Xây dựng hệ khảo sát hiện tượng đóng cặn đường ống

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

------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đềtài:
XÂY DỰNG HỆ KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG
ĐÓNG CẶN ĐƯỜNG ỐNG

NGUYỄN HUỲNH PHÚC

-------------------

TP. HỒ CHÍ MINH - 2015


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa học và thực hiện được khóa luận tốt nghiệp này, con xin
gửi tới gia đình lòng biết ơn sâu sắc, đã nuôi dưỡng và tạo điều kiện cho con được học
tập và phát triển khả năng của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân đã chỉ
dạy và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận này.
Để hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này, em xin chân thành cảm ơn TS.
Trần Thiện Thanh, người Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt cho em
những kiến thức cũng như những kinh nghiệm thực nghiệm quý báu.
Em xin chân thành cảm ơn ThS. Lưu Đặng Hoàng Oanh đã dành thời gian

đọc khóa luận và góp ý cho khóa luận của em được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn bạn Huỳnh Tăng Hiền vì đã nhiệt tình giúp mình xây
dựng hình ảnh mô phỏng vùng cặn bám trong ống.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn Vật lý Hạt nhân Khóa 2010 đã
cùng mình đi trên đoạn đường tìm kiếm tri thức vừa qua.
Trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong quý
thầy cô và các bạn góp ý chân thành để khóa luận được hoàn thiện hơn.
Tp. HCM, tháng 7 năm 2014.
Nguyễn Huỳnh Phúc


i

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Mục lục ........................................................................................................................ i
DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ........................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... iv
HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................................ v
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ............................................................ 3
1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của kỹ thuật quét gamma ............................. 3
1.1.1. Ứng dụng của kỹ thuật quét gamma ............................................................ 3
1.1.2. Tình hình nghiên cứu kỹ thuật quét gamma trên Thế giới ........................... 3
1.1.3. Tình hình nghiên cứu kỹ thuật quét gamma ở nước ta ................................. 4
1.2. Tương tác của bức xạ gamma đối với vật chất .................................................... 4
1.2.1. Hiệu ứng quang điện ..................................................................................... 5
1.2.2. Hiệu ứng Compton........................................................................................ 7

1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp ........................................................................................... 9
1.2.4. Hệ số hấp thụ .............................................................................................. 11
1.3. Phương pháp quét gamma khảo sát ống .......................................................... 11
1.3.1. Ứng dụng kỹ thuật quét gamma trong khảo sát ống ................................. 11
1.3.2. Cơ sở lý thuyết của kỹ thuật quét khảo sát cặn trong ống .......................... 12
1.4. Nhận xét chương 1 ............................................................................................ 13
CHƯƠNG 2: BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM .................................................................. 14
2.1. Hệ tải vận chuyển hệ đo ..................................................................................... 14
2.1.1. Mô hình hóa – Các thông số dự kiến ......................................................... 14


ii

2.1.2. Hệ tải và các thông số thực tế .................................................................... 14
2.2. Nguồn phóng xạ ................................................................................................. 17
2.2.1. Nguồn đĩa .................................................................................................... 17
2.2.2. Nguồn điểm................................................................................................. 18
2.3. Hệ ghi nhận ........................................................................................................ 19
2.3.1. Detector nhấp nháy NaI ............................................................................. 19
2.3.2. Hệ điện tử ghi nhận ..................................................................................... 21
2.3.3. Hạn chế và sai số của hệ điện tử ................................................................. 22
2.4. Nhận xét chương 2 ............................................................................................ 22
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 23
3.1. Khảo sát vùng hoạt động của hệ đo ................................................................... 23
3.1.1. Mục đích của việc khảo sát ......................................................................... 23
3.1.2. Các bước chuẩn bị và tiến hành ................................................................. 23
3.1.3. Các đồ thị từ số liệu ghi nhận và nhận xét ................................................. 24
3.2. Đo dọc theo chiều cao của ống .......................................................................... 26
3.2.1. Mục đích của các phép đo .......................................................................... 26
3.2.2. Các bước chuẩn bị và tiến hành .................................................................. 26

3.2.3. Số liệu ghi nhận, đồ thị mô tả và nhận xét.................................................. 27
3.2.4 Kết luận ........................................................................................................ 35
3.3. Khảo sát kích thước và dựng ảnh vùng đóng cặn ............................................. 36
3.3.1. Mục đích .................................................................................................... 36
3.3.2. Các bước chuẩn bị và tiến hành ................................................................. 36
3.3.3. Số liệu ghi nhận, đồ thị mô tả và ảnh tái tạo .............................................. 37
3.4. Nhận xét chương 3 ............................................................................................ 40
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 42
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 43


iii

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

SCA

Single Channel Analyzer

Máy phân tích đơn kênh

CT

Total Counter

Chế độ đo tổng số đếm

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

PVC

Poli Vinyl Clorua

Nhựa PVC

Ký hiệu

Ý nghĩa

h

Hằng số Planck (h = 6,626.10-34J.s)

c

Vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108m/s)

φ

Góc bay ra của electron Compton

ν

Tần số của gamma tới (Hz)

ν'

Tần số của gamma tán xạ (Hz)

E

Năng lượng gamma tới (MeV)

E’

Năng lượng gamma tán xạ (MeV)

m0

Khối lượng của electron (m0 = 9,1.10-31kg)

σf(E)

Tiết diện hấp thụ

σc

Tiết diện tán xạ Compton

Mnuc

Khối lượng nguyên tử


iv

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Diễn giải

Trang

1.1

Một số nguồn gamma dùng trong Công nghiệp

12

3.1

Số liệu của quy trình 1 khi khảo sát vị trí xoay thứ 1

28

3.2

Số liệu của quy trình 2 khi khảo sát vị trí xoay thứ 1

30

3.3

Số liệu của quy trình 1 khi khảo sát vị trí xoay thứ 2

Phụ lục

3.4

Số liệu của quy trình 2 tại vị trí xoay thứ 2

Phụ lục

3.5

Số liệu của quy trình 1 khi khảo sát vị trí xoay thứ 3

Phụ lục

3.6

Số liệu của quy trình 2 khi khảo sát vị trí xoay thứ 3

Phụ lục

3.7

Số liệu của quy trình 1 khi khảo sát vị trí xoay thứ 4

Phụ lục

3.8

Số liệu của quy trình 2 khi khào sát vị trí xoay thứ 4

Phụ lục

3.9

Số liệu của quy trình 1 khi khảo sát dựng ảnh

Phụ lục

3.10

Số liệu với góc lệch là 0 và 30 độ

Phụ lục

3.11

Số liệu với góc lệch là 60 và 90 độ

Phụ lục

3.12

Số liệu với góc lệch là 120 và 150 độ

Phụ lục

3.13

Số liệu với góc lệch là 180 độ

Phụ lục


v

HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình

Diễn giải

Trang

1.1

Hiệu ứng quang điện

6

1.2

Hiệu ứng Compton

7

1.3

Phân bố cường độ chùm tia gamma tán xạ Compton theo góc tán xạ θ

8

1.4

Hiệu ứng tạo cặp

9

1.5

Sự suy giảm cường độ của chùm tia gamma qua vật chất

10

2.1

Mô hình hóa và thực tế của hệ đo

15

2.2

Hình ảnh hộp điều khiển và sơ đồ mạch điều khiển

16

2.3

Hệ tọa độ đo ngang

16

2.4

Nguồn đĩa Cs-137 được sử dụng

17

2.5

Khối chì bọc nguồn đĩa

18

2.6

Nguồn điểm

19

2.7

Colimator của nguồn điểm

19

2.8

Detector nhấp nháy NaI (Tl)

20

2.9

Hệ điện tử ghi nhận

21

3.1

Đồ thị khảo sát hệ số khuếch đại 60 và thời gian đo 30 giây.

24

3.2

Đồ thị khảo sát hệ số khuếch đại 60 và thời gian đo 60 giây

Phụ lục


vi

3.3

Đồ thị khảo sát hệ số khuếch đại 70 và thời gian đo 60 giây

Phụ lục

3.4

Đồ thị khảo sát hệ số khuếch đại 80 và thời gian đo 60 giây

Phụ lục

3.5

Đồ thị khảo sát hệ số khuếch đại 80 và thời gian đo 600 giây

25

3.6

Đồ thị khảo sát theo chiều cao của ống (vị trí xoay thứ 1)

29

3.7

Đồ thị mô tả khối cặn bám trong ống (vị trí xoay thứ 1)

29

3.8

Đồ thị khảo sát theo chiều cao của ống (vị trí xoay thứ 2)

31

3.9

Đồ thị mô tả hai khối cặn bám trong ống (vị trí xoay thứ 2)

31

3.10

Đồ thị khảo sát theo chiều cao của ống (vị trí xoay thứ 3)

33

3.11

Đồ thị mô tả cặn bám bên trong ống (vị trí xoay thứ 3)

33

3.12

Đồ thị khảo sát theo chiều cao của ống(vị trí xoay thứ 4)

34

3.13

Đồ thị mô tả cặn bám bên trong ống (vị trí xoay thứ 4)

35

3.14

Đồ thị khảo sát theo chiều cao của ống(vị trí xoay thứ 4)

38

3.15

Đồ thị mô tả cặn bám bên trong ống

38

3.16

Hình ảnh tái tạo bên trong ống và cặn bám bên trong

39

3.17

Hình ảnh tái tạo bên trong ống và cặn bám khi tăng độ tương phản

39


1

LỜI MỞ ĐẦU
Với sự phát triển của Vật lý Kỹ thuật nói chung và Vật lý Hạt nhân nói riêng,
thành quả đạt được từ nghiên cứu trong lĩnh vực này ngày càng được ứng dụng rộng
rãi, đặc biệt là trong hiện đại hóa các ngành công nghiệp. Nổi bật trong số đó là ứng
dụng đồng vị phóng xạ để kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm mà không phải
phá hủy chúng.
Quét gamma là phương pháp tốt nhất trong những kỹ thuật ứng dụng đồng vị
phóng xạ để kiểm tra không phá hủy mẫu. Các chùm tia gamma trực chuẩn truyền
qua mẫu khảo sát cho ta biết được những thông tin về kích thước và môi trường vật
chất bên trong của nó. Phạm vi khảo sát của phương pháp này khá rộng lớn, trong
khóa luận này, đối tượng được chọn lựa nghiên cứu là vùng cặn đóng bám bên
trong đường ống dẫn.
Việt Nam có một vùng biển chủ quyền lâu đời với vô số tài nguyên khoáng
sản, đặc biệt là dầu khí. Vì vậy, để đáp ứng tốc độ phát triển của đất nước, ngành
công nghiệp khai thác dầu khí đã liên tục phát triển không ngừng, đồng hành với đó
là hàng nghìn ki-lô-mét đường ống dẫn được đưa vào sử dụng cho việc vận chuyển
nguyên liệu và sản phẩm. Bên cạnh đó, nền nông nghiệp truyền thống với lúa nước,
cây ăn quả nhiệt đới và những cây công nghiệp ngắn hay dài ngày đều cần các hệ
thống cấp nước tưới tiêu kịp thời và đảm bảo vệ sinh. Ngoài ra, các hệ thống đường
ống cung cấp nước sạch và dẫn xả chất thải quy mô rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu
sinh hoạt và sản xuất ở các đô thị. Như vậy, có thể thấy rằng việc lưu thông vật chất
bằng đường ống dường như hiện hữu ở mọi nơi và rất thường nhật, đáp ứng những
nhu cầu từ cơ bản đến phức tạp.
Với những nhiệm vụ to lớn và liên tục như thế, nếu không có những biện
pháp kiểm tra và xử lý kịp thời, trong trường hợp có vấn đề gây tắc nghẽn sự lưu
thông của dòng vật chất thì rất có thể sẽ dẫn đến những hậu quả to lớn và nghiêm
trọng về kinh tế và sức khỏe con người.


2

Trong đề tài này, tác giả thực hiện việc “ Xây dựng hệ khảo sát hiện tượng
đóng cặn đường ống” nhằm ứng dụng kỹ thuật quét gamma để giải quyết vấn đề
này. Khóa luận gồm có 3 chương như sau:
- Chương 1: Tổng quan về tƣơng tác của gamma với vật chất.
- Chương 2: Bố trí thí nghiệm.
- Chương 3: Kết quả và thảo luận.


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của kỹ thuật quét gamma
1.1.1. Ứng dụng của kỹ thuật quét gamma
Được biết đến như một trong những phương pháp tốt nhất trong việc kiểm
tra không phá hủy mẫu, kỹ thuật quét gamma đã và đang được các nhà nghiên cứu
cũng như các trung tâm kiểm định áp dụng và cải tiến từ nửa cuối thế kỉ trước.
Các ngành công nghiệp dầu khí và hóa chất là những ngành sử dụng chủ yếu
và thu lợi rất nhiều từ kỹ thuật này. Dựa trên các tính năng vật lý cơ bản của
phương pháp, ta có thể áp dụng nó vào các trường hợp điển hình như: đo mực chất
lỏng trong ống hoặc tháp có nhiều khay (ngăn) trong các ngành công nghiệp hóa
chất, phát hiện cặn bám trong các đường ống dẫn khí hoặc dẫn chất lỏng trong các
ngành công nghiệp khai thác, xử lý chất thải và xây dựng.
Cơ sở để tiến hành kỹ thuật quét gamma dựa trên những lý thuyết khá cơ
bản của Vật lý Hạt nhân. Do vậy, trong quá trình nghiên cứu và áp dụng, nếu ta có
thể phối hợp các lĩnh vực Hạt nhân, Cơ khí và Tự động hóa, đồng thời tích hợp các
phương pháp có liên quan mật thiết khác (ví dụ như phương pháp tán xạ gamma để
đo bề dày vật liệu), ta hoàn toàn có thể xây dựng được một hệ đo đa dụng với hiệu
quả công việc cao.

1.1.2. Tình hình phát triển kỹ thuật quét gamma trên thế giới
Tập đoàn đa quốc gia ScanTech là một trong những nhà tiên phong trong
lĩnh vực này, với các trụ sở chính và đối tác liên kết của họ có mặt tại hơn 30 quốc
gia. Một số dịch vụ chủ yếu có thể kể đến của ScanTech như: khảo sát tháp chưng
cất, khảo sát mực chất lỏng trong bồn, khảo sát cặn trong ống dẫn, tìm kiếm dưới
nước và chụp ảnh cắt lớp. [8]
Tuy nhiên, những dịch vụ trên chỉ mới có mặt ở các quốc gia có nền công
nghiệp tiến bộ trên thế giới. Do đó, đây vừa là khó khăn nhưng cũng vừa là cơ hội
tốt cho các nước đang phát triển theo xu hướng công nghiệp hóa và hiện đại hóa.


4

1.1.3. Tình hình phát triển và tiềm năng của kỹ thuật quét gamma ở nƣớc ta
Công tác kiểm tra không phá hủy mẫu đã được áp dụng trong các ngành
công nghiệp ở Việt Nam trong nhiều năm nay, bằng các phương pháp quen thuộc
như chụp ảnh phóng xạ, siêu âm hay thẩm thấu. Tuy nhiên, việc áp dụng phương
pháp quét gamma dường như vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu. Điều này
dẫn đến bất lợi cho các ngành công nghiệp ở nước ta, vì mỗi khi muốn áp dụng việc
kiểm tra bằng phương pháp này thì đều phải dựa vào các công ty kiểm định ngoài
nước với mức chi phí không hề nhỏ.
Bộ môn Vật lý Hạt nhân trực thuộc Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật của
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã chế tạo thành công “ Hệ đo tán xạ gamma để
xác định bề dày của vật liệu”. Bên cạnh đó, hiện nay Bộ môn cũng đang nghiên cứu
việc thiết kế tích hợp cả 2 kỹ thuật gamma tán xạ và gamma truyền qua cùng nằm
trong một hệ đo.
Trên cơ sở các thiết bị kỹ thuật có sẵn của Bộ môn và một số thiết bị tự chế
tạo khác, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thiện Thanh, em đã thực hiện khóa luận
“ Xây dựng hệ khảo sát hiện tượng đóng cặn đường ống” và thu được nhiều kết quả
tích cực. Những kết quả này đã khẳng định được sự thành công của hệ khảo sát ở

quy mô phòng thí nghiệm và tính khả thi của việc ứng dụng kỹ thuật quét gamma.
1.2. Tƣơng tác của bức xạ gamma đối với vật chất
Bức xạ γ là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn khoảng cách giữa các nguyên
tử (λγ <được hình dung như dòng hạt nên gọi là bức xạ γ. Giới hạn năng lượng thấp nhất
của bức xạ γ là 10 keV. Công thức liên hệ giữa năng lượng và bước sóng của bức xạ
γ có dạng: [1]
E=

(1.1)

Các máy gia tốc hiện tại tạo được bức xạ γ với năng lượng trên 20 GeV. Tuy
vậy, giá trị năng lượng khoảng từ 2 MeV đến 30 MeV là thích hợp nhất cho các ứng
dụng trong thực tế.


5

Giống như các hạt tích điện, bức xạ γ cũng bị hấp thụ bởi môi trường, chủ
yếu do tương tác điện từ. Tuy nhiên cơ chế hấp thụ này khá khác biệt vì hai lý do:
 Thứ nhất, bức xạ γ không mang điện tích do đó không chịu tác động dưới
trường lực Coulomb. Tương tác của bức xạ γ với electron xảy ra trong vùng bán
kính khoảng 10-11 cm (kích thước này nhỏ hơn cỡ 3 bậc so với khoảng cách a giữa
các nguyên tử). Từ đó, va chạm giữa bức xạ γ (dịch chuyển qua môi trường vật
chất) với electron và nhân là khá hiếm, những va chạm như thế thường dẫn đến sự
lệch hướng đột ngột của bức xạ γ khỏi hướng đi ban đầu của nó. Nghĩa là bức xạ γ
tách ra khỏi chùm tia.
 Thứ hai, bức xạ γ không có khối lượng nghỉ, do đó không thể chuyển động
với vận tốc khác vận tốc ánh sáng. Điều này nghĩa là bức xạ γ không thể bị chia
nhỏ. Chúng cũng bị hấp thụ và tán xạ, thường ở các góc lớn. Do vậy cường độ ban

đầu của chùm bức xạ giảm dần.
Khi xét đến cơ chế tự tương tác của bức xạ γ với môi trường ta phải xét đến
tính bức xạ, nghĩa là tính chất sóng – hạt của bức xạ γ. Tính bức xạ của các bức xạ γ
thấy rõ nét vì bước sóng bức xạ γ nhỏ hơn khoảng cách giữa nguyên tử và electron.
Theo cơ học bức xạ, bài toán tương tác giữa bức xạ γ và nguyên tử chỉ có thể giải
được dựa trên cơ sở điện động lực học bức xạ. Tương tác giữa bức xạ γ với môi
trường vật chất xảy ra theo ba cơ chế chính là:
a) Hiệu ứng quang điện.
b) Hiệu ứng Compton.
c) Hiệu ứng tạo cặp.
1.2.1. Hiệu ứng quang điện
Bức xạ γ va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao toàn bộ năng lượng
của mình cho electron liên kết của nguyên tử. Một phần năng lượng này giúp cho
electron thắng lực liên kết, phần còn lại trở thành động năng của electron.
Theo định luật bảo toàn năng lượng:
E = Te- + I0
với

I0: năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử.

(1.2)


6

Te-: động năng của electron.
Động lượng của hệ được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên tử. Do điều kiện
bảo toàn năng lượng và động lượng electron tự do không thể hấp thụ hay bức xạ
một photon. Do đó, hiệu ứng quang điện xảy ra mạnh nhất đối với bức xạ γ có năng
lượng cùng bậc với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Đối với các

eletron nằm ở các lớp vỏ nguyên tử sâu và nguyên tử có bậc số nguyên tử Z lớn,
năng lượng liên kết của electron càng lớn. Vì vậy, khoảng năng lượng của bức xạ γ
cao hơn tia X, hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở lớp K (30%). Mặt khác, hiệu
ứng quang điện tăng mạnh đối với môi trường vật chất có bậc số nguyên tử lớn.

Tia X đặc trưng
của phân lớp L
Tia γ tới
Tia X đặc trưng
của phân lớp K

Electron
quang điện

Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện
Tiết diện của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ γ và
loại nguyên tử. Cụ thể là tiết diện hấp thụ tỉ lệ với Z5, nghĩa là nó tăng rất nhanh đối
với các nguyên tố năng. Nếu năng lượng của bức xạ γ tới chỉ lớn hơn năng lượng
liên kết của electron thì tiết diện hấp thụ, σf(E), tỉ lệ với 1/E3,5, nghĩa là nó giảm rất
nhanh khi tăng năng lượng. Khi năng lượng bức xạ γ tới lớn hơn rất nhiều lần so với
năng lượng liên kết, σf(E) giảm chậm hơn, theo quy luật E-1. Trong khoảng năng
lượng liên kết của electron, tiết diện hấp thụ thay đổi gián đoạn, nghĩa là xuất hiện
các đỉnh hấp thụ tại các giá trị năng lương cao hơn không nhiều so với năng lượng
liên kết của electron tron các lớp. Bởi vì, theo định luật bảo toàn năng lượng, ở năng


7

lượng thấp hơn năng lượng liên kết của electron, bức xạ gamma không thể tham gia
hiệu ứng quang điện. Hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện bằng:

τ = (σf n)/ ρ
với

(1.3)

n: là số lượng nguyên tử trên một đơn vị thể tích.
ρ: là khối lượng riêng (g/cm3).
Do vậy, τ tỉ lệ thuận với σf(E). Trong khoảng năng lượng liên kết của

electron trong nguyên tử, tiết diện hấp thụ σf(E) lớn hơn rất nhiều so với tiết diện
của các quá trình khác. Khi tăng năng lượng, tiết diện hấp thụ σf(E) giảm mạnh, vì
khi đó electron trong nguyên tử được xem như electron tự do. Ví dụ, với Al ta có:
σf 6.10-18 cm2 ở E = 1 keV.
σf 6.10-25 cm2 ở E = 0,1 MeV. [3]
Hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ chủ yếu ở vùng năng lượng thấp, vai
trò của nó trở nên không đáng kể ở vùng năng lượng cao. Đây cũng là vùng hiệu
ứng chủ yếu mà ta quan tâm trong quá trình khảo sát cặn trong ống của chúng ta.
1.2.2. Hiệu ứng Compton
Hiệu ứng Compton là hiện tượng bức xạ γ tán xạ trên electron của nguyên tử
và lệch khỏi hướng ban đầu. Năng lượng của bức xạ γ ban đầu được truyền cho
electron và bức xạ γ tán xạ, năng lượng này lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên
kết của electron trong nguyên tử nên electron được xem là electron tự do.

Tia γ tán xạ

Tia γ tới

Electron tự do

Hình 1.2: Hiệu ứng Compton.

Electron thứ cấp


8

Giả sử trước lúc va chạm electron đứng yên, áp dụng định luật bảo toàn năng
lượng và bảo toàn động lượng, ta có:
hν = hν/ [1 + hν(1 – cosθ)/m0c2]
Với

(1.4)

hν’: năng lượng của bức xạ γ tán xạ.
hν : năng lượng của bức xạ γ ban đầu.
Hình 1.3 biểu diễn phân bố cường độ của tia gamma tán xạ Compton theo

góc tán xạ. Ta thấy, khi năng lượng của chùm tia gamma ban đầu tăng, chùm tia tán
xạ Compton chủ yếu phân bố về phía trước theo phương đến của chùm tia gamma
ban đầu (góc tán xạ nhỏ).

Hình 1.3: Phân bố cường độ chùm tia gamma tán xạ Compton theo góc tán xạ θ.[3]
Khi năng lượng của bức xạ γ tăng, hiệu ứng hấp thụ quang điện trở thành cơ
chế tương tác thứ yếu. Hiệu ứng Compton trở thành cơ chế tương tác chiếm ưu thế
trong khoảng năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết trung bình của
electron trong nguyên tử. Cần chú ý rằng, tán xạ Compton với nhân không đáng kể,
vì bán kính electron cổ điển đối với nhân, Z2e2/(Mnucc2), rất nhỏ. [3]
1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp
Khi năng lượng của bức xạ γ lớn hơn rất nhiều so với 2m0c2 (bằng 1,022
MeV) thì quá trình tương tác chính của γ lên vật chất là sự tạo cặp electron –

positron. Cặp e-, e+ sinh ra trong trường điện từ của nhân, khi đó bức xạ γ biến mất
(hấp thụ hoàn toàn) và năng lượng của nó truyền hết cho cặp e-, e+ và nhân giật lùi.


9

Năng lượng giật lùi của nhân không đáng kể, do đó biểu thức định luật bảo toàn
năng lượng được viết như sau:
E = T- + T+ + 2m0c2

(1.5)

T-, T+ lần lượt là động năng của electron và positron.
m0

là khối lượng của electron.

Các e-, e+ sinh ra trong trường điện từ của nhân nên các e+ sẽ bay ra khỏi hạt
nhân, các e- sẽ bị hãm lại (do lực hút Coulomb). Do đó phổ năng lượng đo được
khác nhau đối với hai loại này. Sự khác nhau càng tăng đối với môi trường có Z
lớn. Do khối lượng nghỉ của bức xạ γ bằng 0, nên nó chỉ có thể tạo cặp nếu năng
lượng của nó lớn hơn tổng năng lượng nghỉ của electron và positron (2m0c2 = 1,022
MeV). Do đó, hiệu ứng tạo cặp có thể bỏ qua khi năng lượng của bức xạ γ nhỏ hơn
1,022 MeV. Trên ngưỡng năng lượng này, tiết diện tương tác tăng dần và đạt đến
một giá trị không đổi ở năng lượng rất cao (~ 1000m0c2). Giá trị này bằng σπ
0,08Z2r02, với r0 là bán kính cổ điển của electron.

Tia γ tới

Hình 1.4 : Hiệu ứng tạo cặp.

Vì cả hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton có tiết diện tán xạ giảm đến
không ở khoảng năng lượng rất cao, nên sự tạo cặp ở vùng này là cơ chế chủ yếu
hấp thụ bức xạ γ. Cặp e-, e+ có thể tạo được tạo bởi photon không chỉ trong trường


10

Coulomb của nhân, mà còn của electron. Tuy nhiên, quá trình sau dẫn đến sự hấp
thụ bức xạ γ yếu hơn nhiều, vì tiết diện tương tác này có giá trị khá nhỏ.
1.2.4. Hệ số hấp thụ
Chiếu một chùm tia γ đơn năng, song song tới một lớp vật chất có bề dày t,
hình 1.4, Chùm tia có cường độ ban đầu I0. Cường độ chùm tia đi qua lớp vật chất
bề dày t là I, phụ thuộc vào bề dày lớp vật chất hấp thụ t, theo quy luật :
I = I0.e-μt

(1.7)

μ được gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính. Hệ số hấp thụ tuyến tính hoàn toàn mô tả sự
suy giảm cường độ của bức xạ γ khi đi qua môi trường vật chất. Nó phụ thuộc vào
tính chất của môi trường và năng lượng của bức xạ γ. Khi đi vào môi trường vật
chất, bức xạ gamma có thể tương tác với môi trường vật chất theo cơ chế hấp thụ
quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp.
I (I0)

t (cm)

t
d1/2:

là độ dày giảm một nửa

Hình 1.5: Sự suy giảm cường độ của chùm tia gamma qua vật chất. [3]
Do đó, hệ số hấp thụ tuyến tính toàn phần μ của vật chất là tổng của các hệ
số hấp thụ ứng với các quá trình riêng lẻ:
μ = μ f + μc + μπ

(1.8)

Khi xét đến tiết diện tán xạ, cần chú ý rằng tâm tán xạ của hiệu ứng quang
điện và sự tạo cặp là nguyên tử, còn của hiệu ứng Compton là electron, ta có :
μ = nσf + nZσc + nσπ

(1.9)


11

với n là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích của môi trường. Số hạng thứ nhất
trong (1.8) chiếm ưu thế ở miền năng lượng thấp, số hạng thứ hai chiếm ưu thế ở
miền năng lượng trung bình (vài MeV) và số hạng thứ ba chiếm ưu thế ở miền năng
lượng cao. Do đó, hệ số hấp thụ tuyến tính toàn phần có cực tiểu trong khoảng mà
hiệu ứng Compton chiếm ưu thế. Cực tiểu này càng rõ nét đối với các nguyên tố
nặng vì μf, μπ lần lượt tỉ lệ với Z5 và Z2, trong khi đó μc tỷ lệ với Z.
Hệ số hấp thụ tuyến tính tỉ lệ với mật độ ρ của môi trường vật chất. Nghĩa là
hệ số hấp thụ tuyến tính đối với cùng một vật liệu khác nhau nếu mật độ môi trường
khác nhau. Để tránh sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ tuyến tính vào mật độ vật chất,
ta sử dụng hệ số hấp thụ khối :
μm = μ/ρ

(1.10)

Khi đó, bề dày của lớp vật chất hấp thụ được tính bằng đơn vị g/cm2
1.3. Phƣơng pháp quét gamma khảo sát ống
1.3.1. Ứng dụng của quét gamma khảo sát ống
Quét gamma là kỹ thuật tốt nhất đối với khảo sát bên trong của một sản
phẩm hay thiết bị nào đó mà không cần tháo rời hay phá hủy nó. Bằng cách ghi
nhận cường độ của bức xạ truyền qua, các số liệu đó có thể cung cấp cho ta những
thông tin về vật thể bên trong ống, độ cao cột chất lỏng hay bề dày vỏ thùng… Mật
độ vật chất càng cao, số bức xạ truyền qua được sẽ càng thấp, vì thế sẽ có sự chênh
lệch lớn về số liệu ghi nhận giữa các vùng khảo sát có tính chất khác nhau.
Dùng kỹ thuật quét gamma để khảo sát ống là một trong những trường hợp
được ứng dụng rộng rãi nhất. Ngoài ra, kỹ thuật này còn có thể được sử dụng trong
các trường hợp như :


Dò tìm cặn đóng bám bên trong ống.



Khảo sát chất lượng và hư tổn bên trong các vật liệu chịu nhiệt.



Khảo sát độ hiệu quả của các nút kín.



Hơi nước và chất lỏng bên trong đường ống.
Trước khi thực hiện bất kì phép đo khảo sát nào, ta cần biết được những

thông tin cần thiết như :


12



Đường kính bên trong và độ dày của thành ống.



Môi trường vật chất bên trong ống (khí, lỏng hoặc rắn)
Giá đỡ nguồn và đầu dò cần thiết phải trực chuẩn và luôn luôn giữ khoảng

cách cố định trong quá trình khảo sát. Nguồn phải được bao bọc bằng một ống
chuẩn trực có độ sâu tối thiểu là 6 đến 8 mm và đường kính trong khoảng một bước
dịch chuyển nhằm để hạn chế bức xạ phóng ra có dạng chùm phân kì. Đầu dò cũng
phải được bao phủ xung quanh để cho kết quả ghi nhận tốt nhất có thể.[5]
1.3.2. Cơ sở lý thuyết của kỹ thuật quét khảo sát cặn trong ống
Nguyên lý cơ bản: cường độ của bức xạ gamma bị hấp thụ bên trong vật chất
khi đi từ nguồn đến đầu dò được mô tả bởi quy luật truyền qua:
I = I0.exp(-μm.ρ.x) = I0.exp(-μ.x)
I

(1.11)

là cường độ bức xạ sau khi truyền qua vật chất

I0 là cường độ bức xạ ban đầu
μm là hệ số hấp thụ khối của vật chất (cm2/g)

μ

là hệ số hấp thụ tuyến tính của vật chất (cm-1)

ρ

là mật độ vật chất đặc trưng của từng loại vật liệu (g/cm3)

x

là quãng đường bức xạ truyền qua (cm)

Phương trình cơ bản này được sử dụng cho thiết kế thực nghiệm, cũng như các phép
đo và xử lý số liệu bức xạ gamma ghi nhận trong quá trình khảo sát cặn trong ống.
Bảng 1.1: Một số nguồn gamma dùng trong Công nghiệp
Đồng vị phóng xạ

Cs-137

Chu kì bán rã

Đỉnh năng lượng

Hằng số phóng xạ

(năm)

(MeV)

(R/hr.Ci.m)

30,2

0,662 (89,9%)

0,399

1,173 (100%)
Co-60

5,27

1,332 (100%)

1,31


13

Từ phương trình (1.11) ta thấy rằng :
 Các thiết kế của hệ đo thực nghiệm phải đáp ứng được vấn đề chuẩn trực của
nguồn và đầu dò.
 Trong quá trình thực nghiệm, ta có được I và I0 từ hệ ghi nhận dữ liệu.
 Từ các số liệu của cường độ bức xạ truyền qua I ghi nhận được, sau khi vẽ
đồ thị liên hệ giữa vị trí trên ống và cường độ I tương ứng, ta có thể xác định được
vùng có và không có cặn đóng bám khá rõ ràng.
 Nếu biết được các loại vật chất mà bức xạ gamma truyền qua, ta có thể tra
cứu được hệ số hấp thụ tuyến tính μ và mật độ khối ρ của các loại vật chất ấy, từ đó
có thể tính được hệ số hấp thụ khối của từng loại vật chất từ công thức (1.10). Từ
đây có thể tính được quãng đường x, qua đó xác định bề dày lớp cặn bên trong ống.

 Trong trường hợp chưa biết được hết các loại vật chất mà bức xạ truyền qua,
ta cần xác định quãng đường x bằng cách đo khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến
đầu dò. Ta thực hiện phép đo tiết diện mặt cắt của ống theo hệ đo ngang đã bố trí,
ghi nhận một bộ số liệu của cường độ bức xạ truyền qua I theo từng góc xoay đều
xác định. Chuyển phương trình (1.11) về dạng :
μ = ln(I0/I)/x

(1.12)

Sau khi đã có các số liệu ρ theo từng góc xoay, ta sử dụng thuật toán dựng ảnh hai
chiều để mô phỏng hình ảnh bên trong ống. Thông qua hình ảnh tái tạo, ta dễ dàng
xác định được bề dày của cặn đóng bám bên trong ống.
1.4. Nhận xét chƣơng 1
Trong chương này, khóa luận đã trình bày vấn đề cơ bản và khái quát nhất về lý
thuyết tương tác của bức xạ gamma với vật chất. Bên cạnh đó, tác giả cũng đã giới
thiệu một cách tổng quan nhất về tình hình phát triển của kỹ thuật quét gamma
trong và ngoài nước, cũng là mục tiêu chính được nghiên cứu trong khóa luận này.


14

CHƢƠNG 2
BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM
2.1. Hệ tải vận chuyển hệ đo
2.1.1. Mô hình hóa – Các thông số dự kiến
 Hai trụ chính của hệ, đồng thời cũng là thanh trượt của hệ: vật liệu sắt,
đường kính 2 cm, dài 100 cm.
 Tấm sắt đặt động cơ: diện tích bề mặt (40x20) cm2, dày 0,5 cm. Khoan 3 lỗ
thẳng hàng, cách đều nhau 10 cm đường kính 1 cm, lỗ giữa là tâm hình chữ nhật,
dùng để luồn dây cáp, 2 lỗ còn lại để cố định 2 thanh trụ.

 Tấm sắt đế: diện tích bề mặt (40x40) cm2; dày 1cm. Khoan 2 lỗ cách nhau 20
cm, đường kính 1 cm, đồng tâm với 2 lỗ ngoài ở tấm đặt động cơ nhằm cố định 2
thanh trụ một cách thẳng hàng.
 Thanh giá đỡ hình chữ U, một bên đặt nguồn, một bên đặt detector: mỗi cạnh
dài 20 cm. Phần thanh ngang dài 32 cm, khoan 3 lỗ thẳng hàng, cách đều 10 cm
đường kính 1 cm, lỗ giữa lấy tại tâm hình học, dùng để nối với dây cáp, 2 lỗ còn lại
dùng để gắn với 2 bạc đạn trượt.
 Dây cáp tải: đường kính 0,3 cm, dài 120 cm. Một đầu gắn cố định vào động
cơ quay, một đầu gắn cố định vào thanh giá đỡ.
 Động cơ tải: tải trọng tối đa 15 kg.
2.1.2. Hệ tải và các thông số thực tế
 Hai trụ chính của hệ, đồng thời cũng là thanh trượt của 2 bạc đạn: vật liệu
thép C65 (thép có mạ Crom bên ngoài thân để tránh trầy xước trong quá trình di
chuyển hệ đo), đường kính 1,6 cm, dài 100 cm.
 Tấm nhôm đặt động cơ quay: diện tích bề mặt (40x20) cm2; dày 1cm. Khoan
3 lỗ thẳng hàng, cách đều nhau 10 cm đường kính 1 cm, lỗ giữa là tâm hình chữ
nhật, dùng để luồn dây cáp, 2 lỗ còn lại để cố định 2 thanh trụ.


15

 Tấm nhôm đế: diện tích bề mặt (40x20) cm2; dày 1cm. Khoan 2 lỗ cách nhau
20 cm, đường kính 1 cm, đồng tâm với 2 lỗ ngoài ở tấm đặt động cơ nhằm cố định 2
thanh trụ một cách thẳng hàng.
 Thanh giá đỡ sắt hình chữ U, một bên đặt nguồn, một bên đặt detector: mỗi
cạnh dài 20 cm, cắt 2 mảng hình chữ nhật đối diện nhau có cạnh là 6,1 cm và 4,6
cm. Phần thanh ngang dài 32 cm, khoan 3 cụm lỗ, cách đều 10 cm đường kính 1
cm. Cụm giữa có 1 lỗ lấy tại tâm hình học, đường kính 1 cm, dùng để nối với dây
cáp. 2 cụm lỗ còn lại, ở tại mỗi cụm, khoan 4 lỗ có đường kính là 0,4 cm tại 4 góc
vuông của hình vuông có cạnh là 4 cm, tâm các hình vuông nằm trên đường trung

bình của phần thanh ngang. 2 cụm lỗ đó dùng để gắn với 2 bạc đạn trượt.
 Dây cáp tải: đường kính 0,2 cm, dài 120 cm.
 Động cơ tải: sử dụng nguồn DC 24V, cường độ 2A, tải trọng tối đa 8 kg.
 Thước đo độ cao dịch chuyển: thước dây dài 100 cm, một đầu gắn cố định
với tấm đặt động cơ, đầu còn lại gắn cố định với tấm đế.
Động cơ tải

Thước đo
độ cao
Thanh giá đỡ
hình chữ U

Hai trụ chính

Hình 2.1: Mô hình hóa và thực tế của hệ đo.

Cáp tải


16

 Hộp điều khiển

Hình 2.2: Hộp điều khiển và sơ đồ mạch điều khiển
Khi đóng khóa K, mạch vẫn hở. Khi ta nhấn nút số 1, dòng điện đi qua của
động cơ, tạo nên lực từ khiến nó quay (theo chiều đưa hệ đi lên), bánh xoay gắn cố
định trên động cơ truyền động cho dây cáp nối với hệ đo, vận chuyển hệ đo đi lên,
khi hệ đo lên tới độ cao mong muốn, ta ngừng nhấn nút số 1, mạch lại tiếp tục hở,
động cơ ngừng quay. Tương tự, khi nhấn nút số 2, động cơ cũng sẽ quay nhưng sẽ
theo chiều ngược lại.



Hệ tọa độ đo ngang
Một vị trí hình tròn cố định ống, đường kính 12 cm. Trên vành tròn, đánh

dấu các góc cố định cần thiết cho phép đo khi xoay ống. Đặt 7 vạch ngang mỏng,
cách đều nhau 1 cm.
Vị trí đặt ống

Các vạch
dịch chuyển
Hình 2.3: Hệ tọa độ đo ngang.


17



Khuyết điểm của hệ đo
Chưa hỗ trợ tối đa cho phép đo theo tiết diện mặt cắt của ống. Độ chính xác

của mỗi bước dịch chuyển chưa cao, còn phụ thuộc nhiều vào khả năng quan sát và
kinh nghiệm của người thực hiện phép đo.


Các khả năng gây sai số
Như đã nói ở trên, sai số của hệ đo còn tùy thuộc rất nhiều vào sự quan sát

của người thực hiện. Mặt khác, một số sai lệch từ mặt phẳng đặt hệ đo và quá trình
dịch chuyển cũng có ảnh hưởng đến mức độ chuẩn trực của nguồn và detector.

2.2. Nguồn phóng xạ
2.2.1. Nguồn đĩa


Đồng vị phóng xạ: Cesium.



Kí hiệu: Cs -137.



Hoạt độ: khoảng 1 μCi.



Chu kì bán rã: 30,17 năm.



Đường kính phát: 0,5 cm.



Mục đích: khảo sát dò tìm cặn dọc theo chiều dài của ống.



Khối chì chứa nguồn: là khối chì dày 2,2 cm, mặt chính là hình vuông cạnh

5,2 cm. Tại tâm hình vuông, khoan một lỗ tròn đường kính 2,4 cm dùng để đặt
nguồn. Phía sau dùng một tấm chì mặt hình vuông, cạnh 5,2 cm, bề dày 0,5 cm.

Hình 2.4: Nguồn đĩa Cs-137được sử dụng.