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

i

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập tại bộ môn Vật lý Hạt nhân-Kỹ thuật Hạt nhân,
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp.HCM và thời gian thực tập hoàn thành
khoá luận tại Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân Trong Công nghiệp CANTI
( Centre for Applications of Nuclear Technique in Industry) là một khoảng thời gian
quý giá. Trong thời gian này tôi nhận được những bài học lý thuyết và trải nghiệm,
kỹ năng thực tế quý giá. Đồng thời tôi nhận được sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình,
những lời động viên, góp ý của các thầy cô trong bộ môn, các anh chị và gia đình
mình. Giờ đây, khi đã hoàn thành khoá luận tốt nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc tới:
Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa Học Tự
Nhiên Tp.HCM đã giảng dạy trong hai năm qua. Những kiến thức thu nhận
được qua từng bài giảng, từng môn học của các Thầy Cô là nền tảng để cho
tôi có thể học tập, thực hiện khoá luận này tốt hơn.
Cô Trương Thị Hồng Loan, cô giáo đã tận tình chỉ bảo nhiều kiến thức có
tính định hướng về mô phỏng MCNP, giúp tôi làm quen, tiếp cận một công
cụ hữu ích trong thực hiện khoá luận.
Ban Giám Đốc Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân trong Công nghiệp
đã chấp thuận, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực tập, làm khoá luận tốt
nghiệp tại Trung Tâm.
Anh Trần Thanh Minh và anh Mai Công Thành, hai anh luôn chỉ bảo tận
tâm, định hướng và theo sát tôi trong khoá luận này, hai anh đã hướng dẫn,
đóng góp nhiều ý kiến giúp cho khoá luận hoàn thiện hơn.
Các anh trong phòng Kỹ Thuật Hạt Nhân đã chia sẻ, chỉ bảo nhiều kiến thức,
nhiệt tình giúp tôi trong suốt thời gian thực tập này.
Lời cuối tôi xin gửi tới cha mẹ và các thành viên trong gia đình luôn tạo điều
kiện tốt nhất, yêu thương, bên tôi trong khoảng thời gian này.

Tp.HCM, 09/07/2014

ii

MỤC LỤC
Lời cảm ơn i
Mục lục ii
Danh mục chữ viết tắt iv
Danh mục hình vẽ-đồ thị v
Danh mục các bảng vii
Mở đầu 1
Chƣơng 1. Cơ sở lý thuyết 3
1.1. Sự tương tác và suy giảm của gamma khi đi qua môi trường vật chất 3
1.1.1. Sự tương tác của gamma với môi trường vật chất 3
1.1.2. Sự suy giảm của chùm tia gamma khi truyền qua bề dày vật chất 5
1.1.2.1. Gamma đơn năng 5
1.1.2.2. Gamma đa năng lượng 5
1.2. Một số nguồn gamma đồng vị thường dùng trong công nghiệp 7
1.3. Một số loại đầu dò dùng trong công nghiệp 9
1.4. Nhận xét chương 1 11
Chƣơng 2. Khảo sát đặc trƣng truyền qua của nguồn Se-75 12
2.1. Giới thiệu phương pháp mô phỏng-chương trình MCNP 12
2.1.1. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo 12
2.1.2. Chương trình MCNP 13
2.2. Mô phỏng khảo sát đặc trưng truyền qua của nguồn Se-75 18
2.2.1. Cấu hình mô phỏng 19
2.2.2. Kết quả mô phỏng 20
2.2.3. Đánh giá giới hạn phát hiện ăn mòn 1mm thép 25
iii

2.3. Mô phỏng khảo sát độ nhạy với một số đóng cặn vật liệu nhẹ 26
2.3.1. Cấu hình mô phỏng 26

2.3.2. Kết quả mô phỏng 27
2.4. Nhận xét chương 2 28
Chƣơng 3. Thực nghiệm 30
3.1. Mục tiêu 30
3.2. Thiết bị 30
3.3. Các bước tiến hành 31
3.3.1. Khảo sát phổ vi phân Se-75 và khả năng ghi nhận của thiết bị 31
3.3.2. Khảo sát đặc trưng truyền qua, suy giảm của nguồn Se-75 33
3.3.3. Khảo sát đóng cặn vật liệu nhẹ trong trường hợp thép dày 1,5cm. 37
3.3.4. Khảo sát nguồn Se-75 trên ống công nghiệp 40
3.4. Nhận xét chương 3 46
Kết luận-Hƣớng phát triển 47
Tài liệu tham khảo 49
Phụ lục 51



iv

KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

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

v



DANH MỤC HÌNH VẼ- ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Tán xạ Compton 3
Hình 1.2. Hiệu ứng quang điện 4
Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp 4

Hình 1.4. Khả năng truyền qua của gamma ở
các mức năng lượng khác nhau. 6
Hình 2.1. Hệ toạ độ Descartes 15
Hình 2.2. Mô hình gamma truyền qua 2D mô phỏng trên MCNP 20
Hình 2.3. Phổ nguồn Se-75 từ mô phỏng MCNP không có vật liệu che
chắnvẽ trên Genie 2k 20
Hình 2.4. Phổ nguồn Cs-137 từ mô phỏng MCNP
không có vật liệu che chắn vẽ trên Genie 2k 21
Hình 2.5. Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày nhựa thay đổi
trong mô phỏng MCNP 22
Hình 2.6. Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày thép thay đổi trong
mô phỏng MCNP 22
Hình 2.7. Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của từng đỉnh năng
lượng theo bề dày nhựa thay đổi trong mô phỏng MCNP 24
Hình 2.8. Độ thay đổi số đếm trên đơn vị bề dày của từng đỉnh năng lượng
theo bề dày thép thay đổi trong mô phỏng MCNP 24
Hình 2.9. Tỉ lệ độ thay đổi số đếm với sai số của phép đo 26
Hình 2.10. Mô hình mô phỏng đóng cặn nhựa trên MCNP 27
Hình 2.11. Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa bakelit)
sau tấm thép dày 1,5cm 28
Hình 3.1. Hệ máy đo đơn kênh Ludlum 2200-detector NaI(Tl) 1inch 30
Hình 3.2 . Máy đo liều Ludlum 2401-EC2A 31
Hình 3.3. Mô hình thí nghiệm đo khảo sát phổ vi phân nguồn Se-75, Cs-137 32
vi

Hình 3.4. Phổ vi phân nguồn Se-75 đo tại khoảng cách 5m 32
Hình 3.5. Phổ vi phân nguồn Cs-137 đo tại khoảng cách 2,5m 33
Hình 3.6. Mô hình thí nghiệm kiểm tra đặc trưng 34
Hình 3.7. Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày nhựa thay đổi trong
thực nghiệm 35

Hình 3.8. Số đếm của từng đỉnh năng lượng theo bề dày thép thay đổi trong
thực nghiệm 35
Hình 3.9. Độ thay đổi số đếm theo đơn vị bề dày của nguồn Se-75 và
Cs-137 khi chiều dày nhựa thay đổi trong thực nghiệm 36
Hình 3.10. Độ thay đổi số đếm theo đơn vị bề dày của nguồn Se-75 và
Cs-137 khi chiều dày thép thay đổi trong thực nghiệm 36
Hình 3.11. Tỉ lệ độ thay đổi số đếm với sai số của phép đo 37
Hình 3.12 . Mô hình kiểm tra khả năng phát hiện đóng cặn nhựa 38
Hình 3.13. Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa mica)
sau tấm thép dày 1,5cm 39
Hình 3.14. Dụng cụ scan đường ống công nghiệp 40
Hình 3.15. mô hình vị trí đóng cặn trong đường ống 41
Hình 3.16. Vị trí ăn mòn số 1 42
Hình 3.17. Vị trí ăn mòn số 2 42
Hình 3.18. Vị trí ăn mòn số 3 43
Hình 3.19. Số đếm từng vị trí trong phép đo đóng cặn nhựa, parafin
trên ống thép 44
Hình 3.20. Hệ số khác biệt F từng vị trí trong phép đo đóng cặn
trong đường ống 44
Hình 3.21. Số đếm tại từng vị trí trong phép đo ăn mòn trên đường ống 45
Hình 3.22. Hệ số khác biệt F tại từng vị trí trong phép đo ăn mòn đường ống 45

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Một số nguồn gamma đồng vị thường dùng trong công nghiệp 8
Bảng 1.2. Thông tin về năng lượng và xác suất phát của nguồn Se-75 8
Bảng 1.3. Chiều dày hấp thụ một nửa của một số vật liệu đối với nguồn Se-75 8
Bảng 1.4. Liều chiếu của nguồn Se-75 ở khoảng cách 1 m 9

Bảng 1.5. Một số tính chất cơ bản của tinh thể nhấp nháy vô cơ 11
Bảng 2.1. Các thẻ tally 16
Bảng 2.2. Thành phần của các vật liệu che chắn dùng trong mô phỏng 51
Bảng 2.3. Diện tích đỉnh phổ nguồn Se-75 và Cs-137 trong mô phỏng
khi truyền qua lớp thép có bề dày khác nhau 51
Bảng 2.4. Diện tích đỉnh phổ nguồn Se-75 và Cs-137 trong mô phỏng
khi truyền qua lớp nhựa có chiều dày khác nhau. 53
Bảng 2.5. Giới hạn độ dày thép che chắn ứng với độ nhạy phát hiện 1mm thép
trong mô phỏng 54
Bảng 2.6. Kết quả mô phỏng giới hạn phát hiện đóng cặn nhựa
sau lớp thép 1,5 cm. 27
Bảng 3.1. Số đếm của các đỉnh nguồn Se-75 và Cs-137 trong thực nghiệm
khi truyền qua thép 55
Bảng 3.2. Số đếm của các đỉnh nguồn Se-75 và Cs-137 trong thực nghiệm
khi truyền qua nhựa 57
Bảng 3.3. Giới hạn phát hiện vật liệu nhẹ (nhựa mica)
sau tấm thép dày 1,5cm. 39






1

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

Hiện nay trên thế giới đã phát triển các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy như
siêu âm, siêu âm trên dải rộng, chụp ảnh phóng xạ, kiểm tra dòng điện xoáy… có
thể ứng dụng để kiểm tra, đánh giá tìm kiếm khuyết tật bên trong đối tượng đường
ống, bình chứa…nhằm cung cấp thông tin cho kỹ sư của nhà máy có phương án
khắc phục các hư hỏng. Trong đó mỗi kỹ thuật có những ưu điểm khác nhau: siêu
âm trên dải rộng LRUT (Long Range Ultrasonic Testing ) và kiểm tra dòng điện
xoáy ECT (Eddy Current Testing) có ưu điểm kiểm tra trên diện rộng ; chụp ảnh
phóng xạ , siêu âm, gamma truyền qua có ưu điểm trong phép kiểm tra cục bộ,
trong một dải hẹp cho độ phân giải cao.
Kỹ thuật đo gamma truyền qua dò tìm đóng cặn, ăn mòn bên trong đường ống
đã được phát triển từ những năm 1970 và tại Việt Nam cũng đã ứng dụng trong các
nhà máy lọc dầu, chế biến khí nhằm đánh giá mực độ đóng cặn, tình trạng lớp cách
nhiệt bên trong các thiết bị. Tuy nhiên, cấu hình thiết bị còn khá đơn giản, chỉ gồm
một nguồn và một đầu dò, độ phân giải mật độ không cao do năng lượng gamma
lớn, số liệu ghi nhận và xử lý bằng tay nên chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế.
Trên thế giới đã có những công ty thương mại đã phát triển thiết bị đo kiểm tra
khuyết tật bên trong đường ống bằng phương pháp gamma truyền qua, có khả năng
hiển thị kết quả ngay tại hiện trường, với tốc độ kiểm tra khá nhanh và chính xác
nhờ vào việc ứng dụng kỹ thuật điện tử nhanh và nguồn phóng xạ gamma năng
lượng thấp. Tuy vậy, giá thành thiết bị còn cao, thời gian bán rã của nguồn bức xạ
ngắn làm cho việc ứng dụng vào điều kiện Việt Nam chưa thật sự thích hợp. Vì vậy,
việc nghiên cứu chế tạo ra một hệ đo gamma truyền qua phục vụ kiểm tra tình trạng
đường ống đáp ứng nhu cầu thực tế ở Việt Nam là một yêu cầu cấp thiết.
2

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

sau:
Chƣơng 1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất, đánh giá các đặc trưng
truyền qua của nguồn đơn năng lượng và nguồn đa năng lượng. Giới thiệu đầu dò
và một số nguồn đồng vị thường dùng trong công công nghiệp và nguồn gamma đa
năng lượng, đầu dò phù hợp ghi nhận bức xạ nguồn gamma đa năng lượng được
khảo sát trong khoá luận.
Chƣơng 2. Giới thiệu về chương trình mô phỏng MCNP, ứng dụng mô phỏng
cho bài toán khảo sát đặc trưng truyền qua của nguồn Se-75, xác định một số độ
nhạy phát hiện ăn mòn, đóng cặn của nguồn Se-75 trong một số cấu hình giả định.
Chƣơng 3. Thực nghiệm khảo sát tính chất truyền qua của nguồn gamma đa
năng lượng Se-75 và Cs-137 trên một số vật liệu, so sánh với kết quả mô phỏng.













3

CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 . Sự tƣơng tác và suy giảm của gamma khi đi qua môi trƣờng vật chất
1.1.1. Sự tương tác của gamma với môi trường vật chất
Bức xạ gamma có tính xuyên sâu cao đối với vật chất, có khả năng tương tác

với hạt nhân, electron và nguyên tử thông qua 3 quá trình cơ bản sau: tán xạ
Compton (Compton Scattering), hiệu ứng quang điện (Photoelectric Effect) và hiệu
ứng tạo cặp (Pair Production), cụ thể như sau:
- Tán xạ Compton hay còn gọi là tán xạ rời rạc (Incoherent Scattering) là
quá trình tương tác của gamma với electron tự do trong đó gamma truyền một phần
năng lượng cho electron tự do và lệch đi so với quỹ đạo ban đầu.

Hình 1.1. Tán xạ Compton
Với một va chạm của gamma với electron tự do có góc tán xạ , năng lượng
gamma tới E = hv
0
và năng lượng gamma tán xạ E’ = hv, tiết diện tán xạ Compton

c
được tính theo phương pháp gần đúng Klein-Nishina:
d
c
d
() = r
e
2
.

1 + cos
2

2
1
[ ]
1 + (1 - cos)

2
.











1 +

2
(1-cos)
2
(1 + cos
2
)
[ ]
1 + (1 - cos)
(1.1)
Với  = E/m
e
c
2
.
Lấy tích phân ta được tiết diện tán xạ toàn phần:

2
ce
22
1+α 2(1+α) ln(1+2α) ln(1+2α) 1+3α
σ =2πr .{ .[ - ]+ - }
α 1+2α α 2α (1+2α)
(1.2)
- Hiệu ứng quang điện là quá trình năng lượng của gamma tới bị electron
hấp thụ hoàn toàn và electron bức ra khỏi nguyên tử trở thành electron quang điện.
4


Hình 1.2. Hiệu ứng quang điện
Tiết diện của hiệu ứng quang điện chủ yếu phụ thuộc vào năng lượng tới của
tia gamma và điện tích Z của hạt nhân bia. Hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế ở
vùng năng lượng thấp và chất hấp thụ có Z lớn. Tiết diện phản ứng tỉ lệ với Z như
sau:

ph
~
Z
n
(hv
0
)
3,5
(1.3)
- Hiệu ứng tạo cặp là quá trình tương tác trong đó bức xạ gamma biến mất
trong môi trường vật chất sinh ra một cặp electron - positron và nhân giật lùi. Điều
kiện của quá trình tạo cặp là năng lượng của tia gamma tới phải có năng đủ lớn

(hv
0
≥ 1,022 MeV). Hiệu ứng này chiếm ưu thế ở vùng gamma năng lượng cao.

Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp

5

Tiết diện phản ứng 
p
của hiệu ứng tạo cặp tăng với Z và năng lượng của tia
gamma tới tăng.
Khi đó tiết diện tổng cộng của quá trình tương tác quang điện, tán xạ
Compton và tạo cặp trong môi trường vật chất là:
µ= 
ph
+ 
c
+ 
p
(1.4)
µ còn được hiểu như là hệ số hấp thụ tuyến tính trong quá trình bức xạ
gamma truyền qua bề dày vật chất và có đơn vị cm
-1
[4],[7].
1.1.2. Sự suy giảm của chùm tia gamma khi truyền qua bề dày vật chất
1.1.2.1. Gamma đơn năng
Khi một chùm tia gamma đơn năng hẹp cường độ I
0
(được chuẩn trực) xuyên

qua một bề dày chất hấp thụ x (cm) thì cường độ I (ghi nhận được tại detector) sẽ
suy giảm theo hàm mũ như công thức sau:

-μx
0
I=I e
(1.5)

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

-μx
0
dI
=μI e
dx

(1.6)
1.1.2.2. Gamma đa năng lượng
Đối với nguồn gamma đa năng lượng, sự tương tác, hấp thụ và suy giảm
được thể hiện trên nhiều đỉnh năng lượng và nhiều vật liệu truyền qua khác nhau:
- Ở mức năng lượng thấp, khả năng truyền qua của gamma kém nhưng lại suy
giảm nhanh qua các vật liệu che chắn, kể cả các vật liệu che chắn có số
nguyên tử Z nhỏ. Vì vậy gamma năng lượng thấp thể hiện độ nhạy cao hơn
năng lượng cao trong phép kiểm tra với các vật liệu nhẹ.
- Ở mức năng lượng cao, khả năng xuyên sâu của gamma tốt đối với hầu hết
các vật liệu, sự suy giảm chỉ thể hiện rõ khi truyền qua các vật liệu nặng,
chiều dày lớn.
6

Trong phép đo gamma truyền qua, nguồn đa năng lượng thể hiện ưu điểm
trên cả dải năng lượng từ thấp tới cao, độ nhạy tốt hơn với các vật liệu nhẹ do sự
suy giảm của các đỉnh năng lượng thấp và khả năng xuyên sâu hơn nhờ vào các
đỉnh năng lượng cao.
Chính vì vậy nguồn đa năng lượng có thể cho khả năng phân giải mật độ tốt,
trên dải mật độ rộng hơn so với một đỉnh năng lượng nhất định.

Hình 1.4. Khả năng truyền qua của gamma ở các mức năng lượng khác nhau.
Xét trường hợp chùm tia gamma gồm nhiều đỉnh năng lượng khác nhau, cường
độ của mỗi đỉnh năng lượng sau khi đi qua vật liệu có bề dày x suy giảm theo:
1
1
2
2
3
3
-μ .x
1 o 1
-μ .x
2 o 2
-μ .x
3 o 3
I =I (E ).e
I =I (E ).e
I =I (E ).e

(1.7)

Trong trường hợp đơn giản, cường độ chùm bức xạ hẹp I của nguồn đa năng
lượng là tổng hợp của các chùm đơn năng:

i
i
nn
io
i=1 i=1
-μx
I= I = I .e

(1.8)

7

Tương tự như đối với gamma đơn năng lượng, ta tính được sự thay đổi của
cường độ chùm gamma đa năng khi bề dày vật liệu thay đổi:
i
i
nn
-μx
i
i0
i=1 i=1
dI
dI
= μ I e =
dx dx

(1.9)

Từ công thức trên, ta thấy độ thay đổi cường độ trên một đơn vị bề
dày

dI
dx
của nguồn đa năng lượng có các ưu điểm sau:
-Lớn hơn độ thay đổi của từng đỉnh đơn năng;
-Đối với vật liệu nhẹ, nhờ sự suy giảm nhanh của các đỉnh năng lượng thấp
nên khả năng phát hiện tốt;
-Đối với vật liệu nặng, nhờ sự xuyên sâu tốt của các đỉnh năng lượng cao nên
khả năng đo được cũng được gia tăng.
Nhờ các ưu điểm trên, nguồn đa năng lượng được ứng dụng tốt trong phép
đo gamma truyền cho các đường ống trong công nghiệp [4],[6],[8],[10].
1.2. Một số nguồn gamma đồng vị thƣờng dùng trong công nghiệp
Nguồn phát gamma trong công nghiệp bao gồm máy phát tia X, nguồn đồng
vị và máy gia tốc. Tuy nhiên việc ứng dụng khảo sát trên hiện trường đồi hỏi tính
tiện lợi về kích thước, khả năng vận chuyển cũng như thao tác dễ dàng thì chỉ có
nguồn đồng vị phát gamma là có thể đáp ứng được. Một số nguồn đồng vị phát
gamma được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là: Caesium (Cs-137), Cobalt (Co-60),
Iridium (Ir-192), Gadolinum (Gd-153), Ytterbium (Yb-169) và Selenium (Se-75).
Trong đó các nguồn Co-60 và Cs-137 là 2 loại nguồn được ứng dụng phổ
biến trong công nghiệp cũng như trong các phòng thí nghiệm do thời gian bán rã
lâu, tuy nhiên năng lượng gamma của 2 đồng vị này khá cao, do đó độ nhạy trong
các phép đo không được tốt.
Hiện nay, các đồng vị phát gamma năng lượng thấp như Gd-153, Ir-192,
Yb-169 và Se-75 đã được ứng dụng khá phổ biến trong các phương pháp chụp ảnh
phóng xạ, đo gamma truyền qua trên hiện trường. Các đồng vị này phát nhiều
8

đỉnh gamma trong vùng năng lượng từ vài keV đến vài trăm keV (theo bảng 1.1),
nhờ đó cho kết quả tốt hơn so với đồng vị Co-60 và Cs-137. [12],[13].
Bảng 1.1. Một số nguồn gamma đồng vị thường dùng trong công nghiệp
Nguồn bức xạ

E (keV)
T
1/2

Ytterbium (Yb-169)
8 - 308
32 ngày
Selenium (Se-75)
66 - 401
120 ngày
Iridium (Ir-192)
206 - 612
74 ngày
Gadolinum (Gd-153)
6 – 173
240 ngày
Caesium (Cs-137)
661
32 năm
Cobalt (Co-60)
1173; 1332
5 năm

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

Bảng 1.2. Thông tin về năng lượng và xác suất phát của nguồn Se-75
E (keV)
96
121
136
264
279
400
Xác suất phát (%)
3,41
17,15
58,15
59,00
25,00
11,50
Bảng 1.3. Chiều dày hấp thụ một nửa của một số vật liệu đối với nguồn Se-75
Vật liệu
Nhôm(Al)
Thép
Chì
Tungsten
Bê tông
Chiều dày (mm)
27
8
1
0,8
30
Chiều dày (inch)
1,06

0,31
0,04
0,03
1,18


9

Bảng 1.4. Liều chiếu của nguồn Se-75 ở khoảng cách 1 m
Năng lượng nguồn Se-75
Liều chiếu 1m
(R/h/Ci)
Liều chiếu 1 m
(mSv/h/GBq)
E < 20 keV( bao gồm cả tia X)
0,6
160,6
E > 20 keV
0,2
54,3
1.3. Một số loại đầu dò dùng trong công nghiệp
Các loại đầu dò ghi nhận bức xạ gamma bao gồm: ống đếm tỉ lệ, buồng ion
hóa, geiger muller, nhấp nháy và bán dẫn. Trong đó các loại đầu dò nhấp nháy tinh
thể được ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp do các ưu điểm về kích thước nhỏ
gọn, độ nhạy, độ bền cao.
Một số loại đầu dò tinh thể nhấp nháy được ứng dụng phổ biến nhất hiện nay
như: NaI(Tl), CsI(Tl), CsI(Na), BGO, CdWO
4
Mỗi loại tinh thể đều có các đặc
tính và khả năng ứng dụng riêng như sau: [2],[3].

 Tinh thể NaI(Tl)
 Tinh thể NaI(Tl) được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng phát sáng cao,
hiệu suất cao, có khả năng ghi đo các bức xạ gamma năng lượng thấp tốt
(vài keV đến vài trăm keV).
 Thời gian nháy sáng của tinh thể NaI(Tl) là khá dài: 250ns, góp phần làm
cho thời gian chết của các hệ đo dùng tinh thể này lớn, không thể ghi đo
gamma cường độ cao.
 Ngoài ra tinh thể NaI(Tl) còn có ưu điểm là dễ dàng gia công chế tạo. Do
đó nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, chủ yếu để ghi đo
gamma năng lượng không quá cao.
 Tinh thể CsI(Tl) và CsI(Na)
 So với tinh thể NaI(Tl), tinh thể CsI(Tl) và CsI(Na) có hiệu suất phát
sáng tương đối cao. Khả năng ghi nhận các bức xạ gamma năng lượng
thấp tốt.
10

 Tuy nhiên thời gian nháy sáng của các loại tinh thể CsI là rất dài (1000
ns với CsI(Tl) và 630 ns với tinh thể CsI(Na), do đó chỉ có thể dùng để
ghi đo gamma với cường độ khá thấp.
 Các loại tinh thể CsI dễ dàng thiết kế và chế tạo, đặc biệt với bước sóng
phát ra phù hợp cho việc ghép nối với pin photodiode, các loại tinh thể
CsI rất thích hợp để thiết kế chế tạo các loại đầu dò nhỏ gọn, không cần
nguồn nuôi cao, có khả năng ứng dụng rất cao trong một số trường hợp
đặc biệt trên hiện trường.
 Tinh thể BGO
 Có hiệu suất phát sáng thấp hơn so với tinh thể NaI(Tl) và các loại tinh
thể CsI, do đó khả năng ghi nhận các gamma năng lượng thấp không
được tốt.
 Thời gian nháy sáng trung bình (300 ns).
 Mật độ tinh thể lớn (7,13 g/cm

3
) nên khả năng bắt và ghi nhận các
gamma năng lượng cao là rất tốt. Tinh thể BGO thường được ứng dụng
trong các loại đầu dò ghi đo gamma năng lượng cao.
Ngoài ra còn có các dạng tinh thể mới được ứng dụng để ghi đo cho các mục
đích đặc thù như CdWO
4
để ghi đo tia X, LYSO để ghi đo gamma thông lượng
cao Một số tính chất cơ bản của các tinh thế nhấp nháy thường dùng được tổng
hợp trong bảng 1.5.







11

Bảng 1.5. Một số tính chất cơ bản của tinh thể nhấp nháy vô cơ
Tinh thể
Tỉ lệ
phát
sáng
(p/keV)
Ánh
sáng
đầu ra
(%)/ kết
hợp

PMT
Thời gian
phát sáng
(ns)
Bước
sóng
tối đa
(nm)
Chiết
suất
Mật độ
(g/cm
3
)
Bề dày
suy giảm
một nửa
(cm,661
keV)
NaI(Tl)
38
100
250
415
1,85
3,67
2,5
CsI(Tl)
54
45

1000
550
1,79
4,51
2,0
CsI(Na)
41
85
630
420
1,84
4,51
2,0
BGO
8-10
20
300
480
2,15
7,13
1,0
CdWO
4

15
40
1,1 (40%)
14,5(60%)
470
2,30

7,90
1,0
Lu
1.8
Y
.2
SiO
3

32
75
41
420
1,81
7,10
1,1
Với các đặc tính riêng, mỗi tinh thể nhấp nháy được ứng dụng trong những
mục đích ghi đo bức xạ khác nhau. Hiện nay, để ghi đo gamma có năng lượng trung
bình (từ 100 keV đến 1500 keV) thì đầu dò tinh thể NaI(Tl) vẫn được dùng phổ
biến nhất.
1.4. Nhận xét chƣơng 1
Trong chương 1 đã trình bày sự tương tác và suy giảm của bức xạ gamma
với vật chất, dự đoán được một số ưu điểm, khả năng ứng dụng tốt hơn của nguồn
gamma đa năng lượng so với những nguồn đơn năng lượng. Với những ưu điểm
hơn của nguồn đa năng lượng Se-75 so với các nguồn đa năng lượng khác được tìm
hiểu trong chương 1 và sự phù hợp của tinh thể NaI(Tl) cho mục đích khảo sát
nguồn Se-75 nên nên nguồn Se-75 và tinh thể NaI(Tl) đã được lựa chọn để khảo sát
trong khoá luận này.

12

CHƢƠNG 2. MÔ PHỎNG KHẢO SÁT ĐẶC TRƢNG TRUYỀN QUA
CỦA NGUỒN Se-75
2.1. Giới thiệu phƣơng pháp mô phỏng-chƣơng trình MCNP
2.1.1. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Mô phỏng là sự kết hợp giữa máy tính và các quy luật toán học, vật lý, dựa
trên phép tính định lượng khi tương đối hoá các tham số để giải quyết các bài toán
nghiên cứu kết cấu hay các quá trình, thực hiện tính toán hay dựng lên các mô hình
thí nghiệm.
Mô phỏng có một vai trò khá quan trọng trong thực tế, nó không chỉ giúp các
nhà khoa học kiểm tra lại kết quả thí nghiệm mà còn giúp họ đưa ra những dự đoán
cho thí nghiệm. Mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí, tối ưu hoá
cho các bài toán hay thí nghiệm có khả năng ứng dụng thực tế cao.
Để mô phỏng cần trải qua nhiều giai đoạn như:
 Xác định vấn đề hay hệ thống cần mô phỏng
 Xác định mô hình mô phỏng và các thông số của mô hình
 Chạy mô phỏng và phân tích kết quả
 Kiểm tra tính chính xác của kết quả so với thực tế và khả năng ứng dụng
thực tế của bài toán
Phương pháp mô phỏng Monte Carlo là phương pháp giải số, có thể áp dụng
cho việc mô phỏng sự tương tác giữa các giữa các vật thể hay giữa vật thể với môi
trường nhờ lý thuyết cơ học và động lực học, dựa theo yêu cầu của bài toán cần mô
phỏng.
Ưu điểm của phương pháp mô phỏng Monte Carlo là giải bài toán bằng
phương pháp số thông qua việc lặp lại các phép tính đơn giản với giá trị biến ngẫu
nhiên ban đầu rất nhiều lần, kết quả tính toán càng chính xác khi quá trình lặp lại
càng nhiều, do đó nó rất thích hợp khi ứng dụng trên máy tính.
Ngày nay, phương pháp Monte Carlo được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh

vực như thống kê, lượng tử, mô phỏng cấu trúc vật liệu…Đặc biệt được sử dụng
13

nhiều trong nghiên cứu sự vận chuyển bức xạ, tính toán và thiết kế lò phản ứng
thông qua chương trình mô phỏng MCNP được phát triển bởi phòng thí nghiệm
Los Alamos.[9].
2.1.2. Chương trình MCNP
MCNP (Monte Carlo N Particles) là một chương trình máy tính ứng dụng
phương pháp Monte Carlo để mô phỏng quá trình vận chuyển của các hạt nơtron,
photon và electron riêng biệt, hoặc kết hợp sự vận chuyển của nơtron/photon, (trong
đó các photon được tạo ra bởi tương tác của nơtron với vật liệu)
nơtron/photon/electron, photon/electron, electron/photon trong những môi trường
vật liệu khác nhau. Trong một số phiên bản mới như MCNPX hay MCNP6 còn hỗ
trợ mô phỏng cho các ion nặng.
Quá trình mô phỏng bài toán hạt nhân trên MCNP bao gồm các bước:
- Tạo file input chứa tất cả các thông tin của cấu hình mô phỏng bao gồm:
cấu trúc hình học, các tính chất vật lý cũng như hạt nhân của các thành
phần trong cấu hình, yêu cầu tính toán cho bài toán vật lý hạt nhân…;
- Chạy chương trình;
- Đọc và xử lý kết quả trong file output.
Trong đó quan trọng nhất là bước tạo file input cho bài toán mô phỏng.
2.1.2.1.Cấu trúc file input
Để tiến hành một bài toán mô phỏng cần có một tệp đầu vào cho chương
trình bao gồm 3 phần chính: định nghĩa ô, định nghĩa mặt và định nghĩa dữ liệu.
Cấu trúc của một tệp đầu vào như sau:

TITLE CARDS (Thẻ tiêu đề)
CELL CARDS (định nghĩa các ô mạng)
[dòng trống phân cách]
SURFACE CARDS (định nghĩa các mặt)
[dòng trống phân cách]
DATA CARDS (Thẻ dữ liệu: vật liệu, nguồn, tally…)
[dòng trống phân cách]
14

 Cell card
Mô tả ô (cell): ô trong MCNP được quy định là một vùng không gian được hình
thành bởi các mặt biên, được hình thành bởi các vùng không gian phân chia bởi các
mặt thông qua toán tử giao (khoảng trắng), hội (:) hay bù (#). Khi định nghĩa một ô
cần chắc chắn rằng ô đó được bao kín bởi các mặt nếu không sẽ bị lỗi.
Cú pháp: j m d geom. Params
Hay j like n but list
Với j là chỉ số ô
m là chỉ số vật chất trong ô, m=0 là ô trống
d là khối lượng riêng của vật chất trông ô theo đơn vị (10
24
nguyên tử /cm
3
)
hay (g/cm
3
).
Geom là phần mô tả hình học của ô, được giới hạn của các mặt
Params là các tham số tuỳ chọn của ô

N là chỉ số của một ô khác
List là các từ khoá để định nghĩa sự khác nhau giữa ô N và J.
 Surface card
Cấu trúc cơ bản của một mặt bao gồm:
J a data
J chỉ số mặt
a kí hiệu mặt
data các hệ số cần mô tả mặt
nếu không gian chỉ có một mặt thì mặt này sẽ chia không gian thành hai phần
riêng biệt. Giả sử một điểm I(x,y,z) thoả mãn điều kiện I=f(x,y,z), Khi đó I nằm
trên mặt phẳng đó. Nếu I âm thì nó ở bên trong mặt và được gán dấu âm, Nếu I
dương thì nằm ngoài mặt và được gán dấu dương.
Quy ước về chiều của mặt có thể được xác định một cách đơn giản hơn, trong
hệ toạ độ Descartes, các trục toạ độ x, y, z có hướng như hình dưới, nếu có một mặt
bất kỳ thì dấu của mặt đó là:
Vùng phía trên mặt này mang dấu “+”,bên trái mang dấu âm “-”
15

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

Hình 2.1. Hệ toạ độ Descartes
 Data card
Định nghĩa vật liệu
Vật liệu là vật chất lấp đầy trong một ô, các thành phần của vật liệu được xác
định bằng số hiệu nguyên tử của nguyên tố thành phần và tỉ lệ phần trăm của
nguyên tố đó đóng góp trong vật chất.
Cú pháp: Mn ZAID
1
fraction

1
ZAID
2
fraction
2
….
M là chỉ số vật liệu
ZAID là số hiệu xác định đồng vị, có dạng ZZZAAA.nnX với ZZZ là số hiệu
nguyên tử, AAA là số khối, nn là số chỉ số của bộ số liệu tiết diện tương tác được
sử dụng, X là kiểu dữ liệu, fraction là tỉ lệ đóng góp của đồng vị trong vật liệu
Định nghĩa nguồn
phần này dùng để mô tả các loại nguồn phóng xạ, bao gồm một số loại nguồn
như nguồn tổng quát (SDEF), nguồn mặt (SSR/SSW), nguồn tới hạn (KCODE),
nguồn điểm (KSRC). Các thông số của nguồn bao gồm năng lượng bức xạ, loại hạt,
trọng số, vị trí, thời gian phát…
cấu trúc của một nguồn tổng quát bao gồm:
SDEF CEL POS ERG WGT TME PAR DIR
SDEF : loại nguồn
16

CEL : chỉ số ô có chứa nguồn
POS : vị trí của nguồn
ERG : năng lượng tính băng MeV (mặc định 14 MeV)
WGT : trọng số của nguồn (mặc định là 1)
TME : thời gian phát
PAR : loại hạt (n, n p, n p e, p e và e).
DIR : hướng phát
Ngoài ra để hỗ trợ thêm còn có các TALLY thể hiện trong bảng 2.1.
Tally
Bảng 2.1. Các thẻ tally

Thẻ tally
Miêu tả Tally
Đơn vị Fn
F1
Tích phân dòng trên một mặt
Hạt
F2
Thông lượng trung bình trên một mặt
Hạt/cm
2

F4
Thông lượng trung bình trên một cell (ô)
Hạt/cm
2

F5
Thông lượng tại một điểm hay chuỗi detector (máy
dò)
Hạt/cm
2

F6
Năng lượng để lại trung bình trên một cell
MeV/g
+F6
Va chạm nhiệt
MeV/g
F7
Năng lượng phân hạch để lại trung bình trên một cell

MeV/g
F8
Phân bố năng lượng của xung được tạo trong một
detector bởi bức xạ
Xung

Tally là phương thức tính toán được MCNP cung cấp để thu được các kết quả
ghi nhận của các hạt truyền qua môi trường vật chất. Tuỳ vào mục đích tính toán
khác nhau mà ta có thể lựa chọn tally tương ứng.
Chương trình MCNP cung cấp 7 tally chuẩn cho neutron, 6 tally chuẩn cho
photon và 4 tally chuẩn cho electron, tất cả đều được chuẩn hoá trên một hạt phát
ra, trừ một số trường hợp với nguồn tới hạn. Các tally được dùng để đánh giá về
dòng hạt, thông lượng, năng lượng để lại…
2.1.2.2. Đo phổ gamma của nguồn đồng vị bằng tally F8 trong MCNP
Đánh giá F8 hay còn gọi là đánh giá độ cao xung có chức năng cung cấp các
17

phân bố năng lượng của bức xạ (photon, electron) bị mất mát trong một ô được chỉ
rõ. Mỗi hạt bức xạ khi tương tác bên trong thể tích của ô sẽ được ghi nhận ứng với
năng lượng mà nó để lại. Tally F8 có thể được sử dụng để mô phỏng phổ năng
lượng mà các hạt bức xạ bỏ lại do tương tác với đầu dò vật lý trong thực nghiệm.
Các đỉnh năng lượng trong đánh giá F8 tương ứng với sự ghi nhận năng lượng toàn
phần của các hạt bức xạ mất đi trong đầu dò vật lý.
Vì vậy để khảo sát đặc trưng truyền qua của một nguồn đa năng lượng trên
từng đỉnh năng lượng hay toàn phổ có thể sử dụng tally F8 trong mô phỏng MCNP.
Cách khai báo chi tiết về tally F8 trong MCNP:
- Khai báo loại loại tally được sử dụng theo cú pháp
Fn:pl S
1
…. S

k
Trong đó: n chỉ số tally;
Pl là loại hạt cần ghi nhận : n ứng với neutron, p ứng với
photon;
S
i
là chỉ số cell hoặc mặt cần khai báo.
- Khai báo, chia kênh năng lượng trong phổ theo cú pháp
En E1 ∆E Ai E
k
Trong đó: n là chỉ số của tally
E1 là giá trị năng lượng của kênh đầu tiên
∆E là độ rộng năng lượng của một kênh
Ek là giá trị cuối của kênh năng lượng
- Khai báo hiệu chỉnh cho tally theo cú pháp
FTn ID
1
P
1,1
P
1,2
P
1.3
…. ID
2
P
2,1
P
2,2
P

2.3
…
Trong đó: n là chỉ số tally
ID
i
là từ khoá
P
i,j
là các tham số đi kèm
- Ngoài ra trên thực nghiệm, các đỉnh năng lượng toàn phần của phổ gamma
thu nhận được có dạng đỉnh Gauss sẽ bị giãn nở do hiệu ứng như nhiễu
điện tử nên trong quá trình mô phỏng cần khai báo hiệu chỉnh độ rộng
18

năng lượng cho tally F8. Độ phân giải đỉnh năng lượng được tính theo
công thức :
2
FWHM a b E cE  
(2.1)

Với a, b, c được xác định bằng thực nghiệm.
- Độ phân giải đỉnh năng lượng trong mô phỏng được hiệu chỉnh theo cú
pháp:
FT8 GEB a b c
Tally F8 cho kết quả là phân bố xung hạt nhân theo năng lượng. Phổ năng
lượng có thể xử lý trên excel hoặc phần mềm xử lý phổ Gennie-2k. Qua đó có thể
tính được diện tích đỉnh của mỗi năng lượng hay của cả phổ nguồn bức xạ bằng
cách lấy giá trị kết quả mô phỏng nhân với hoạt độ nguồn (phân rã/giây).
2.1.2.3. File output
Các kết quả sau khi chạy chương trình sẽ được xuất ra một file output, bên cạnh

một số kết quả được xuất ra theo yêu cầu của input thì file output còn chứa nhiều
thông tin khác, các thông tin này được liệt kê dưới dạng các bảng. Các thông tin
output có một số phần chính :
 Nội dung file input ;
 Các bảng thông tin ;
 Các đánh giá thống kê ;
 Kết quả tally.
Các bảng thông tin chứa các thông tin về việc chạy chương trình như thế
nào, nếu có các sai sót trong khi chạy mô phỏng thì các bảng dự đoán chi tiết cho
viêc sửa chữa được đưa ra. Mỗi kết quả đều có sai số thống kê và độ lệch chuẩn
tương ứng. Theo sau các kết quả là bảng phân tích tỉ mỉ, có các đánh giá sai số
thống kê, kiểm định thống kê nhằm xác định độ tin cậy của kết quả.
2.2. Mô phỏng khảo sát đặc trƣng truyền qua của nguồn Se-75
Để kiểm tra đặc trưng của nguồn đa năng lượng Se-75, phép đo gamma
truyền qua trong mô phỏng được khảo sát trên các vật liệu nặng và nhẹ (thép-nhựa)
có chiều dày thay đổi để có thể đánh giá sự suy giảm của mỗi đỉnh năng lượng trên