xác định mực chất lỏng trong bình kín bằng phương pháp đo gamma truyền qua

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, xin được nói lên lòng biết ơn đối với gia đình, đặc biệt là cha mẹ vì
công ơn sinh thành, nuôi dưỡng tôi nên người như ngày hôm nay.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy Lê Hoàng Chiến, người đã
không những truyền cho tôi những ý tưởng và cung cấp những định hướng để hoàn
thành khóa luận mà còn dạy bảo tôi về đạo đức trong cuộc sống. Trong quá trình
thực hiện khóa luận, Thầy là người tận tình chỉ dẫn giúp tôi gỡ bỏ những khó khăn.
Những kinh nghiệm và kiến thức quý báu của Thầy là điều kiện tiên quyết giúp tôi
hoàn thành khóa luận này.
Xin cảm ơn Thầy Phan Lê Hoàng Sang và Cô Lưu Đặng Hoàng Oanh, những
người đã hi sinh thời gian quý báu của mình để giúp đỡ tôi trong thời gian làm thí
nghiệm phục vụ cho khóa luận này.
Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy Cô trong bộ môn Vật Lý Hạt
Nhân, khóa luận tôi thực hiện ngày hôm nay được hoàn thành cũng là nhờ vào
những kiến thức mà trong những năm tháng qua các Thầy các Cô đã tận tâm
truyền đạt cho tôi và các bạn.
Ngoài ra, tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến Thầy Châu Văn Tạo, người Thầy tôi
luôn hết lòng kính trọng và yêu mến. Người Thầy đã dạy cho tôi biết áp dụng những
nguyên tắc vật lý tưởng chừng như khô khan ấy vào những chuẩn mực và quy tắc
đạo đức của cuộc sống. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy.
Xin được gửi lời cảm ơn đến Bạn bè, những người bạn đã cùng gắn bó với tôi
trong suốt bốn năm học nơi giảng đường, cùng tôi vượt qua những khó khăn trong
cuộc sống. Những kỉ niệm thân thương ấy tôi sẽ mãi khắc ghi trong lòng.
Cuối cùng, xin cảm ơn vì những điều tuyệt vời, những ngày tháng tuyệt vời.
Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2014
Đinh Thiên Phúc
i

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU iii
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG I TƢƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 2
1.1. Tương tác gamma với vật chất 2
1.1.1. Hiệu ứng quang điện 2
1.1.2. Hiệu ứng Compton 3
1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp 5
1.2. Hệ số hấp thụ 6
CHƢƠNG II CÁC MÔ HÌNH ĐO MỰC CHẤT LỎNG BẰNG TIA GAMMA VÀ
TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM 9
2.1. Một số mô hình đo mực chất lỏng bằng tia gamma 9
2.1.1. Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất 9
2.1.2. Mô hình đo mực chất lỏng thứ hai 10
2.1.3 Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba 11
2.2. Thực nghiệm 12
2.2.1. Lựa chọn mô hình 12
2.2.2. Tiến hành thí nghiệm 14
CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 16
3.1. Xác định ngưỡng và đo phông 18
3.1.1. Xác định ngưỡng 18
3.1.2. Đo phông 20
3.2. Lần đo thứ nhất 21
3.3. Lần đo thứ hai 25
KẾT LUẬN 31

ii
TÀI LIỆU THAM KHẢO 33
PHỤ LỤC 34
iii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện (Nguyên tử Hidro) 2
Hình 1.2: (a) Hiệu ứng Compton 4
(b) Sơ đồ tán xạ Compton của gamma lên electron tự do 4
Hình 1.3: Hiệu ứng tạo cặp electron-positron 6
Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối của Pb [3] 7
Hình 2.1: Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất 10
Hình 2.2: Mô hình đo mực chất lỏng thứ hai 11
Hình 2.3: Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba 12
Hình 3.1: Mô hình đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm 16
Hình 3.2: Hệ đo mực chất lỏng thực tế 17
Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm 18
Hình 3.4: Đồ thị khảo sát nguồn Cs-137 20
Hình 3.5: Đồ thị thu được sau lần đo thứ nhất 23
Hình 3.6: Đồ thị thu được sau lần đo thứ hai 27
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Số liệu trong lần đo xác định ngưỡng 19
Bảng 3.2: Số liệu đo phông 20
Bảng 3.3: Số liệu trong lần đo thứ nhất 21
Bảng 3.4: Số liệu trong lần đo thứ hai 26
1

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, vật lý hạt nhân được áp dụng rộng rãi trong nhiều lãnh vực khác nhau
như trong y học, địa chất, khảo cổ, nông nghiệp,… Đặc biệt là trong công nghiệp, vật
lý hạt nhân thường được biết đến như một phương pháp phân tích gamma truyền qua.
Đây là một phương pháp phân tích khá đơn giản bởi chúng ta có thể xác định một số
tính chất của đối tượng khảo sát với độ chính xác đáng tin cậy mà không cần nhiều

thiết bị cồng kềnh, phức tạp hay đòi hỏi phải tiếp cận trực tiếp với đối tượng.
Thật vậy, phương pháp phân tích gamma truyền qua đã giải quyết hiệu quả nhiều
bài toán đặt ra trong lĩnh vực công nghiệp; cụ thể là xác định mực chất lỏng trong các
bình chứa với độ chính xác cao. Các bình chứa có thể là các bình kín hay không kín,
nhưng trong những điều kiện khắc nghiệt nào đó làm cho việc tiếp cận và đo đạc mực
chất lỏng khó thực hiện thậm chí là không thực hiện được. Ví dụ như các lò nung gan
thép, nung thủy tinh hay các bình đựng hóa chất độc hại. Và tất nhiên nếu các bình
chứa này là các bình chứa kín, không thể mở ra xem xét hay đo đạc thì kỹ thuật hạt
nhân được xem như là một lựa chọn hàng đầu.
Do đó, trong khuôn khổ của khóa luận này, tôi đã tìm hiểu và ứng dụng vật lý hạt
nhân như một phần nhỏ của phương pháp phân tích gamma truyền qua để khảo sát mực
chất lỏng trong bình kín. Khóa luận được chia thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về tương tác của bức xạ gamma với vật chất.
Chương 2: Giới thiệu ba mô hình đo mực chất lỏng phổ biến và lựa chọn mô hình
để tiến hành thí nghiệm.
Chương 3: Báo cáo kết quả thí nghiệm và đưa ra kết luận về tính hiệu quả của
phương pháp phân tích gamma truyền qua trong khảo sát đo mực chất lỏng.

2
CHƢƠNG I
TƢƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT
1.1. Tƣơng tác gamma với vật chất
Quá trình tương tác của bức xạ gamma với vật chất xảy ra chủ yếu thông qua 3
hiệu ứng: Hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp.
1.1.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của gamma với electron liên kết của
hạt nhân. Trong quá trình này, toàn bộ năng lượng của gamma được truyền cho
electron. Electron này được gọi là quang electron (photoelectron). Quang electron nhận
được năng lượng T
e

bằng hiệu số gamma tới E
γ
và năng lượng liên kết I
i
của lớp vỏ
electron trước khi bị bức ra [7].
T
e
= E – I
i
(1.1)
Trong đó: T
e
là động năng của quang electron.
E là năng lượng của gamma.
I
i
là năng lượng liên kết của electron ở lớp thứ i trong hạt nhân.
Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện (Nguyên tử Hidro)
𝜸

e
-

3
Khi E < I
K
thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, và không thể xảy
ra trên lớp vỏ K; khi E < I
L

thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp vỏ M,
N và không thể xảy ra trên lớp K, L, [7]
Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các electron tự do – các electron không
liên kết với hạt nhân. Năng lượng liên kết của electron với nguyên tử càng nhỏ so với
năng lượng của gamma tới thì xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện càng nhỏ.
Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt quá năng
lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp vỏ trong cùng. Khi năng lượng tăng, xác suất
tương tác giảm dần theo hàm



. Đặc biệt, xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang điện
với tất cả các electron quỹ đạo khi E  E
k
, E
k
là năng lượng liên kết của electron trên
lớp K, tuân theo quy luật




, còn khi E >> E
k
thì tuân theo quy luật


.
Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện cũng
phụ thuộc vào Z. Và có dạng công thức như sau [7]:





(1.2)
Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay cả khi
gamma tới có năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ, hiệu ứng quang điện chủ
yếu chỉ xảy ra đối với gamma có năng lượng thấp.
1.1.2. Hiệu ứng Compton
Trong hiệu ứng Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron quỹ
đạo của nguyên tử. Gamma thay đổi phương bay và truyền một phần năng lượng của
mình cho electron (Hình 1.2a). Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình
gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình 1.2b).

4
Hình 1.2: (a) Hiệu ứng Compton
(b) Sơ đồ tán xạ Compton của gamma lên electron tự do
Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển
động với năng lượng  lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây:





(1.3)






(1.4)
Trong đó: 





; m
e
= 9,1
-31
kg là khối lượng của electron; c = 3x10
8
m/s là
vận tốc ánh sáng; m
e
c
2
= 0,51 MeV
Góc tán xạ  của electron sau tán xạ liên hệ với góc  như sau:












(1.5)
Theo công thức (1.5), góc tán xạ của gamma càng lớn thì E càng bé. Nghĩa là
gamma càng mất nhiều năng lượng. Gamma chuyển phần năng lượng lớn nhất cho
electron sau tán xạ bay ra một góc 180
0
, tức là khi tán xạ giật lùi. Góc bay của gamma
tán xạ có thể thay đổi từ 0
0
đến 180
0
trong khi electron chủ yếu bay về phía trước,
nghĩa là góc tán xạ  của nó thay đổi từ 0
0
đến 90
0
.
𝛾

e
-
𝛾
’
E
γ
’
E
e

𝜃

𝜑

E
γ
(a)
(b)

5
Công thức tính tiết diện tán xạ vi phân của tán xạ Compton theo Klein-Nishina [5]:






















 


















(1.6)
Với 






và 









là bán kính electron cổ điển.
Lấy tích phân phương trình trên ta có công thức tiết diện Klein-Nishina toàn phần:




































(1.7)
Đối với các photon có năng lượng thấp



, công thức (1.7) chuyển thành:









 







(1.8)
Đối với các photon có năng lượng cao



, công thức (1.7) chuyển thành:














(1.9)
Như vậy, tiết diện tán xạ Compton tăng tuyến tính khi giảm năng lượng và đạt giá
trị tới hạn






. Khi năng lượng gamma rất lớn, tiết diện tán xạ Compton biến thiên tỉ
lệ nghịch với năng lượng E. Phần năng lượng truyền cho điện tử Compton phụ thuộc
vào năng lượng và góc tương tác của photon tới.
Trong nguyên tử có Z electron nên tiết diện tán xạ Compton đối với nguyên tử có
dạng [5]:






(1.10)
1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp
Electron có khối lượng bằng m
e
= 9,1x10
-31
kg hay năng lượng nghỉ của nó, theo
công thức Einstein bằng E = m
e
c
2
= 0,51 MeV. Nếu gamma vào có năng lượng lớn hơn
2 lần năng lượng nghỉ electron 2m
e
c

2
= 1,02 MeV thì khi qua điện trường của hạt nhân
gamma sinh ra một cặp electron-positron (positron có khối lượng bằng với khối lượng
của electron nhưng mang điện tích +1e). Ta gọi hiệu ứng này là hiệu ứng tạo cặp
electron-positron [7].

6
Hình 1.3: Hiệu ứng tạo cặp electron-positron
Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào đó
để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn. Nếu quá trình tạo
cặp xảy ra gần với hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên
phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron. Ngoài ra quá
trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo
cặp gần hạt nhân.
Tiết diện quá trình tạo cặp là một hàm của Z và có dạng [7]:




(1.11)
1.2. Hệ số hấp thụ
Tổng tiết diện của mỗi nguyên tử tương tác với gamma tới là tổng các tiết diện của
hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp [7]:


 

 

 (1.12)

Để xác định hệ số suy giảm gamma, người ta nhân  ở phương trình (1.12) với mật
độ nguyên tử N. Theo đó ta được giá trị  tính bằng công thức:
e
+
e
-
𝜸


7


 

 

(1.13)
Ở đây  là tổng hệ số suy giảm và 

, 

, 

lần lượt là hệ số suy giảm của ba
quá trình tương tác. Giống như tiết diện vĩ mô của neutron,  cũng có đơn vị là cm
-1
.
Để dễ dàng hơn trong việc tìm người ta đưa ra giá trị



, được gọi là hệ số suy giảm
khối , trong đó  là mật độ vật chất mà gamma tương tác. Từ phương trình (1.13) ta có:















(1.14)
Từ đơn vị của  và  lần lượt là cm
-1
và g/cm
3
ta suy ra đơn vị của


là cm
2
/g.
Hình 1.4 thể hiện sự suy giảm khối trên một đường thẳng tuyến tính và vật liệu sử
dụng ở đây là Pb-82. Theo đó giá trị



nhỏ nhất nằm trong khoảng 3,5 MeV vì 

và


giảm tỉ lệ với độ tăng của năng lượng tia gamma. Trong khi đó 

lại tăng tới
ngưỡng 1,02 MeV.
Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối của Pb [3]
Hệ số suy giảm khối, cm
2
/g
Năng lượng, MeV
(1) Hiệu ứng quang điện
(2) Tán xạ Compton
(3) Hiệu ứng tạo cặp
(4) Tổng

8
Từ hình 1.4 ta có thể thấy rằng tán xạ Compton là tương tác chiếm ưu thế hơn
trong khoảng từ 0,5 MeV đến 5 MeV. Vì 

và 

phụ thuộc vào Z hơn 

. Vùng

năng lượng mà Compton chiếm ưu thế sẽ tăng tỉ lệ với độ giảm của Z
5
. Do đó, chẳng
hạn trong trường hợp của nhôm, Compton sẽ chiếm ưu thế hơn tất cả các tương tác còn
lại vào khoảng 0,06 đến 20 MeV.
Ngoài ra, nếu I
0
là cường độ của chùm tia gamma đơn năng đi xuyên qua một vật
liệu có bề dày X, ta được phương trình:




(1.15)
Về hệ số suy giảm khối lượng, phương trình (1.15) sẽ được viết lại thành:





 
 

(1.16)
trong phương trình (1.16) có đơn vị là g/cm
2
và được gọi là bề dày khối của vật
liệu
Khi đó, giá trị của  cho hỗn hợp các nguyên tố được đưa ra cũng cùng một công
thức như phương trình:



 





 



(1.17)
Do


 

  (1.18)
Điều đó cho ta thấy rằng  bao gồm các giá trị khác nhau. Từ đó sẽ không quá khó
để ta chỉ ra được mối liên hệ giữa hệ số hấp thụ khối của một hỗn hợp với hệ số hấp
thụ khối của từng thành phần và được cho theo công thức:















 






 

 (1.19)
Trong đó 

và 

là phần trăm khối lượng của từng thành phần riêng biệt. Còn





, 





là hệ số hấp thụ khối của các nguyên tố thành phần [7].

9
CHƢƠNG II
CÁC MÔ HÌNH ĐO MỰC CHẤT LỎNG BẰNG TIA GAMMA
VÀ TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
Ở chương một, chúng ta đã cùng tìm hiểu về lý thuyết tia gamma khi đi qua vật
chất. Trong chương này sẽ đề cập đến mô hình thực nghiệm đo mực chất lỏng bằng tia
gamma cũng như tiến hành thí nghiệm để xác định mực chất lỏng.
2.1. Một số mô hình đo mực chất lỏng bằng tia gamma
Có rất nhiều mô hình thực nghiệm được sử dụng, mỗi mô hình đều có những ưu
điểm và nhược điểm khác nhau. Ở đây, tôi xin giới thiệu một vài mô hình đơn giản
nhưng mang lại hiệu suất và độ nhạy khá tốt.
2.1.1. Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất
Ở mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất [2], đầu dò được gắn cố định bên ngoài bể
chứa và nguồn được đặt trên một phao nổi dâng lên theo mực chất lỏng. Ở cách lắp ráp
này tạo nên một đồ thị hình nhọn rất đặc trưng và rất nhạy được miêu tả như hình 2.1.
Giả sử theo thời gian, mực chất lỏng trong bình chứa dâng lên từ thấp lên cao, khi
đó nguồn phóng xạ tia gamma cũng được nâng lên cao theo mực chất lỏng. Vì vậy khi
lấy số liệu từ máy đo, ta sẽ thu được một đồ thị có một đỉnh nhọn, đây cũng chính là
thời điểm mà độ cao của đầu dò ngang bằng với độ cao của nguồn phóng xạ. Mà độ
cao của đầu dò bên ngoài bình chứa chúng ta có thể biết và kiểm soát được. Khi nguồn
phóng xạ vượt qua khỏi đầu dò thì các số liệu thu được từ máy đo sẽ lại giảm xuống.
Nhưng nếu mực chất lỏng là cố định tại vị trí mà nguồn và đầu dò không thẳng hàng
với nhau thì người ta không thể xác định được mực chất lỏng trong bình.

10

Hình 2.1: Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất

2.1.2. Mô hình đo mực chất lỏng thứ hai
Ở mô hình đo mực chất lỏng thứ hai [2], cả nguồn phóng xạ và đầu dò đều nằm
bên ngoài bình chứa và nằm ở hai phía đối diện nhau sao cho chùm tia gamma có thể
đi xuyên qua khối chất lỏng và được ghi nhận bởi đầu dò. Điểm đặc trưng của phương
pháp này là mực chất lỏng trong bình chứa tức đại lượng h được cố định, còn vị trí
nguồn và đầu dò sẽ thay đổi theo chiều cao của bình chứa từ dưới lên trên hoặc ngược
lại. Vị trí nguồn và đầu dò phải đặt sao cho chuẩn trực, tức là đặt đối diện nhau sao cho
chùm tia gamma phát ra từ nguồn sẽ được ghi nhận bởi đầu dò nhiều nhất. Khi đó, đồ
thị thu được sẽ có dạng như hình 2.2.
Đồ thị này diễn tả ba giai đoạn quan trọng trong quá trình đo: đoạn từ a đến b
tương ứng với giai đoạn mực chất lỏng trong bình chứa thấp hơn trục nguồn – đầu dò,
đoạn từ b đến c tương ứng với đoạn mực chất lỏng trong bình chứa bắt đầu chặn từng

11
phần cho đến khi chặn hoàn toàn chùm tia gamma, đoạn từ c đến d tương ứng với giai
đoạn mực chất lỏng trong bình chứa đã hoàn toàn vượt qua trục nguồn và đầu dò.
Phương pháp như được miêu tả ở hình 2.2 có độ nhạy là rất tốt so với cấu tạo đơn
giản của nó.

Hình 2.2: Mô hình đo mực chất lỏng thứ hai
2.1.3 Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba
Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba [2] là một sự thay đổi lớn đối với hai mô hình
trên. Trong mô hình này ta sẽ dùng một nguồn phóng xạ dài và một đầu dò hạt nhân
ngắn. Hai thiết bị này được đặt bên ngoài bình chứa và ở hai phía đối diện nhau sao
cho trung điểm của nguồn phóng xạ dài cân bằng với độ cao của đầu dò.
Trong khi đó thì chiều cao của mực chất lỏng là đại lượng h được giữ cố định
trong suốt quá trình đo. Tuy nhiên nguồn phóng xạ này phát xạ mạnh hơn tại hai đầu
mút so với khoảng giữa.

12

Hình 2.3: Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba
Với cách sử dụng nguồn và đầu dò như trên, ta sẽ thu được một đồ thị có dạng đặc
trưng được miêu tả như hình 2.3. Đồ thị này cũng thể hiện ba giai đoạn quan trọng
trong quá trình đo, chi tiết về các giai đoạn này đã được mô tả như hai mô hình trên.
Căn cứ theo các số liệu thu thập được từ máy đếm và đồ thị, ta có thể xác định rằng
mực chất lỏng chính là trung điểm của đoạn bc.
2.2. Thực nghiệm
2.2.1. Lựa chọn mô hình
Thông qua ba mô hình vừa trình bày, chúng tôi chọn mô hình thứ hai để tiến hành
thí nghiệm bởi một số lý do như sau:
 Ưu điểm của mô hình:
+ Có thiết kế đơn giản

13
+ Dễ dàng trong các thao tác khi tiến hành thí nghiệm vì cả nguồn và detector
đều được đặt bên ngoài thành bình.
+ Mô hình nhỏ gọn tạo thuận lợi cho việc thu thập các số liệu cần thiết trước
khi tiến hành đo (độ dày, chiều cao và đường kính của bình, thiết lập thông
số cho detector…)
 Hiệu quả và độ nhạy:
+ Độ nhạy rất cao vì toàn bộ nguồn gamma và detector được đặt đối diện
nhau, toàn bộ tia gamma phát ra sẽ được detector ghi nhận.
+ Sai số của phép đo được giảm xuống mức tối thiểu vì đã hạn chế tác động từ
người đo trong quá trình thí nghiệm.
+ Cách đo đơn giản nên có thể thực hiện nhiều lần để thu được kết quả tốt
nhất từ các lần đo.
Những dữ liệu sau cần phải có trước khi tiến hành đo:
 Đường kính trong và bề dày thành bình.
 Mật độ khối và vật liệu cấu thành bình, ống…

 Nguồn đồng vị.
 Các thông số cài đặt cho detector.
Có hai nguồn đồng vị thường sử dụng là Co-60 và Cs-137. Chúng có thời gian bán
rã và năng lượng gamma phát ra khác nhau khá rõ rệt. Nguồn Co-60 phát ra hai đỉnh
năng lượng là 1173 keV và 1332 keV [6]. Các gamma năng lượng cao này có khả năng
đâm xuyên tốt, ít bị hấp thụ, nên lượng gamma đến detector sẽ nhiều. Điều này rất hữu
ích cho phổ ghi nhận được vì số đếm càng lớn thì sai số thống kê càng nhỏ. Tuy nhiên,
chu kì bán rã của Co-60 là 5,27 năm nên hiển nhiên nó sẽ bị hạn chế đối với những
phép đo trong thời gian lâu, từ vài tháng trở lên. Lúc này ta phải tính đến sự suy giảm
hoạt độ của nguồn trong khi đo. Thông thường, ta không làm vậy mà sẽ dùng nguồn có
thời gian bán rã lâu hơn là Cs-137 (30,2 năm) [6]. Do năng lượng gamma của Cs-137
chỉ là 662 keV nên nó không thể thay thế hoàn toàn Co-60 (vì năng lượng thấp dẫn đến

14
khi đo trong trường hợp bình chứa có thành bình quá dày thì tia gamma do nguồn Cs-
137 phát ra sẽ không thể đi xuyên qua được).
Đối với phương pháp quét gamma để khảo sát mực nước trong bình kín. Ta thường
dùng nguồn Co-60 vì hai lí do. Thứ nhất, việc quét sẽ chỉ diễn ra trong vài ngày hoặc
cũng chỉ kéo dài vài tuần nên hoạt độ của nguồn có thay đổi cũng không đáng kể. Thứ
hai, vật liệu làm thành bình thường là thép, có khả năng hấp thụ tia gamma rất tốt nên
để phổ thu được có ý nghĩa, ta cần nguồn có năng lượng cao. Tuy nhiên, ta không thể
tăng hoạt độ của nguồn một cách tuỳ ý. Điều này có thể vi phạm quy tắc an toàn bức
xạ.
2.2.2. Tiến hành thí nghiệm
Chuẩn bị dụng cụ:
- Một khung nhôm hoặc một khung sắt sơn tĩnh điện có khoảng không gian
chính giữa dùng để đặt bình chứa.
- Một bình chứa chất lỏng.
- Một hệ trục dùng để làm giá đỡ cho nguồn và detector.
- Nguồn đồng vị và ống chuẩn trực.

Tiến hành thí nghiệm:
- Thu thập dữ liệu trước khi đo:
+ Chiều cao, độ dày, đường kính của bình chứa.
+ Vật liệu làm bình chứa để xác định bề dày một nửa.
- Nguồn phóng xạ Cs-137 được sử dụng trong khóa luận là nguồn kín có hoạt
độ 10 với chu kỳ bán rã 30,2 năm. Nguồn được đặt trong một khối nhựa
có dạng hình trụ đường kính 4 cm, chiều cao 3,4 cm. Nguồn Cs-137 được đặt
cố định trong một ống chuẩn trực bằng sắt hình vuông cạnh 6,1 cm, và được
đặt bên ngoài thành bình đối diện với detector.

15
- Cấu hình detector: Detector với tinh thể nhấp nháy NaI(Tl), được thiết kế
dùng ở đầu một loại ống nhân quang điện. Kích thước hình học của detector
nhấp nháy được sử dụng trong quá trình làm thí nghiệm gồm các phần sau:
+ Cạnh : 3,3 cm
+ Dài: 20 cm
+ Vỏ bọc bên ngoài bằng nhôm.
- Các bước thí nghiệm:
Bước 1: Tiến hành đo phông và khảo sát nguồn để xác định ngưỡng:
Dùng detector NaI(Tl) tiến hành đo phông của môi trường khi chưa có nguồn.
Tiến hành đo 10 lần mỗi lần 900s sau đó lấy giá trị trung bình để tính toán.
Dùng detector NaI(Tl) và máy đếm SCS-02 để khảo sát nguồn và tìm ra ngưỡng
dưới cũng như bề rộng cửa sổ để thiết lập các thông số đo cho máy đếm khi tiến hành
đo mực chất lỏng.
Bước 2: Đo mực chất lỏng trong bình chứa.
Tôi sẽ sử dụng mô hình đo mực chất lỏng thứ hai để tiến hành thí nghiệm này như
đã nêu ở trên và tiến hành hai thí nghiệm:
Ở thí nghiệm thứ nhất: Tiến hành đo và lấy số đếm từ máy đếm SCA-02 với độ cao
của nguồn và đầu dò là từ thấp lên cao, mỗi lần dịch chuyển lên 1 mm.
Ở thí nghiệm thứ hai: Tiến hành đo và lấy số đếm từ máy đếm SCA-02 với độ cao

của nguồn và đầu dò là từ cao xuống thấp, mỗi lần dịch chuyển xuống 1 mm.
Giá trị trung bình giữa kết quả của hai lần đo chính là mực chất lỏng mà ta cần tìm.


16
CHƢƠNG III
KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN
Chương hai đã giới thiệu sơ lược về các mô hình được ứng dụng để đo mực chất
lỏng trong bình kín cũng như đưa ra lý do cho mô hình đã chọn để tiến hành thực
nghiệm. Hệ đo được thiết lập như hình 3.1.

Hình 3.1: Mô hình đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm
Hệ thiết bị được sử dụng gồm một khung sắt đã sơn tĩnh điện, ở chính giữa là
khoảng trống để đặt một bình chứa chất lỏng (Hình 3.2), và cụ thể trong khoá luận này
chất lỏng được sử dụng để khảo sát là nước.
Bình chứa là một bình chữa cháy cũ được làm bằng sắt, trên thành bình có dán
thước đo đơn vị cm để giúp người làm thí nghiệm thuận tiện hơn trong việc đọc trị số
chiều cao. Thông số bình chứa như sau:

17
Chiều cao: 32 cm
Độ dày: 0,3 cm
Đường kính trong: 9,18 cm
Đường kính ngoài: 9,6 cm
Nguồn sử dụng để tiến hành thí nghiệm là nguồn Cs-137, hoạt độ tính đến thời
điểm tiến hành thí nghiệm là 1 μCi khi tiến hành xác định ngưỡng và hoạt độ 10 μCi
khi tiến hành đo mực chất lỏng để đảm bảo đạt được số đếm như mong muốn.
Hình 3.2: Hệ đo mực chất lỏng thực tế
Ngoài ra, hệ thiết bị còn có thêm một trục xoay dùng để di chuyển nguồn và
detector theo chiều từ thấp lên cao và từ cao xuống thấp. Trên khung chính có hai giá

18
đỡ, một dùng để đặt nguồn phóng xạ và một dùng để đặt detector. Sơ đồ khối của hệ
như hình 3.3.

Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm
3.1. Xác định ngƣỡng và đo phông
3.1.1. Xác định ngƣỡng
Trước hết, chúng ta cần tiến hành khảo sát nguồn bằng máy đếm SCA-02. Dựa vào
đồ thị thu được sau khi tiến hành đo, ta có thể xác định ngưỡng dưới cũng như bề rộng
cửa sổ và sử dụng những thông số này để cài đặt cho máy đếm khi tiến hành thí
nghiệm.
Nguồn được sử dụng là Cs-137 dạng rắn, hoạt độ tại thời điểm tiến hành thí
nghiệm là 1 μCi, ống chuẩn trực có đường kính là 2 mm bằng sắt và detector NaI(Tl)
hình vuông, vỏ ngoài được làm từ vật liệu nhôm.
Máy đếm SCA-02 sẽ được thiết lập để đo tự động từ kênh 1 đến kênh 100. Hiệu
điện thế hoạt động là 800 V.

19
Thời gian đo: 900s/lần đo.
Số lần đo: 1 lần
Bảng 3.1: Số liệu trong lần đo xác định ngưỡng
Kênh
Số
đếm
Kênh
Số
đếm
Kênh

Số
đếm
Kênh
Số
đếm
Kênh
Số
đếm
1
2847
21
30
41
3
61
0
81
0
2
2720
22
28
42
1
62
0
82
0
3
1237

23
17
43
3
63
1
83
0
4
870
24
18
44
3
64
0
84
0
5
664
25
16
45
1
65
0
85
0
6
513

26
16
46
5
66
0
86
0
7
383
27
20
47
1
67
0
87
0
8
305
28
17
48
2
68
0
88
0
9
288

29
10
49
2
69
0
89
0
10
232
30
13
50
1
70
0
90
0
11
192
31
15
51
2
71
0
91
0
12
148

32
12
52
5
72
1
92
0
13
117
33
12
53
2
73
0
93
0
14
131
34
13
54
3
74
0
94
0
15
167

35
14
55
4
75
0
95
0
16
210
36
10
56
0
76
0
96
0
17
165
37
14
57
0
77
0
97
0
18
102

38
9
58
0
78
0
98
0
19
67
39
4
59
1
79
0
99
0
20
45
40
9
60
1
80
0
100
0
Dựa vào bảng số liệu, ta có thể thấy ở ba kênh đầu tiên là kênh 1, kênh 2, kênh 3
có hiện tượng nhảy vọt số đếm, đó là do sự ảnh hưởng của nhiễu điện tử. Nên khi vẽ đồ

thị ta có thể bỏ qua ba điểm này.
Dựa vào đồ thị hình 3.4, ta sẽ ghi nhận các thông số sau:
Ngưỡng dưới: 13
Bề rộng cửa sổ: 8 (tức là đến kênh 21)
Vị trí từ kênh 13 đến kênh 21 cũng chính là vị trí đỉnh của Cs-137 thu được sau khi
tiến hành đo khảo sát.


20


Hình 3.4: Đồ thị khảo sát nguồn Cs-137
3.1.2. Đo phông
Sử dụng máy đếm SCA-02 để tiến hành đo phông môi trường với các thông số như
sau:
Hiệu điện thế: 800 V
Ngưỡng dưới: 13
Bề rộng cửa sổ: 8
Thời gian đo: 900 s/lần đo
Số lần đo: n = 10 lần
Bảng 3.2: Số liệu đo phông
Số lần (n)







Số lần (n)








1
7445
86,3
6
7521
86,7
2
7486
86,5
7
7412
86,1
3
7562
87,0
8
7221
85,0
4
7613
87,3
9
7606

87,2
5
7634
87,4
10
7567
87,0

21
Số đếm phông trung bình là: 






Sai số của phông sẽ tính theo công thức [4]:









 


  





(3.1)
Với 





lần lượt là sai số tuyệt đối của từng lần đo.
Suy ra sai số của phông là: 


2
Vậy số đếm phông trung bình là: 





 7507 ± 274 (số đếm).
3.2. Lần đo thứ nhất
Ghi nhận số đếm từ máy đếm SCA-02 khi di chuyển detector và nguồn theo chiều
từ thấp lên cao, mỗi lần dịch chuyển lên 1 mm.
Sử dụng nguồn phóng xạ Cs-137 dạng rắn, hoạt độ tại thời điểm tiến hành thí
nghiệm là 10 μCi.
Cấu hình máy đếm như sau:
Hiệu điện thế: 800 V

Ngưỡng dưới: 13
Bề rộng cửa sổ: 8
Thời gian đo: 900 s/lần đo
Số lần đo: 5 lần/1 mm
Bảng 3.3: Số liệu trong lần đo thứ nhất
Chiều
cao
H (mm)







Chiều
cao
H (mm)







Chiều
cao
H (mm)







0
20691,0
321,6
21
20337,8
318,9
42
27589,4
371,4
1
20203,4
317,8
22
20819,4
322,7
43
28838,8
379,7
2
20336,8
318,9
23
20738,8
322,0
44

29773,6
385,8
3
20658,4
321,4
24
20829,4
322,7
45
30302,8
389,2