Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ

Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ Thực nghiệm khảo sát lỗ rỗng bên trong vật liệu bê tông bằng phương pháp gamma tán xạ

SVTH : ĐÀO CHÍ KHƯƠNG CBHD: TS TRẦN THIỆN THANH CBPB : ThS LÊ HOÀNG CHIẾN

TP HỒ CHÍ MINH - 2015

Quý Thầy Cô Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã tạo môi trường học tập thân thiện, gần gũi, nghiêm khắc để em học tập, tiếp thu kiến thức và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt khóa học

Thầy Trần Thiện Thanh đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết để truyền đạt cho em kiến thức lẫn kỹ năng thực nghiệm

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

Quý Thầy Cô và Anh Chị trong nhóm nghiên cứu đã hỗ trợ và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện khóa luận

Con xin cảm ơn bố mẹ và gia đình đã ủng hộ con cả tinh thần và vật chất trong suốt thời gian qua

Tôi xin cảm ơn đến toàn thể các anh chị và các bạn trong lớp 11VLH 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 2015

Đào Chí Khương

MỤC LỤC

Danh mục các từ viết tắt iv

Danh mục các bảng biểu v

Danh mục các hình vẽ vi

Mở đầu 1

Chương 1 Tổng quan 3

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu phương pháp gamma tán xạ 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 3

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 4

1.2 Lý thuyết gamma tán xạ 5

1.2.1 Tán xạ Compton 5

1.2.2 Tán xạ Rayleigh 6

1.3 Các đặc trưng của tán xạ Compton 6

1.3.1 Năng lượng gamma sau khi tán xạ 6

1.3.2 Tiết diện tán xạ Compton 7

1.3.3 Cường độ gamma tán xạ 7

1.3.4 Tán xạ nhiều lần 9

1.3.5 Phổ tán xạ Compton 10

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tán xạ 11

1.5 Phương pháp khảo sát lỗ rỗng 13

1.6 Nhận xét chương 1 13

Chương 2 Hệ đo gamma tán xạ 14

2.1 Hệ đo thực nghiệm gamma tán xạ 14

2.1.1 Khối nguồn 14

2.1.2 Khối đầu dò 17

2.1.3 Bia thí nghiệm 20

2.1.4 Hệ cơ giá đỡ 21

2.2 Bố trí hệ đo gamma tán xạ 22

2.3 Bố trí thí nghiệm 23

2.3.1 Khảo sát sự thay đổi mật độ trong bia 23

2.3.2 Xác định sự phân bố của lỗ rỗng trong bê tông 24

2.3.3 Khảo sát lỗ rỗng theo kích thước 25

2.3.4 Khảo sát lỗ rỗng theo độ sâu 26

2.4 Nhận xét chương 2 26

Chương 3 Kết quả và thảo luận 27

3.1 Xác định cường độ tán xạ một lần 27

3.1.1 Trừ phông 27

3.1.2 Tách đỉnh tán xạ một lần 28

3.2 Kết quả thực nghiệm 29

3.2.1 Khảo sát sự thay đổi mật độ 29

3.2.2 Khảo sát phân bố lỗ rỗng trong bê tông 30

3.2.3 Khảo sát lỗ rỗng theo kích thước 34

3.2.4 Khảo sát lỗ rỗng theo độ sâu 36

3.3 Nhận xét chương 3 38

Kết luận và kiến nghị 39

Tài liệu tham khảo 41

Phụ lục 43

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

đại

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Kết quả khảo sát sự thay đổi mật độ trong bia 29

Bảng 3.2: Kết quả khảo sát sự phân bố lỗ rỗng trong bia 33

Bảng 3.3: Kết quả khảo sát lỗ rỗng theo kích thước lỗ rỗng 34

Bảng 3.4: Kết quả khảo sát lỗ rỗng theo độ sâu 38

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quá trình tán xạ Compton 5

Hình 1.2: Quá trình tán xạ một lần của gamma lên vật liệu 7

Hình 1.3: Phổ gamma tán xạ của nguồn 137Cs tại góc 120o trên bia bê tông 11

Hình 2.1: Mô hình nguồn phóng xạ 137Cs 14

Hình 2.2: Mô hình hộp chứa nguồn 15

Hình 2.3: Bản vẽ chi tiết ống chuẩn trực nguồn 16

Hình 2.4: Bản vẽ chi tiết lắp ráp của khối nguồn 16

Hình 2.5: Hình ảnh khối nguồn thực tế 17

Hình 2.6: Đầu dò NaI(Tl) 7,62 cm x 7,62 cm 18

Hình 2.7: Hệ điện tử tích hợp 19

Hinh 2.8: Mẫu bê tông với các khuyết tật khác nhau 20

Hình 2.9: Mô hình xe nâng và khung dịch chuyển 21

Hình 2.10: Sơ đồ bố trí hệ đo thực nghiệm 22

Hình 2.11: Bia khảo sát mật độ 24

Hình 2.12: Bia khảo sát vị trí khuyết tật 24

Hình 2.13: Bia khảo sát kích thước khuyết tật 25

Hình 2.14: Bia khảo sát độ sâu khuyết tật 26

Hình 3.1: Phổ gamma tán xạ của nguồn 137Cs tại góc 120o trên bia bê tông chuẩn sau khi trừ phông 27

Hình 3.2: Đỉnh tán xạ một lần tính bằng chương trình Colegram 29

Hình 3.3: Kết quả khảo sát xác định vị trí khuyết tật 31

Hình 3.4: Bề dày bia chùm gamma tán xạ đi qua tại các vị trí gần thành khối

bê tông 32

Hình 3.5: Kết quả khảo sát khuyết tật theo kích thước 35

Hình 3.6: Kết quả khảo sát khuyết tật theo độ sâu 36

MỞ ĐẦU

Bê tông là loại vật liệu xây dựng quan trọng được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Bên cạnh đó bê tông còn được dùng làm vật liệu che chắn phóng xạ đặc biệt là che chắn neutron do bê tông được cấu thành từ các nguyên tố nhẹ và trên hết là có sự tồn tại của hydro

Nguyên nhân làm bê tông được ưa chuộng là do giá thành rẻ và dễ đúc thành nhiều hình dạng khác nhau Tuy nhiên theo thời gian bê tông có thể bị hư hại làm ảnh hưởng đến chất lượng công trình Các công trình kiến trúc lớn như nhà cao tầng hay những công trình phải chịu áp lực lớn như cầu, cầu vượt, đòi hỏi bê tông phải có độ bền và khả năng chịu lực tốt Sự tồn tại các lỗ rỗng hay các vết nứt sẽ làm giảm độ chịu nén của bê tông, dễ gây vỡ bê tông và tạo điều kiện cho các yếu tố xâm thực bên ngoài

đi vào phía trong ăn mòn cốt thép bên trong Bê tông mật độ không đúng theo tiêu chuẩn, có độ rỗng cao cũng sẽ đẩy nhanh quá trình cacbonac hóa gây tổn hại nghiêm trọng đến cốt thép trong bê tông Điều này ảnh hưởng xấu đến công trình và thậm chí

có thể gây ra tai nạn không mong muốn

Từ đây ta thấy được việc kiểm tra theo dõi chất lượng bê tông giữ vai trò vô cùng quan trọng Đã từ lâu, gamma tán xạ là một trong những phương pháp kiểm tra không hủy mẫu (NDT) được ứng dụng trong kiểm tra thẩm định chất lượng công trình, đo mật

độ, đo mức, xác định các vết nứt hoặc lỗ rỗng trong vật liệu và cũng được dùng kiểm tra chất lượng bê tông Có một số phương pháp NDT như siêu âm, bột từ, gamma truyền qua, … Nhưng đối với các công trình bê tông lớn như cầu, đường, … thì phương pháp gamma tán xạ chiếm ưu thế hơn do:

- Đầu dò và nguồn phóng xạ có thể đặt cùng phía với vật liệu, phù hợp với những vật liệu mà phía bên kia khó tiếp cận hoặc không thể tiếp cận được

- Khi đối tượng cần đo ở trong điều kiện khắc nghiệt ví dụ như: nhiệt độ cao, áp suất lớn, môi trường hoá chất độc hại thì phương pháp tán xạ vẫn có thể thực hiện mà không làm ảnh hưởng đến quá trình làm việc của đối tượng khảo sát Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng phương pháp gamma tán xạ để thực nghiệm trên vật liệu bê tông dạng hình hộp kích thước 40 cm x 20 cm x 10 cm với các

lỗ rỗng hình trụ kích thước khác nhau nằm ở các vị trí khác nhau, sử dụng nguồn

Nội dung khóa luận được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong nước và thế giới về phương pháp gamma tán xạ Trình bày những lý thuyết liên quan đến phép đo tán xạ

Chương 2: Trình bày về mô hình của hệ đo, những cấu tạo chi tiết của các bộ phận trong hệ và cách bố trí thí nghiệm để có một phép đo hoàn chỉnh

Chương 3: Xử lý số liệu thực nghiệm và đưa ra kết quả: từ phổ gamma thu được

từ thực nghiệm tính toán tìm khả năng nhận diện lỗ rỗng và vị trí của các lỗ rỗng bên trong khối bê tông đồng thời xác định giới hạn về kích thước lỗ rộng và độ sâu của lỗ rỗng mà ở đó hệ đo còn phát hiện được

Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu phương pháp gamma tán xạ

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trương Thị Hồng Loan và cộng sự [4] đã sử dụng chương trình MCNP để mô

Ir và 60Co

các bia nhôm có bề dày khác nhau trong hai trường hợp góc giữa bia và chùm tia tới là

thành phần tán xạ nhiều lần giảm, đỉnh tán xạ ngược một lần có xu hướng dịch chuyển

về phía năng lượng thấp, sai số vị trí đỉnh trong mô phỏng và lý thuyết nhỏ hơn 10%

Ir có năng lượng 316,5 keV, bề dày bão hòa của nhôm là 1cm

Trần Đại Nghiệp [5] nghiên cứu phương pháp kiểm tra khuyết tật bằng phương

NaI(Tl), máy phân đa kênh (MCA) 4096 kênh, vật liệu khảo sát là thép cacbon, thép không gỉ và gạch chịu lửa Kết quả thu được, tác giả xác định vị trí và hình dạng khuyết tật thông qua các số đếm tán xạ ngược thu được từ đầu dò và cho hình ảnh rất

xạ gần như không đáng kể, sai số số đếm vùng thể tích tán xạ xấp xỉ 10%

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Fernández [9] đã nghiên cứu về tán xạ hai lần Compton và Rayleigh cho chùm gamma không phân cực Cường độ của tán xạ hai lần (bao gồm Compton-Compton, Compton-Rayleigh, Rayleigh-Compton, Rayleigh-Rayleigh) được suy ra dựa trên lí thuyết vận chuyển cho một mẫu dày vô hạn được chiếu xạ bởi một chùm gamma đơn năng Sự đóng góp của số bậc tương tác (tức số lần tương tác mà tia gamma trải qua) được phân biệt dựa trên lời giải của phương trình vi phân Boltzmann Từ đó, tác giả đã tính toán cường độ tán xạ một lần và tán xạ hai lần cho các vật liệu đơn nguyên tố và hỗn hợp Các kết quả tính toán lí thuyết cũng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm và

mô phỏng Monte Carlo

Priyada và cộng sự [12] đã tiến hành thực nghiệm xác định hàm lượng nước bên trong khối bê tông xây dựng bằng phương pháp tán xạ Compton và đối chiếu với kết quả từ phương pháp trọng lượng và phương pháp gamma truyền qua Tác giả sử dụng

ứng suy giảm kết quả thu được rất trùng khớp với phương pháp trọng lượng và phương pháp truyền qua (độ chính xác 6%) và có thể phát hiện được sự thay đổi hàm lượng nước nhỏ hơn 2%

Boldo và Appoloni [9] đã tiến hành thực nghiệm xác định vị trí của các lỗ rỗng và thanh thép bên trong khối bê tông cốt thép bằng phương pháp tán xạ Compton Tác giả thực nghiệm trên bia là các khối bê tông 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

mm) và đầu dò CdTe (ống chuẩn trực hình trụ kích thước ϕ7 x 30 mm) Khối bê tông 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 cho thấy khi vùng thể tích tán xạ đi ngang qua vị trí của lỗ rỗng và thép thì có sự thay đổi trong cường độ tán xạ ghi nhận được ( tăng lên với thép và giảm xuống với lỗ rỗng) Nhưng 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

Mục tiêu của khóa luận là khảo sát khả năng phát hiện ra các lỗ rỗng bên trong kết cấu bê tông đối với hệ đo gamma tán xạ Các lỗ rỗng bên trong khối bê tông được thay đổi kích thước và khoảng cách từ bề mặt bia để xác định khả năng phát hiện của

hệ đo Bên cạnh đó xác định sự phân bố của các lỗ rỗng bên trong kết cấu bê tông

1.2 Lý thuyết gamma tán xạ

Tia gamma tương tác với vật chất chủ yếu theo ba cơ chế: hiệu ứng quang điện, tán xạ và hiệu ứng tạo cặp Hiệu ứng quang điện xảy ra đối với gamma ở vùng năng lượng thấp Khi đó năng lượng gamma gần với nặng lượng liên kết của electron với nguyên tử Hiêu ứng tạo cặp chỉ xảy ra khi năng lượng gamma lớn hơn 1 MeV Cơ chế tán xạ chiếm ưu thế ở vùng năng lượng trung gian từ 150 keV đến 3 MeV và là cơ chế quan trọng đối với phương pháp gamma tán xạ Nắm được các đặc trưng cơ bản của gamma tán xạ là cơ sở để xây dựng hệ đo tối ưu nhất mang lại hiệu quả cao trong công tác đo đạc

Hạt nhân

Sau va chạm tia gamma mất đi một phần năng lượng và bị lệch đi một góc θ so với phương tới ban đầu Electron sau khi nhận năng lượng từ tia gamma thì bị đẩy khỏi nguyên tử trở thành electron tự do hay còn được gọi là electron Compton Quá trình tán

xạ Compton được mô tả như Hình 1.1

1.2.2 Tán xạ Rayleigh

Tán xạ Rayleigh (tán xạ đàn hồi) là quá trình mà tia gamma bị tán xạ lên các electron liên kết của nguyên tử mà không gây nên sự ion hoá hay kích thích nguyên tử Trái ngược với tán xạ Compton, sau khi tán xạ Rayleigh tia gamma không thay đổi năng lượng mà chỉ bị lệch đi so với phương ban đầu và sau tán xạ electron không bị bứt khỏi nguyên tử

1.3 Các đặc trƣng của tán xạ Compton

1.3.1 Năng lƣợng gamma sau khi tán xạ

Như đã đề cập ở trên, tán xạ Rayleigh chỉ làm thay đổi hướng của tia gamma so với ban đầu mà không có sự thay đổi năng lượng Tán xạ Compton làm thay đổi hướng

và năng lượng của bức xạ gamma so với ban đầu Năng lượng E của tia gamma sau tán

E là năng lượng gamma sau khi tán xạ

θ là góc tán xạ đối với phương tới của tia gamma

1.3.2 Tiết diện tán xạ Compton

Tán xạ Compton diễn ra không đẳng hướng mà có sự phụ thuộc vào góc tán xạ Như vậy, ở những góc tán xạ khác nhau thì xác suất để một gamma tán xạ vào góc này cũng rất khác nhau Xác suất mà photon sau khi va chạm với electron tự do rồi tán xạ vào góc θ xác định tính trên một đơn vị góc khối Ω được cho bởi tiết diện tán xạ vi phân Klein-Nishina [11] như sau:

Bên cạnh năng lượng tán xạ thì cường độ tán xạ một lần là thông tin rất quan

trọng đối với phương pháp gamma tán xạ Hình 1.2 mô tả cấu hình thông thường của

hệ đo gamma tán xạ

Hình 1.2: Quá trình tán xạ một lần của gamma lên vật liệu

Trên Hình 1.2, vùng tán xạ là phần thể tích giao bởi góc mở của ống chuẩn trực

nguồn và ống chuẩn trực đầu dò (phần giao giữa các đường đứt nét) Giả sử tâm tán xạ

Đầu dò

Nguồn

tại vị trí P, cường độ gamma tán xạ đến được đầu dò là kết quả của ba quá trình tương tác khác nhau:

trí tán xạ P (theo đường α)

Để đến được vị trí tán xạ thì chùm gamma phải đi xuyên qua lớp vật liệu có bề dày là x tùy thuộc vào cấu hình hệ đo Chùm gamma tương tác với electron trong lớp vật chất nên cường độ giảm đi Cường độ chùm gamma đến tâm tán xạ P được tính bởi công thức:

trong đó :

Từ tiết diện tán xạ vi phân Klein-Nishina, cường độ gamma tán xạ tại P theo góc

θ được cho bởi:

I2 I1d KN(θ)

trong đó:

d KN(θ)

S(q,Z) đại diện cho hàm tán xạ không đàn hồi đối với ảnh hưởng của năng lượng liên kết của electron với nguyên tử

dV là thể tích vùng tán xạ

là góc nhìn của đầu dò đối với vùng tán xạ

 Quá trình 3: Sự suy giảm của chùm gamma tán xạ khi đi từ tâm tán xạ P qua

bề dày x’đến đầu dò (theo đường β)

Trước khi thoát khỏi bia, chùm gamma tán xạ tương tác với electron trong lớp vật liệu có bề dày x’ nên cường độ gamma giảm

với (E) là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu đối với năng lượng E

Như vậy, cường độ gamma tán xạ tại P đến được đầu dò được tính như sau:

1.3.4 Tán xạ nhiều lần

Công thức (1.6) chỉ áp dụng cho trường hợp các bức xạ gamma chỉ trải qua một lần tán xạ Compton Trên thực tế cường độ gamma tán xạ ghi nhận được tại đầu dò bao gồm cả gamma tán xạ một lần và cả gamma chịu tán xạ nhiều hơn một lần trước khi

được ghi nhận tại đầu dò Các bức xạ gamma này chịu tán xạ tại một góc tán xạ nào đó khác với góc tán xạ khảo sát rồi đến đầu dò sau khi trải qua thêm một hoặc nhiều quá trình tán xạ khác bên ngoài vùng tán xạ hay thể tích tán xạ Do đó, gamma tán xạ nhiều lần không mang thông tin của vùng khảo sát Ngược lại sự tồn tại của tán xạ nhiều lần gây khó khăn trong việc xác định đỉnh tán xạ một lần, gây sai lệch thông tin tại vùng khảo sát

Trong phép đo tán xạ ngược gamma, có hai yếu tố mà ta cần quan tâm là diện tích

và độ rộng của đỉnh tán xạ một lần Diện tích của đỉnh tán xạ một lần đặc trưng cho xác suất ghi nhận các tia gamma tán xạ trong đầu dò, do đó diện tích đỉnh càng lớn thì thống kê của phép đo đạt được càng tốt Đối với độ rộng của đỉnh tán xạ một lần, giá trị của nó được yêu cầu càng nhỏ càng tốt để hạn chế sự đóng góp của các sự kiện tán

xạ nhiều lần Bởi vì tán xạ nhiều lần gây ra sự thăng giáng thống kê làm tăng sai số của phép đo Do đó, bố trí hệ đo phải đảm bảo sao cho sự đóng góp của tán xạ nhiều lần là thấp nhất

1.3.5 Phổ tán xạ Compton

Do ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần, phổ năng lượng gamma tán xạ toàn phần là

sự chồng chập của phổ tán xạ một lần và phổ tán xạ nhiều lần Tuy nhiên sự phân bố năng lượng trong phổ tán xạ nhiều lần thường trải dài trên một miền rộng hơn, tạo ra

“nhiễu” dẫn tới sự sai lệch về hình dạng phổ tán xạ một lần Tán xạ nhiều lần có xác suất rất nhỏ nên thăng giáng thống kê lớn hơn so với tán xạ một lần gây ra sai số, làm giảm độ chính xác của phép đo Trong nền tán xạ nhiều lần thì đỉnh tán xạ hai lần có ảnh hưởng nhiều nhất trong việc xác định diện tích đỉnh một lần

Theo nghiên cứu của Fernández [9], sự đóng góp của tán xạ hai lần gồm: Compton - Compton, Compton - Rayleigh, Rayleigh - Compton và Rayleigh-Rayleigh Trong đó, tán xạ Rayleigh - Rayleigh chỉ đóng góp một mức năng lượng rời rạc bằng

Hình 1.3: Phổ gamma tán xạ của nguồn 137Cs tại góc 120o trên bia bê tông

Sự phân bố năng lượng của tán xạ Compton - Rayleigh và Rayleigh - Compton có

m0c 2) tới E0 và có năng lượng cực đại tại năng lượng bằng với năng lượng tán xạ Compton một lần Như vậy, sự đóng góp của tán xạ Compton - Rayleigh và Rayleigh - Compton gây ra một sự khó khăn trong việc đánh giá các sự kiện tán xạ một lần vì sự chồng chập của chúng là không thể phân biệt được trên phổ tán xạ Điều này, một lần nữa khẳng định sự phức tạp trong nghiên cứu

Đỉnh tia X đặc trưng

Khi góc tán xạ tăng lên thì diện tích đỉnh tán xạ một lần giảm, vị trí đỉnh tán xạ một lần bị dịch chuyển về phía năng lượng thấp là vùng năng lượng mà có sự đóng góp lớn của tán xạ nhiều lần, gây khó khăn cho việc khảo sát tán xạ một lần Đồng thời, khi góc tán xạ tăng thì giá trị bề rộng một nửa (FWHM) giảm và sự chênh lệch giá trị FWHM giữa các bề dày bia khác nhau nhỏ Mặt khác, khi góc tán xạ tăng lên thì làm cho độ cao đỉnh tán xạ một lần tăng [10] Việc lựa chọn góc tán xạ ngược và góc đặt bia sao cho thuận lợi cho việc khảo sát các đặt trưng của đỉnh tán xạ một lần như diện tích đỉnh, độ cao đỉnh, giá trị FWHM, vị trí đỉnh tán xạ và hạn chế sự đóng góp của tán

Các lớp tán xạ càng mỏng thì sự đóng góp của chùm gamma tán xạ một lần vào phổ tán xạ càng lớn Với một vật liệu tán xạ nhất định (mật độ không đổi), khi tăng bề dày của lớp vật chất tán xạ, cường độ chùm gamma tán xạ cũng tăng lên nhưng không tăng một cách tuyến tính Khi tăng bề dày đến một giới hạn nào đó thì cường độ chùm gamma tán xạ đạt giá trị bão hoà Ở giới hạn đó, các tia gamma tán xạ đều bị hấp thụ hết trước khi đến bề mặt lớp phản xạ

Vật liệu làm bia thay đổi sẽ làm thay đổi mật độ electron Do đó xác suất để gamma tương tác với electron cũng thay đổi Cường độ tán xạ tăng khi mật độ electron tăng và ngược lại Tuy nhiên, đối với các vật liệu nặng, hiệu sự suy giảm cường độ trở nên đáng kể làm giảm cường độ tán xạ

Ta thấy rằng với một cấu hình hệ đo cho trước, tức các yếu tố về nguồn, chuẩn trực và góc tán xạ không đổi, thì cường độ tán xạ một lần chỉ phụ thuộc vào mật độ electron bên trong thể tích tán xạ Sự thay đổi mật độ đột ngột sẽ gây ra sự biến đổi trong cường độ tán xạ

1.5 Phương pháp khảo sát lỗ rỗng

Khóa luận chủ yếu dựa vào sự phụ thuộc của cường độ tán xạ một lần vào mật độ vật chất tại nơi khảo sát để đánh giá có hoặc không có khuyết tật bên trong bia Trong quá trình thực nghiệm, cấu hình của hệ đo luôn không đổi Việc còn lại làm thay đổi mật độ trong vùng khảo sát Vùng khảo sát hay thể tích tán xạ là phần thể tích giao nhau độ mở của ống chuẩn trực nguồn và trường nhìn của đầu dò đối với bia Các khối bia làm từ bê tông được thiết kế sao cho 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 Công thức tính độ sai biệt [8] được cho như sau:

trong đó

N là cường độ tán xạ một lần khi mật độ thay đổi

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 khóa luận đã sử dụng các phần mềm hỗ trợ sau:

CHƯƠNG 2

HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ 2.1 Hệ đo thực nghiệm gamma tán xạ

Hệ đo thực nghiệm gamma tán xạ gồm ba thành phần chính là: khối nguồn, khối đầu dò và bia tán xạ Dưới đây là phần mô tả các đặc điểm của hệ đo tán xạ ngược được sử dụng trong khóa luận

2.1.1 Khối nguồn

Khối nguồn được thiết kế gồm nguồn phóng xạ, thanh thép gắn nguồn, ống chuẩn trực, hộp chứa nguồn

Nguồn phóng xạ: trong phép đo gamma tán xạ, các nguồn phát bức xạ gamma

với xác suất 92% và 1170 keV với xác suất 8% rồi phát bức xạ gamma năng lượng 662

nguồn đơn năng nên dễ kiểm tra năng lượng của đỉnh tán xạ trong phổ thực nghiệm từ

lý thuyết tán xạ Compton

Hình 2.1: Mô hình nguồn phóng xạ 137Cs [6]

ϕ = 0,6 cm Lớp vỏ ngoài

Lớp vỏ trong

Vật liệu phóng xạ

0,8 cm

Nguồn 137Cs chứa chất phóng xạ được nén dưới dạng viên, được bọc kín bởi hai lớp vỏ bằng thép, với lớp vỏ ngoài hình trụ có đường kính 0,6cm, chiều dài 0,8cm

Hình 2.1 là mô hình nguồn phóng xạ 137Cs

đường kính 3cm, dài 25cm Vị trí gắn nguồn là một lỗ hình trụ, đường kính 0,6cm, độ sâu 0,8cm

Hộp chứa nguồn: Hộp chứa nguồn có tác dụng hạn chế các tia phóng xạ phát ra từ nguồn đi trực tiếp đến đầu dò do đặc tính phát bức xạ đẳng hướng của nguồn và đảm bảo an toàn cho người làm thí nghiệm Với những yêu cầu trên, hộp chứa nguồn được thiết kế bằng chì, hình trụ, đường kính 22cm, chiều dài 24cm Trong hộp, ở hai đầu có hai lỗ hình trụ đồng trục với đường kính lần lượt là 3cm và 5cm, chiều dài 14cm và

10cm Hộp chứa nguồn được minh họa trong Hình 2.2

Hình 2.2: Mô hình hộp chứa nguồn

Ống chuẩn trực nguồn là một khối rỗng bằng chì chiều dài 20cm, đường kính trong 1cm, đường kính ngoài là 5cm Ống sẽ được đưa vào hộp chứa nguồn từ phía

Mặt trước Mặt cắt dọc

trước của hộp, khít với lỗ 5cm của hộp được tạo ra Phần nhô ra ngoài bên ngoài của ống chuẩn trực so với hộp nguồn là 10cm sau khi được lắp

Hình 2.3: Bản vẽ chi tiết ống chuẩn trực nguồn

Hình 2.4: Bản vẽ chi tiết lắp ráp của khối nguồn

20 cm Mặt cắt dọc

1 cm Mặt cắt ngang

Thanh thép gắn nguồn

Vị trí gắn nguồn

Nguồn phóng xạ được gắn vào đầu thanh thép hình trụ đường kính 3cm, dài 25

cm, ở đầu thanh có khoan một lỗ hình trụ đường kính 0,6cm và sâu 0,8cm Thanh thép được lắp vào hộp chứa nguồn từ phía sau hộp, sao cho nguồn phóng xạ hướng về phía trước Ống chuẩn trực nguồn gắn từ phía trước của hộp chứa nguồn

Hình ảnh thực tế của khối nguồn:

Hình 2.5: Hình ảnh khối nguồn thực tế

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

dò NaI(Tl) có những ưu điểm như: hiệu suất ghi tương đối cao phù hợp với những phép đo thực tế trong đó sử dụng nguồn phóng xạ có hoạt độ lớn, yêu cầu tốc độ ghi đo nhanh; đầu dò NaI(Tl) có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng nên được sử dụng rộng rãi, trong khi đầu dò HPGe chỉ có thể hoạt động ở chế độ làm lạnh

Hình 2.6: Đầu dò NaI(Tl) 7,62cm x 7,62cm

Bộ phận quan trọng nhất của đầu dò NaI(Tl) được sử dụng là tinh thể NaI(Tl) hình trụ, kích thước 7,62cm x 7,62cm Vì tinh thể này có đặc tính là giòn, dễ vỡ, dễ hút

ẩm nên nó được đặt trong một vỏ kín về các phía như sau:

được bọc trong lớp vỏ nhôm hình trụ đường kính 9,2cm, chiều dài 24,17cm Một vấn đề quan trọng đối với các hệ đo bức xạ nói chung và hệ đo gamma nói riêng là vấn đề phông và phương pháp giảm phông Phông gamma thường có các nguồn gốc sau đây: Các thành phần cứng và mềm của bức xạ vũ trụ, bức xạ gamma