Nội dung của khóa luận được chia thành 3 chương:

+ Chương 1: Nhiễm bẩn phóng xạ và tổng quan về tẩy xạ

+ Chương 2: Tẩy rửa siêu âm

+ Chương 3: Thực nghiệm và kết quả

Kết Luận Và Kiến Nghị

CHƯƠNG 1 NHIỄM BẨN PHÓNG XẠ VÀ TỔNG QUAN VỀ TẨY XẠ

bề mặt, và các phương tiện gây nhiễm bẩn [4]

Trong các cơ sở hạt nhân nhiểm bẩn phóng xạ có thể xảy ra với hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn và tồn tại ở nhiều dạng khác nhau Nó có thể nằm trong bụi kim loại, trong dầu, mỡ hoặc các chất lỏng, thậm chí trong các lớp oxit ăn mòn Một phần mười của một microgram trên một bề mặt cũng gây nguy hiểm Nếu các chất gây ô nhiểm có trong không khí thì lượng chất nhiễm bẩn này nhỏ hơn nhiều [5]

Nhiễm bẩn phóng xạ có thể chia làm 3 loại [4]:

+ Nhiễm bẩn tự do: có thể loại bỏ bằng các phương pháp đơn giản như thổi, hút chân không hoặc các phương pháp tương tự

+ Nhiễm bẩn lỏng lẻo: có thể loại bỏ bởi các kỹ thuật làm sạch thông thường + Nhiễm bẩn cố định, chặt chẽ: không thể loại bỏ được nếu không loại bỏ các lớp bề mặt

Khi các chất nhiễm bẩn cố định trong một lớp oxit, nơi đồng vị phóng xạ được giữ chặt chẽ bằng cách trao đổi ion, hợp chất hóa học hay các chất hút bám khác thì tẩy xạ khó khăn hơn và lớp bề mặt cần phải được loại bỏ

1.2 Nhiễm bẩn phóng xạ trong nhà máy và cơ sở hạt nhân

Như đã trình bày, các chất nhiễm bẩn có thể xảy ra với hầu như với bất kì nguyên

tố nào, nhưng các nhiễm bẩn phổ biến nhất là kết quả từ các phản ứng phân hạch, những sản phẩm được hình thành trong quá trình phân hạch của lò phản ứng hạt nhân (hình 1.1) Các sản phẩm phân hạch được giữ lại trong nhiên liệu đã đốt cháy thường

có xu hướng ảnh hưởng tới lò phản ứng bằng cách bắt các neutron cần thiết để tiếp

tục phân hạch Ở giai đoạn này nhiên liệu được giỡ xuống để làm nguội để cho các đồng vị phân rã ngắn, hòa tan, và xử lý tại một nhà máy hóa chất để tách các sản phẩm phân hạch tránh ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của lò phản ứng Sự phong phú của các nguyên tố phóng xạ hiện diện trong các sản phẩm phân hạch hạt nhân phụ thuộc vào điều kiện phản ứng, thời gian đốt cháy nhiên liệu, và thời gian phân rã sau khi nhiên liệu rời lò phản ứng [5]

Số khối (A)

Hình 1.1 Sản lượng sản phẩm phân hạch theo số khối hạt nhân của phản ứng phân

hạch neutron nhiệt với U-235 và Pu-239 nguồn nhiên liệu điển hình cho các lò phản ứng hạt nhân hiện nay [11]

Trong hầu hết các cơ sở hạt nhân, nhiều bề mặt ngoài trở nên nhiễm bẩn là kết quả của sự rò rỉ và tràn từ các hệ thống xử lý và hoạt động phá dở, bảo trì và quản lý chất thải Hoạt động của các chất nhiễm bẩn trong không khí hoặc nước có thể tạo ra

90

Sm

129I

các lớp nhiễm bẩn trên mặt của các trang thiết bị, dụng cụ [4]

Đối với hệ thống thông gió, các nhiểm bẩn bề mặt thường lỏng lẻo, mặc dù các nhiểm bẩn phóng xạ thường được tìm thấy trong màng lọc trong ống Khi hệ thống thông gió hoạt động chúng có xu hướng hút bụi và sol khí, trong đó có thể chứa các bụi phóng xạ Các lắng đọng thường có xu hướng nằm tại các nơi mà đường ống thay đổi hướng hoặc tại các ngăn lọc khí [4]

Trong các hệ thống làm mát của lò phản ứng, nhiểm bẩn phóng xạ trên bề mặt trong là do lắng đọng từ các chất làm mát lò phản ứng mang theo neutron hoặc mang theo các sản phẩm phân hạch từ U-235 Những lắng đọng này hình thành một lớp oxit bên trong lòng ống Lớp này có cấu trúc phức tạp phụ thuộc vào hóa chất làm mát, nhiệt độ, vật liệu cấu thành hệ thống, thời gian hoạt động…Nói chung cho các lò phản ứng làm mát bằng nước, có 2 loại oxit được hình thành: một lớp bên trong và lớp bên ngoài tương đối lỏng lẻo được hình thành bởi sự lắng đọng hoặc kết tủa từ chất làm mát [4]

Đối với động cơ, thiết bị đo đạc và các bức tường,…., nhiễm bẩn không khí thường là vấn đề lớn Nhiễm bẩn này chỉ có thể được loại bỏ nếu nó có thể truy cập các linh kiện bên trong của thiết bị và động cơ Nếu động cơ và thiết bị tinh vi cần được tái sử dụng, quá trình khử nhiễm siêu âm được được sử dụng

1.3 Tổng quan về tẩy xạ

1.3.1 Khái niệm về tẩy xạ

Tẩy xạ là loại bỏ chất phóng xạ ra khỏi bề mặt bên trong và bên ngoài của các thành phần, các hệ thống và cấu trúc trong các cơ sở hạt nhân bằng hóa học, vật lý hay phương pháp khác Đôi khi cũng liên quan đến việc loại bỏ các phóng xạ nằm sâu vào vật liệu điển hình là bê tông

Thông thường tẩy xạ và làm sạch được coi là 2 quy trình riêng biệt mặc dù có thể là các quá trình vật lý tương tự Tẩy xạ là loại bỏ các chất bẩn phóng xạ và oxit

từ các bề mặt, trong khi làm sạch thường đề cập loại bỏ các vật liệu không phóng xạ Tẩy xạ nên được coi là một phần của làm sạch bởi vì một phần nhỏ của vật liệu bị loại bỏ trong quá trình tẩy xạ [4]

1.3.2 Cách thức tiếp cận và chọn phương pháp tẩy xạ

Quá trình tẩy xạ có thể được thực hiện nhằm xử lý các khu vực, thiết bị hay vật liệu bị nhiễm bẩn phóng xạ xuống mức an toàn, theo quy định của các cơ quan tổ chức Nhưng để thực hiện được cần phải xác định khi nào cần thực hiện và phương

pháp nào phù hợp Dưới đây là một số ví dụ [4]:

+ Khi một hệ thống hoặc một thành phần của hệ thống được kiểm tra, bảo trì hoặc sửa chữa, và mức độ nhiễm xạ của nó trên mức an toàn

+ Một cơ sở, hệ thống hay thiết bị được tái sử dụng cho các mục đích khác, trong đó yêu cầu độ phóng xạ phải ở mức an toàn

+ Một cơ cở, hệ thống hay thiết bị được tháo dỡ và các chất thải phát sinh cần được thu thập, xử lý một cách an toàn theo quy định của mỗi quốc gia

Trước hết cần phải so sánh 2 phương pháp tiếp cận, tẩy xạ trực tiếp hay chuyển đến một kho chứa riêng Việc tiếp xúc của các nhân viên và chi phí của các phương pháp tẩy xạ Ngoài ra cần xem xét các yếu tố khác [4]:

+ Loại hình và mức độ nhiễm xạ

+ Đặc điểm hình học của các thành phần

+ Khối lượng của các thành phần được tẩy xạ

Kỹ thuật tẩy xạ có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào mục đích tẩy xạ, và theo tính chất của bề mặt cần được tẩy ( ví dụ: kim loại, bê tông, bề mặt sơn… ) Năm 1980, Cục năng lượng Mỹ phân loại kỹ thuật tẩy xạ thành bốn loại:

+ Tẩy xạ bằng hóa học có sử dụng hóa chất: Alkaline Permanganate (AP), Ammonium Citrate (AC), EDTA, axit Oxalic(OX), Citrox, axit Hydrochloric, axit Nitric, axit Sulphuric,……

+ Tẩy xạ không sử dụng hóa chất

+ Phương pháp điện hóa

+ Tẩy xạ bằng phương pháp siêu âm

1.4 Đánh giá kết quả tẩy xạ

Hiệu quả của các quá trình tẩy xạ khác nhau được đánh giá qua các hệ số tẩy xạ

DF(decontamination factor) Đây là thông số đánh giá kết quả của quá trình tẩy xạ,

nó liên quan đến các thông số đo trước và sau khi tẩy rửa:

Mb

DF =

Trong đó: DF là hệ số tẩy xạ thường lớn hơn 1 Mb giá trị được đo trước khi tẩy

xạ và Ma giá trị đo sau khi tẩy xạ tại cùng vị trí với Mb

Ngoài ra DF còn được tính theo phần trăm:

M - MabDF(%) =

Mb

DF =

Ia

Trong đó Ib và Ia là liều bức xạ được đo cùng tại một ví trí, đo lần lượt trước

và sau khi tẩy xạ Phương pháp đo này thường được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, nơi mà các phép đo bức xạ gọi là phép đo suất liều

Phương pháp thứ 2 là sử dụng phép đo hoạt độ phóng xạ Đây được gọi là DF tẩy xạ và được định nghĩa:

Ab

CHƯƠNG 2 TẨY RỬA SIÊU ÂM 2.1 Tổng quát

Làm sạch là vấn đề mà tất cả chúng ta thường xuyên phải đối mặt hàng ngày Nói một cách bao quát hơn, đó là sự tẩy rửa những chất không cần thiết, không mong muốn ra khỏi những vị trí của những thiết bị, dụng cụ cần làm sạch [1]

Đầu những năm 1930, một trong những phòng thí nghiệm tại Tổng công ty phát thanh Mỹ (RCA) tại New Jersey, đã phát hiện việc sử dụng sóng siêu âm để làm sạch một cách khá tình cờ, trong khi sử dụng các chất làm mát các thành phần bên trong của một đài phát thanh Hiện tượng này khá thú vị nhưng nó không được tìm tìm hiểu

kỹ [9]

Trong những năm 1950, phần lớn các hệ thống làm sạch siêu âm được phát triển, được vận hành tại tần số từ 18 đến 40 kHz Tần số 18kHz là tần số thấp nhất, nhưng vẫn được sử dụng thường xuyên trong ngành công nghiệp hiện nay [9] Năm 1952, làm sạch siêu âm đã được đưa ra khỏi phòng thí nghiệm và lần đầu tiên được sử dụng trong sản xuất của Công ty Cổ phần Bendix tại Davenport, Iowa [10]

Làm sạch bằng siêu âm cung cấp nhiều lợi thế hơn các phương pháp thông thường khác Sóng siêu âm tạo ra các đợt bùng nổ bọt khí và phân bố đều trong một môi trường lỏng Các bọt khí được tạo ra và thâm nhập sâu vào các khe, lỗ mù và các khu vực khó có thể tiếp cận Do đó hiệu quả làm sạch của phương pháp này tốt hơn nhiều so với các phương pháp khác [6]

2.2 Cấu tạo của một hệ thống tẩy rửa siêu âm

Cấu tạo của một hệ thống tẩy rữa siêu âm bao gồm: máy phát siêu âm công suất,

bể rửa và một cảm biến như hình 2.1 Máy phát siêu âm công suất truyền một năng lượng điện ở tần số nhất định nào đó cho cảm biến siêu âm, cảm biến này biến đổi năng lượng điện này sang năng lượng cơ dưới dạng sóng [1]

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống tẩy rửa siêu âm

2.2.1 Đầu dò siêu âm

Đầu dò siêu âm chuyển đổi năng lượng điện thông qua các rung động cơ học ở tần số siêu âm Các loại chính của các đầu dò bao gồm chất lỏng điều khiển, từ giảo

và đầu dò áp điện [8]

Hiện này có hai loại hiệu ứng vật lý có thể tạo ra nguồn sóng siêu âm công suất lớn là: Hiệu ứng từ giảo (Magnetostrictive) và hiệu ứng áp điện (Piezoelectric) Nguyên lý hoạt đông của cảm biến từ giảo: Bản chất của hiện tượng từ giảo là

do tương tác spin-quỹ đạo của các điện tử trong vật liệu sắt từ Hiện tượng từ giảo chỉ

có thể xảy ra khi đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu và có tương tác quỹ đạo mạnh Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân bố của các điện tử sẽ quay theo sự quay của momen từ, từ hướng này sang hướng khác và từ giảo được tạo ra do

spin-sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử và điện tích của môi trường [12]

Như vậy quá trình tạo sóng âm ở hiệu ứng từ giảo là quá trình biến đổi năng lượng điện sang từ trường và từ trường sang năng lượng cơ học Quá trình biến đổi trên tạo ra sự mất mát về mặt năng lượng do vậy cảm biến siêu âm từ giảo thường có

60Hz

Máy phát công suất 20 – 120 kHz

Bể rửa siêu âm

Cảm biến PZT

hiệu suất thấp Tuy nhiên các vật liệu sắt từ có đặc tính cơ học cao vì vậy có thể tạo

ra các nguồn sóng siêu âm công suất lớn và khả năng chịu đựng cao các tác động và môi trương khắc nghiệt Thực tế cho thấy khi dẫn từ trường xoay chiều vào vật liệu sắt từ, vật liệu này bị co giãn về kích thước tạo nên các sóng đứng trên bề mặt vật liệu

từ theo tần số biến đổi của từ trường đi qua nó Mức độ dao động này có thể lên tới 1,0 ÷ 10µm ở dải tần số 50 kHz [1]

Nguyên lý hiệu ứng áp điện (Piezoelectric): Một số vật liệu như tinh thể thạch anh, barium có dao động sóng cơ khi áp lên nó những dòng điện tích xoay chiều Tuy nhiên những vật liệu này thường dao động không ổn định và khả năng chịu tải cơ học thấp Từ những năm 1940, các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo ra cảm biến Piezoelectric

có công suất lớn, độ bền cơ học cao và môi trường đặc biệt rất ổn định về mặt tần số Tuy nhiên hiệu ứng biến dạng trong Piezoelectric thường bé hơn nhiều so biên độ dao động của từ giảo Thông thường biên độ dao động của Piezoelectric thường nằm trong khoảng 0,1µm ÷ 7µm Tuy vậy tần số làm việc của Piezoelectric (hình 2.2) có thể lên đến 5MHz [1]

Hình 2.2 Đầu dò siêu âm áp điện tần số 40kHz

Xét về phương diện công suất thì cảm biến siêu âm từ giảo có công suất cao hơn nhiều so với cảm biến siêu âm áp điện (Piezoelectric) Xét về kích thước vật lý của cảm biến Piezoelectric nhỏ gọn thường được dùng để chế tạo máy rửa siêu âm Chúng thường được đặt ở phí dưới, các bên của thành bể rửa hay ngâm vào trong lòng bể rửa

2.2.2 Máy phát siêu âm

Hiện nay rất nhiều hãng trên thế giới chế tạo nhiều máy phát siêu âm với nhiều chủng loại khác nhau Máy phát siêu âm thực chất là một máy điện công suất lớn nhằm tạo ra nguồn điện công suất lớn, có tần số sóng siêu âm từ 20-120kH và có công suất từ vài chục Watts đến hàng kilo Watts tùy theo mục đích sử dụng Máy phát siêu

âm bao gồm máy phát tín hiệu và bộ khuếch đại công suất dải rộng nhằm kích hoạt hoạt đầu dò siêu âm [1]

Hình 2.3 Cấu tạo bên trong máy phát siêu âm hiệu Ultrasonic SQ338A

2.2.3 Bể rửa siêu âm

Bể chứa được làm bằng chất liệu thép không rỉ, có khả năng chịu được trong môi trường kiềm và axit tốt Bể rửa siêu âm có nhiều dạng khác nhau: máy rửa siêu

âm độc lập, máy rửa siêu âm tách biệt hai khối, máy rửa siêu âm nhiều khối đa chức năng

Môi trường tốt nhất cho bọt khí là một bể tẩy rửa, các bọt khí ở trong bể tẩy rửa nằm trong khu vực ảnh hưởng của sóng siêu âm chúng được đạt đến giới hạn tối đa

về các thông số như kích thước bọt khí, lực ảnh hương khi nổ của bọt khí [7] Ngoài

ra bể rửa siêu âm còn có tác dụng chứa đựng dung dịch sau khi tẩy, nhằm hạn chế phát sinh nhiễm bẩn thứ cấp Tạo điều kiện cho việc quản lý, lưu giữ chất thải

2.3 Nguyên lý hoạt động của tẩy rửa siêu âm

2.3.1 Hiện tượng xâm thực khí

Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường lỏng, các chu trình kéo và nén liên tiếp được tạo thành Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờ liên kết hóa học Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau hơn và trong chu kì kéo chúng bị tách xa ra Áp lực trong chu trình kéo đủ mạnh để thắng lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ Bọt khí trở thành hạt nhân của hiện tượng xâm thực khí, bao gồm bọt khí ổn định và bọt khí tạm thời [2]

Bọt khí ổn định là nguồn gốc của những bong bóng khí nhỏ, kích thước của chúng dao động nhẹ trong các chu trình kéo và nén, chúng tăng thêm về kích thước Trong suốt quá trình dao động, bọt khí ổn định có thể chuyển thành bọt khí tạm thời Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này, tạo nên hiện tượng “sốc sóng” và hình thành dòng nhiệt bên trong chất lỏng Bọt khí ổn định có thể lôi kéo những bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành dòng nhiệt nhỏ [1] Các bọt khí có kích cỡ thay đổi nhanh chóng, chỉ qua vài chu trình chúng bị vỡ

ra Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khí kéo giãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân bằng ở bên trong và bên ngoài bọt khí Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình kéo lớn hơn trong chu trình nén, vì vậy sự khuyếch tán khí trong chu trình kéo lớn