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

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TẨY XẠ BỀ MẶT NHIỄM BẨN
PHÓNG XẠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

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

Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2016


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp
đỡ và góp ý tận tình của Quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý &
Vật lý kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh.
Trước hết, con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, vì công ơn sinh
thành dưỡng dục và đã tạo mọi điều kiện có thể để con được bước đến giảng đường
đại học.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy Lê Công Hảo đã dành rất nhiều thời gian và
tâm huyết để truyền đạt cho em kiến thức lẫn kỹ năng thực nghiệm.
Em xin gửi lời cảm ơn Quý Thầy Cô trong hội đồng đã dành nhiều thời gian đọc
và có những ý kiến đóng góp quý báu vào khóa luận này.
Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Vật lý Hạt nhân

đã tạo mọi điều kiện cho em trong suốt khóa học.
Tôi xin cảm ơn đến toàn thể các bạn trong lớp 12KTH đã giúp đỡ tôi rất nhiều
trong suốt thời gian qua.
Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện khóa luận, tuy nhiên không thể tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của Quý Thầy
Cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

Phạm Đức Minh


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. v
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. NHIỄM BẨN PHÓNG XẠ VÀ TỔNG QUAN VỀ TẨY XẠ ........ 3
1.1. Nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt .............................................................................. 3
1.2. Nhiễm bẩn phóng xạ trong nhà máy và cơ sở hạt nhân ..................................... 3
1.3. Tổng quan về tẩy xạ ........................................................................................... 5
1.3.1. Khái niểm tẩy xạ ......................................................................................... 5
1.3.2. Cách thức tiếp cận và chọn phương pháp tẩy xạ ........................................ 6
1.4. Đánh giá kết quả tẩy xạ ...................................................................................... 6
CHƯƠNG 2. TẨY RỬA SIÊU ÂM ......................................................................... 8
2.1. Tổng quát ........................................................................................................... 8
2.2. Cấu tạo của một hệ thống tẩy rửa siêu âm ......................................................... 8
2.2.1. Đầu dò siêu âm............................................................................................ 9

2.2.2. Máy rửa siêu âm ........................................................................................ 11
2.2.3. Bể rửa siêu âm........................................................................................... 12
2.3. Nguyên lý hoạt động của tẩy rửa siêu âm ........................................................ 12
2.3.1. Hiện tượng xâm thực khí .......................................................................... 12
2.3.2. Quy trình làm sạch bằng công nghệ siêu âm ............................................ 13
2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến làm sạch siêu âm ................................................... 15
2.4.1. Mối quan hệ giữa bọt khí và tần số siêu âm ............................................. 15
2.4.2. Dung dịch tẩy rửa...................................................................................... 17
2.4.3. Tác dụng của nhiệt độ ............................................................................... 17
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ................................................... 19
3.1. Hóa chất ........................................................................................................... 19

i


3.2. Dụng cụ và thiết bị ........................................................................................... 19
3.3. Quy trình tạo mẫu nhiễm bẩn........................................................................... 21
3.3.1. Pha dung dịch muối kaliclorua ................................................................. 21
3.3.2. Quy trình ngâm các ống thép 304 ............................................................. 21
3.4. Quy trình tẩy rửa .............................................................................................. 22
3.5. Kết quả và thảo luận ........................................................................................ 23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 31

ii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

SONAR

Sound navigation and ranging

Sóng âm phản xạ

DF

Decontamination factor

Hệ số tẩy xạ

Mb

Measurement “before” decontamination

Giá trị đo trước khi tẩy xạ

Ma

Measurement “after” decontamination

Giá trị đo sau khi tẩy xạ

Ib

Dose (radiation) rate “before”

Liều bức xạ trước khi tẩy

decontamination

xạ

Dose (radiation) rate “after”

Liều bức xạ sau khi tẩy

decontamination

xạ

Ab

Activity “before” decontamination

Hoạt độ trước khi tẩy

Aa

Activity “after” decontamination

Hoạt độ sau khi tẩy

Ia

iii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Giá trị đo suất liều bức xạ phông ............................................................. 24
Bảng 3.2. Giá trị đo suất liều bức xạ của các ống thép trước khi tẩy ....................... 25
Bảng 3.3. Giá trị đo suất liều bức xạ của các ông thép sau khi tẩy .......................... 26
Bảng 3.4. Hệ số tẩy xạ DF và DF% của các mẫu ..................................................... 27

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sản lượng sản phẩm phân hạch theo khối lượng của phản ứng phân hạch
neutron nhiệt với U235 và Pu239 nguồn nhiên liệu điển hình cho các lò phản ứng hạt
nhân hiện nay[11] ........................................................................................................ 4
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống tẩy rửa siêu âm.................................................... 9
Hình 2.2. Đầu dò siêu âm áp điện tần số 40kHz ...................................................... 10
Hình 2.3. Máy phát siêu âm của máy Ultrasonic SQ338A ...................................... 11
Hình 2.4. a) Dung dich tẩy rửa được tiếp xúc với chất bẩn và b) Phần dung dịch làm
sạch gần chất bẩn bị bão hòa ..................................................................................... 14
Hình 2.5. a) Bọt khí bắn phá lớp bão hòa và chất bẩn và b) bọt khí bắn phá chất bẩn
không bị hòa tan ........................................................................................................ 14
Hình 2.6. Mô tả mối quan hệ giữa tần số và bọt khí ................................................ 16
Hình 3.1. Ống thép 304 với các đường kính tương ứng ........................................... 20
Hình 3.2. Máy rửa siêu âm SQ338A, dung tích 1,8 lít ............................................. 20
Hình 3.3. a) Chuẩn bị dung dịch muối kaliclorua và b) Các mẫu ống thép được ngâm
trong dung dịch và gia nhiệt ...................................................................................... 21
Hình 3.4. a) Mẫu trước khi tẩy rửa và b) Mẫu sau khi tẩy rửa ................................. 22
Hình 3.5. Mô phỏng tẩy xạ bằng phương pháp siêu âm........................................... 23

Hình 3.6. Biểu đồ cột so sánh hiệu suất tẩy xạ DF(%) của các mẫu ngâm trong
cùng thời gian là 30 ngày, và nhiệt độ của dung dịch khi tẩy là 60 độ C ................. 28
Hình 3.7. Biểu đồ cột so sánh hiệu suất tẩy xạ DF(%) với các nhiệt độ khác nhau của
các nhóm mẫu 2, 3 và 5 ............................................................................................. 28
Hình 3.8. Biểu đồ cột khảo sát thời gian tẩy rửa với các nhóm mẫu 4, 5 và 6 ........ 29

v


LỜI MỞ ĐẦU
Vào năm 1794 – Lazzaro Spallanzani, một nhà sinh lý học và nhà sinh học người
Ý, phát hiện ra rằng loài dơi di chuyển trong bóng tối thông qua sự phản ánh của các
âm thanh tần số cao. Phát hiện của Spallanzani đã trở thành nền tảng của vật lý siêu
âm.
Sóng siêu âm là một dạng sóng cơ học được truyền đi trong môi trường vật chất
bằng cách truyền năng lượng từ phần tử này sang phần tử khác. Dải âm thanh ta nghe
được có tần số từ 20HZ đến 20kHz. Còn với dải sóng âm có tần số lớn hơn 20kHz
gọi là sóng siêu âm.
Yêu cầu của thế kỷ 19 vào các phép đo tốc độ của âm thanh trong nước đã mở
đường cho sự phát triển của SONAR. Năm 1826 – Jean-Daniel Colladon, một nhà
vật lý học Thụy Sĩ, đã sử dụng chiếc chuông nhà thờ dưới nước để xác định tốc độ
âm thanh trong hồ Genava. Ông phát hiện ra rằng tốc độ âm thanh trong nước hơn
trong không khí. Bằng cách đo hai sự kiện Colladon tính ra tốc dộ âm thanh trong
nước là 1435m/s, chỉ khác biệt so với tính toán ngày nay là 3m/s[3].
Các nhiệm vụ của hải quân như hoạt động của tàu ngầm và chống tàu ngầm
ngày càng khốc liệt trong Chiến tranh thế giới thứ nhất đã quan tâm đặc biệt đến sự
phát triển của SONAR. Trong nghiên cứu và phát triển âm thanh dưới nước và đầu
dò giai đoạn này phát triển mạnh, dẫn đến những tiến bộ quan trọng trong công nghệ
siêu âm hiện nay[3].
Từ việc phát triển để phục vụ cho chiến tranh, ngày nay siêu âm đã tiến bộ và

có ứng dụng rộng rãi trong đời sống như: y học, công nghiệp, cho tới làm sạch bằng
sóng siêu âm…..
Trong những năm 1960, tẩy xạ đã là một thực tế phổ biến trong ngành công
nghiệp hạt nhân. Giữa những năm 1970, với sự hỗ trợ của các cơ quan quản lý và các
ngành công nghiệp, quy trình tẩy xạ trở nên hoàn thiện. Vào cuối những năm 1970,
sự ngừng hoạt động của các cơ sở hạt nhân và điều này đã đưa ra một khái niệm mới
trong tẩy xạ , không chỉ để giảm mức độ bức xạ, thường là mục tiêu chính, mà còn
để tạo thuận lợi cho quản lý chất thải và, nếu có thể, cho phép tái sử dụng của vật

1


liệu, linh kiện.
Khái niệm về tẩy xạ đã được giới thiệu tại sự ra đời của ngành công nghiệp hạt
nhân và đã được sử dụng để mô tả việc giảm mức độ bức xạ trên bề mặt của các thành
phần, hệ thống và cấu trúc tạo điều kiện công việc bảo dưỡng, sửa chữa và kiểm soát.
Tầm quan trọng của tẩy xạ, và sự phát triển tất yếu của phương pháp tẩy xạ mới đa
dạng như các vấn đề về giảm mức độ bức xạ và ảnh hưởng đến việc xản suất liên
quan đến ngành công nghiệp hạt nhân.
Từ những điều nói trên có thể thấy tầm quan trọng của việc tẩy xạ. Do đó tôi đã
chọn đề tài “NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TẨY XẠ BỀ MẶT MỘT SỐ VẬT LIỆU
VÀ THIẾT BỊ TRONG LÒ PHẢN ỨNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN BẰNG
PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM”, nhằm nghiên cứu hiệu quả tẩy xạ thực tế của nó ở qui
mô phòng thí nghiệm.
Nội dung của khóa luận được chia thành 3 chương:
+ Chương 1: Nhiễm bẩn phóng xạ và tổng quan về tẩy xạ
+ Chương 2: Tẩy rửa siêu âm
+ Chương 3: Thực nghiệm và kết quả
Kết Luận Và Kiến Nghị

2


CHƯƠNG 1
NHIỄM BẨN PHÓNG XẠ VÀ TỔNG QUAN VỀ TẨY XẠ
1.1. Nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt
Nhiễm bẩn phóng xạ là sự lắng đọng của các nguyên tố phóng xạ hoặc các hợp
chất từ một phương tiện gây nhiễm bẩn như bằng chất lỏng, khí hay nhiều dạng vật
lý khác, trên bề mặt các thành phần, hệ thống và cấu trúc trong các cơ sở hạt nhân.
Các đặc tính của sự nhiễm bẩn liên quan chặt chẽ với các tính chất và đặc điểm của
bề mặt, và các phương tiện gây nhiễm bẩn [4].
Trong các cơ sở hạt nhân nhiểm bẩn phóng xạ có thể xảy ra với hầu hết các
nguyên tố trong bảng tuần hoàn và tồn tại ở nhiều dạng khác nhau. Nó có thể nằm
trong bụi kim loại, trong dầu, mỡ hoặc các chất lỏng, thậm chí trong các lớp oxit ăn
mòn. Một phần mười của một microgram trên một bề mặt cũng gây nguy hiểm. Nếu
các chất gây ô nhiểm có trong không khí thì lượng chất nhiễm bẩn này nhỏ hơn nhiều
[5].
Nhiễm bẩn phóng xạ có thể chia làm 3 loại [4]:
+ Nhiễm bẩn tự do: có thể loại bỏ bằng các phương pháp đơn giản như thổi, hút
chân không hoặc các phương pháp tương tự.
+ Nhiễm bẩn lỏng lẻo: có thể loại bỏ bởi các kỹ thuật làm sạch thông thường.
+ Nhiễm bẩn cố định, chặt chẽ: không thể loại bỏ được nếu không loại bỏ các
lớp bề mặt.
Khi các chất nhiễm bẩn cố định trong một lớp oxit, nơi đồng vị phóng xạ được
giữ chặt chẽ bằng cách trao đổi ion, hợp chất hóa học hay các chất hút bám khác thì
tẩy xạ khó khăn hơn và lớp bề mặt cần phải được loại bỏ.
1.2. Nhiễm bẩn phóng xạ trong nhà máy và cơ sở hạt nhân
Như đã trình bày, các chất nhiễm bẩn có thể xảy ra với hầu như với bất kì nguyên
tố nào, nhưng các nhiễm bẩn phổ biến nhất là kết quả từ các phản ứng phân hạch,
những sản phẩm được hình thành trong quá trình phân hạch của lò phản ứng hạt nhân

(hình 1.1). Các sản phẩm phân hạch được giữ lại trong nhiên liệu đã đốt cháy thường
có xu hướng ảnh hưởng tới lò phản ứng bằng cách bắt các neutron cần thiết để tiếp

3


tục phân hạch. Ở giai đoạn này nhiên liệu được giỡ xuống để làm nguội để cho các
đồng vị phân rã ngắn, hòa tan, và xử lý tại một nhà máy hóa chất để tách các sản
phẩm phân hạch tránh ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của lò phản ứng. Sự phong
phú của các nguyên tố phóng xạ hiện diện trong các sản phẩm phân hạch hạt nhân
phụ thuộc vào điều kiện phản ứng, thời gian đốt cháy nhiên liệu, và thời gian phân rã
sau khi nhiên liệu rời lò phản ứng [5].
90

100

130

140

7%
Pu-239

U-233

Hiệu suất %

6%
65%U
5%

U-235

35%Pu
4%

3%
129

I
2%
Sm

1%
80

90

110

120

150

160

Số khối (A)
Hình 1.1. Sản lượng sản phẩm phân hạch theo số khối hạt nhân của phản ứng phân
hạch neutron nhiệt với U-235 và Pu-239 nguồn nhiên liệu điển hình cho các lò phản
ứng hạt nhân hiện nay [11].

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

4


các lớp nhiễm bẩn trên mặt của các trang thiết bị, dụng cụ [4].
Đối với hệ thống thông gió, các nhiểm bẩn bề mặt thường lỏng lẻo, mặc dù các
nhiểm bẩn phóng xạ thường được tìm thấy trong màng lọc trong ống. Khi hệ thống
thông gió hoạt động chúng có xu hướng hút bụi và sol khí, trong đó có thể chứa các
bụi phóng xạ. Các lắng đọng thường có xu hướng nằm tại các nơi mà đường ống thay
đổi hướng hoặc tại các ngăn lọc khí [4].
Trong các hệ thống làm mát của lò phản ứng, nhiểm bẩn phóng xạ trên bề mặt
trong là do lắng đọng từ các chất làm mát lò phản ứng mang theo neutron hoặc mang
theo các sản phẩm phân hạch từ U-235. Những lắng đọng này hình thành một lớp oxit
bên trong lòng ống. Lớp này có cấu trúc phức tạp phụ thuộc vào hóa chất làm mát,
nhiệt độ, vật liệu cấu thành hệ thống, thời gian hoạt động…Nói chung cho các lò phản
ứng làm mát bằng nước, có 2 loại oxit được hình thành: một lớp bên trong và lớp bên
ngoài tương đối lỏng lẻo được hình thành bởi sự lắng đọng hoặc kết tủa từ chất làm
mát [4].
Đối với động cơ, thiết bị đo đạc và các bức tường,…., nhiễm bẩn không khí
thường là vấn đề lớn. Nhiễm bẩn này chỉ có thể được loại bỏ nếu nó có thể truy cập
các linh kiện bên trong của thiết bị và động cơ. Nếu động cơ và thiết bị tinh vi cần
được tái sử dụng, quá trình khử nhiễm siêu âm được được sử dụng.
1.3. Tổng quan về tẩy xạ
1.3.1. Khái niệm về tẩy xạ
Tẩy xạ là loại bỏ chất phóng xạ ra khỏi bề mặt bên trong và bên ngoài của các
thành phần, các hệ thống và cấu trúc trong các cơ sở hạt nhân bằng hóa học, vật lý
hay phương pháp khác. Đôi khi cũng liên quan đến việc loại bỏ các phóng xạ nằm

sâu vào vật liệu điển hình là bê tông.
Thông thường tẩy xạ và làm sạch được coi là 2 quy trình riêng biệt mặc dù có
thể là các quá trình vật lý tương tự. Tẩy xạ là loại bỏ các chất bẩn phóng xạ và oxit
từ các bề mặt, trong khi làm sạch thường đề cập loại bỏ các vật liệu không phóng xạ.
Tẩy xạ nên được coi là một phần của làm sạch bởi vì một phần nhỏ của vật liệu bị
loại bỏ trong quá trình tẩy xạ [4].

5


1.3.2. Cách thức tiếp cận và chọn phương pháp tẩy xạ
Quá trình tẩy xạ có thể được thực hiện nhằm xử lý các khu vực, thiết bị hay vật
liệu bị nhiễm bẩn phóng xạ xuống mức an toàn, theo quy định của các cơ quan tổ
chức. Nhưng để thực hiện được cần phải xác định khi nào cần thực hiện và phương
pháp nào phù hợp. Dưới đây là một số ví dụ [4]:
+ Khi một hệ thống hoặc một thành phần của hệ thống được kiểm tra, bảo trì
hoặc sửa chữa, và mức độ nhiễm xạ của nó trên mức an toàn.
+ Một cơ sở, hệ thống hay thiết bị được tái sử dụng cho các mục đích khác,
trong đó yêu cầu độ phóng xạ phải ở mức an toàn.
+ Một cơ cở, hệ thống hay thiết bị được tháo dỡ và các chất thải phát sinh cần
được thu thập, xử lý một cách an toàn theo quy định của mỗi quốc gia.
Trước hết cần phải so sánh 2 phương pháp tiếp cận, tẩy xạ trực tiếp hay chuyển
đến một kho chứa riêng. Việc tiếp xúc của các nhân viên và chi phí của các phương
pháp tẩy xạ. Ngoài ra cần xem xét các yếu tố khác [4]:
+ Loại hình và mức độ nhiễm xạ.
+ Đặc điểm hình học của các thành phần.
+ Khối lượng của các thành phần được tẩy xạ.
Kỹ thuật tẩy xạ có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào mục
đích tẩy xạ, và theo tính chất của bề mặt cần được tẩy ( ví dụ: kim loại, bê tông, bề
mặt sơn…..). Năm 1980, Cục năng lượng Mỹ phân loại kỹ thuật tẩy xạ thành bốn

loại:
+ Tẩy xạ bằng hóa học có sử dụng hóa chất: Alkaline Permanganate (AP),
Ammonium Citrate (AC), EDTA, axit Oxalic(OX), Citrox, axit Hydrochloric, axit
Nitric, axit Sulphuric,…….
+ Tẩy xạ không sử dụng hóa chất.
+ Phương pháp điện hóa.
+ Tẩy xạ bằng phương pháp siêu âm.
1.4. Đánh giá kết quả tẩy xạ
Hiệu quả của các quá trình tẩy xạ khác nhau được đánh giá qua các hệ số tẩy xạ

6


DF(decontamination factor). Đây là thông số đánh giá kết quả của quá trình tẩy xạ,
nó liên quan đến các thông số đo trước và sau khi tẩy rửa:
M
DF =

b
Ma

(1.1)

Trong đó: DF là hệ số tẩy xạ thường lớn hơn 1. Mb giá trị được đo trước khi tẩy
xạ và Ma giá trị đo sau khi tẩy xạ tại cùng vị trí với Mb.
Ngoài ra DF còn được tính theo phần trăm:
DF(%) =

M - Ma
b

M
b

(1.2)

Do liên quan đến các phép đo Mb và Ma, nên DF có thể xác định bằng hai
phương pháp khác nhau.
Phương pháp đầu tiên là sử dụng các phép đo bức xạ. Đây được gọi là DF bức
xạ và được định nghĩa:
I
DFRa = b
Ia

(1.3)

Trong đó Ib và Ia là liều bức xạ được đo cùng tại một ví trí, đo lần lượt trước
và sau khi tẩy xạ. Phương pháp đo này thường được sử dụng rộng rãi trong các nhà
máy, nơi mà các phép đo bức xạ gọi là phép đo suất liều.
Phương pháp thứ 2 là sử dụng phép đo hoạt độ phóng xạ. Đây được gọi là DF
tẩy xạ và được định nghĩa:
A
DFDe = b
Aa

(1.4)

Trong đó Ab và Aa là hoạt độ bức xạ được đo cùng tại một vị trí, đo lần lượt
trước và sau khi tẩy xạ. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để tẩy xạ tại nơi mà
hoạt độ bề mặt có thể đo được.

7


CHƯƠNG 2
TẨY RỬA SIÊU ÂM
2.1. Tổng quát
Làm sạch là vấn đề mà tất cả chúng ta thường xuyên phải đối mặt hàng ngày.
Nói một cách bao quát hơn, đó là sự tẩy rửa những chất không cần thiết, không mong
muốn ra khỏi những vị trí của những thiết bị, dụng cụ cần làm sạch [1].
Đầu những năm 1930, một trong những phòng thí nghiệm tại Tổng công ty phát
thanh Mỹ (RCA) tại New Jersey, đã phát hiện việc sử dụng sóng siêu âm để làm sạch
một cách khá tình cờ, trong khi sử dụng các chất làm mát các thành phần bên trong
của một đài phát thanh. Hiện tượng này khá thú vị nhưng nó không được tìm tìm hiểu
kỹ [9].
Trong những năm 1950, phần lớn các hệ thống làm sạch siêu âm được phát
triển, được vận hành tại tần số từ 18 đến 40 kHz. Tần số 18kHz là tần số thấp nhất,
nhưng vẫn được sử dụng thường xuyên trong ngành công nghiệp hiện nay [9].
Năm 1952, làm sạch siêu âm đã được đưa ra khỏi phòng thí nghiệm và lần đầu
tiên được sử dụng trong sản xuất của Công ty Cổ phần Bendix tại Davenport, Iowa
[10].
Làm sạch bằng siêu âm cung cấp nhiều lợi thế hơn các phương pháp thông
thường khác. Sóng siêu âm tạo ra các đợt bùng nổ bọt khí và phân bố đều trong một
môi trường lỏng. Các bọt khí được tạo ra và thâm nhập sâu vào các khe, lỗ mù và các
khu vực khó có thể tiếp cận. Do đó hiệu quả làm sạch của phương pháp này tốt hơn
nhiều so với các phương pháp khác [6].
2.2. Cấu tạo của một hệ thống tẩy rửa siêu âm
Cấu tạo của một hệ thống tẩy rữa siêu âm bao gồm: máy phát siêu âm công suất,
bể rửa và một cảm biến như hình 2.1. Máy phát siêu âm công suất truyền một năng
lượng điện ở tần số nhất định nào đó cho cảm biến siêu âm, cảm biến này biến đổi
năng lượng điện này sang năng lượng cơ dưới dạng sóng [1].

8


Bể rửa siêu âm
60Hz

Cảm biến PZT

Máy phát công suất 20 – 120 kHz

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống tẩy rửa siêu âm.
2.2.1. Đầu dò siêu âm
Đầu dò siêu âm chuyển đổi năng lượng điện thông qua các rung động cơ học ở
tần số siêu âm. Các loại chính của các đầu dò bao gồm chất lỏng điều khiển, từ giảo
và đầu dò áp điện [8].
Hiện này có hai loại hiệu ứng vật lý có thể tạo ra nguồn sóng siêu âm công suất
lớn là: Hiệu ứng từ giảo (Magnetostrictive) và hiệu ứng áp điện (Piezoelectric).
Nguyên lý hoạt đông của cảm biến từ giảo: Bản chất của hiện tượng từ giảo là
do tương tác spin-quỹ đạo của các điện tử trong vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ giảo chỉ
có thể xảy ra khi đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu và có tương tác spinquỹ đạo mạnh. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân bố của các điện tử sẽ quay
theo sự quay của momen từ, từ hướng này sang hướng khác và từ giảo được tạo ra do
sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử và điện tích của môi trường
[12].
Như vậy quá trình tạo sóng âm ở hiệu ứng từ giảo là quá trình biến đổi năng
lượng điện sang từ trường và từ trường sang năng lượng cơ học. Quá trình biến đổi
trên tạo ra sự mất mát về mặt năng lượng do vậy cảm biến siêu âm từ giảo thường có

9

hiệu suất thấp. Tuy nhiên các vật liệu sắt từ có đặc tính cơ học cao vì vậy có thể tạo
ra các nguồn sóng siêu âm công suất lớn và khả năng chịu đựng cao các tác động và
môi trương khắc nghiệt. Thực tế cho thấy khi dẫn từ trường xoay chiều vào vật liệu
sắt từ, vật liệu này bị co giãn về kích thước tạo nên các sóng đứng trên bề mặt vật liệu
từ theo tần số biến đổi của từ trường đi qua nó. Mức độ dao động này có thể lên tới
1,0 ÷ 10µm ở dải tần số 50 kHz [1].
Nguyên lý hiệu ứng áp điện (Piezoelectric): Một số vật liệu như tinh thể thạch
anh, barium có dao động sóng cơ khi áp lên nó những dòng điện tích xoay chiều. Tuy
nhiên những vật liệu này thường dao động không ổn định và khả năng chịu tải cơ học
thấp. Từ những năm 1940, các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo ra cảm biến Piezoelectric
có công suất lớn, độ bền cơ học cao và môi trường đặc biệt rất ổn định về mặt tần số.
Tuy nhiên hiệu ứng biến dạng trong Piezoelectric thường bé hơn nhiều so biên độ dao
động của từ giảo. Thông thường biên độ dao động của Piezoelectric thường nằm trong
khoảng 0,1µm ÷ 7µm. Tuy vậy tần số làm việc của Piezoelectric (hình 2.2) có thể lên
đến 5MHz [1].

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


Xét về phương diện công suất thì cảm biến siêu âm từ giảo có công suất cao hơn
nhiều so với cảm biến siêu âm áp điện (Piezoelectric). Xét về kích thước vật lý của
cảm biến Piezoelectric nhỏ gọn thường được dùng để chế tạo máy rửa siêu âm. Chúng
thường được đặt ở phí dưới, các bên của thành bể rửa hay ngâm vào trong lòng bể
rửa.
2.2.2. Máy phát siêu âm
Hiện nay rất nhiều hãng trên thế giới chế tạo nhiều máy phát siêu âm với nhiều
chủng loại khác nhau. Máy phát siêu âm thực chất là một máy điện công suất lớn
nhằm tạo ra nguồn điện công suất lớn, có tần số sóng siêu âm từ 20-120kH và có công

suất từ vài chục Watts đến hàng kilo Watts tùy theo mục đích sử dụng. Máy phát siêu
âm bao gồm máy phát tín hiệu và bộ khuếch đại công suất dải rộng nhằm kích hoạt
hoạt đầu dò siêu âm [1].

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

11


2.2.3. Bể rửa siêu âm
Bể chứa được làm bằng chất liệu thép không rỉ, có khả năng chịu được trong
môi trường kiềm và axit tốt. Bể rửa siêu âm có nhiều dạng khác nhau: máy rửa siêu
âm độc lập, máy rửa siêu âm tách biệt hai khối, máy rửa siêu âm nhiều khối đa chức
năng.
Môi trường tốt nhất cho bọt khí là một bể tẩy rửa, các bọt khí ở trong bể tẩy rửa
nằm trong khu vực ảnh hưởng của sóng siêu âm chúng được đạt đến giới hạn tối đa
về các thông số như kích thước bọt khí, lực ảnh hương khi nổ của bọt khí [7]. Ngoài
ra bể rửa siêu âm còn có tác dụng chứa đựng dung dịch sau khi tẩy, nhằm hạn chế
phát sinh nhiễm bẩn thứ cấp. Tạo điều kiện cho việc quản lý, lưu giữ chất thải.
2.3. Nguyên lý hoạt động của tẩy rửa siêu âm
2.3.1. Hiện tượng xâm thực khí
Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường lỏng, các chu trình kéo và nén
liên tiếp được tạo thành. Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần
nhau nhờ liên kết hóa học. Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở
gần nhau hơn và trong chu kì kéo chúng bị tách xa ra. Áp lực trong chu trình kéo đủ
mạnh để thắng lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ. Bọt khí
trở thành hạt nhân của hiện tượng xâm thực khí, bao gồm bọt khí ổn định và bọt khí
tạm thời [2].
Bọt khí ổn định là nguồn gốc của những bong bóng khí nhỏ, kích thước của
chúng dao động nhẹ trong các chu trình kéo và nén, chúng tăng thêm về kích thước.

Trong suốt quá trình dao động, bọt khí ổn định có thể chuyển thành bọt khí tạm thời.
Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này, tạo nên hiện tượng “sốc sóng” và
hình thành dòng nhiệt bên trong chất lỏng. Bọt khí ổn định có thể lôi kéo những bọt
khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành dòng nhiệt nhỏ [1].
Các bọt khí có kích cỡ thay đổi nhanh chóng, chỉ qua vài chu trình chúng bị vỡ
ra. Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khí kéo giãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được
cân bằng ở bên trong và bên ngoài bọt khí. Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình
kéo lớn hơn trong chu trình nén, vì vậy sự khuyếch tán khí trong chu trình kéo lớn

12


hơn và kích cỡ bọt khí cũng tăng lên trong mỗi chu trình [2].
Những bọt khí này di chuyển kế tiếp nhau trong môi trường chất lỏng cho đến
khi đập vào bề mặt vật cản trên đường truyền sóng. Dưới tác dụng của sóng siêu âm
các bọt khí vỡ tung tạo ra các vụ nổ, bắn trực tiếp vào bề mặt cần tẩy rửa. Những vụ
bắn phá này chia cắt chất bẩn, bụi cặn phủ trên bề mặt và kéo chúng ra khỏi vật tẩy
rửa [1].
Kích thước những bọt khí này khá đa dạng, thông thường phụ thuộc vào tần số
của sóng siêu âm. Sóng siêu âm càng cao kích thước bọt khí càng nhỏ.
2.3.2. Quy trình làm sạch bằng công nghệ siêu âm
Khi cấp điện cho cảm biến siêu âm, cảm biến này tạo ra những dao động sóng
cơ trên bề mặt của nó với tần suất lớn hơn 20.000 dao động/giây. Sóng cơ này được
truyền trực tiếp vào thép không rỉ của bể rửa siêu âm và tao ra những xung kích có
tần số cao trong lòng chất lỏng của bể rửa siêu âm. Dưới tác động của những xung
kích cơ học tần số cao vô số bọt khí kích thước nhỏ được tạo ra trong thời gian ngắn
và được truyền theo mọi hướng trong lòng chất lỏng và sự dịch chuyển này tuân thủ
hoàn toàn các định luật của sóng cơ học trong chất lỏng. Những chùm bọt khí dịch
chuyển lên phía trước và đập vào bề mặt của vật cần rửa tạo ra một sự bắn phá cơ học
lên chất bẩn bám trên bề mặt. Dưới tác dụng bắn phá này thì những chất bẩn bị tách

ra khỏi bề mặt và dễ dàng tan vào dung môi tẩy rửa nhờ tác dụng của hóa chất. Như
vậy bọt khí càng nhỏ khả năng chui sâu càng lớn do đó có tác dụng tẩy rửa bề mặt
của các vật có lỗ hoặc có cấu tạo ngoằn nghèo phức tạp, mà công nghệ rửa thông
thường không thể nào đạt được [1].
Để cho dung dịch tẩy rửa hòa tan được lớp chất bẩn điều cần thiết là dung dịch
phải tiếp xúc trực tiếp với chất bẩn (hình 2.4a). Trong trường hợp này các vật cần tẩy
rửa được ngâm vào bể làm sạch siêu âm đóng vai trò tạo ra sự tiếp xúc này. Khi dung
dịch tẩy rửa gần bề mặt tẩy rửa dần dần bị bão hòa do vậy tác dụng hòa tan chất bẩn
của nó bị chậm lại hoặc giảm tác dụng (hình 2.4b). Để quá trình làm tẩy rửa nhanh
hơn cần phải bổ xung thêm dung dịch tẩy rửa mới.

13


b

a

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

b

a

Hình 2.5. a) Bọt khí bắn phá lớp bão hòa và chất bẩn và b) bọt khí bắn phá chất bẩn
không bị hòa tan.
Với việc tạo bọt khí và bắn phá bề mặt nhiễm bẩn bằng các bọt khí, sóng siêu
âm đã làm tăng hiệu suất tẩy rửa bằng cách hạn chế lớp bảo hòa tạo điều kiện cho
dung dịch tẩy rửa hoạt động tốt hơn (hình 2.5a). Một vài chất nhiễm bẩn không tan

14


mà chỉ bám dính một cách lỏng lẻo. Chúng sẽ được loại bỏ một cách dễ dàng dưới
những tác dụng bắn phá cơ học gây ra từ bọt khí (hình 2.5b).
Trong thực tế có rất nhiều dạng nhiểm bẩn khác nhau, các chất nhiễm bẩn này
có thể tan hoặc không tan trong dung dich tẩy rửa. Để cho tẩy rửa bằng siêu âm có
hiệu quả cần phải chọn chất tẩy rửa phù hợp cũng như cung cấp năng lượng siêu âm
cần thiết và yếu tố nhiệt độ cũng không kém phần quan trọng thúc đẩy quá trình làm
sạch bề mặt.
2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến làm sạch bằng siêu âm
Hiện tượng tạo thành bọt khí và kích nổ các bọt đó có thể chỉ xảy ra bên trong
chất lỏng nhưng không nhất thiết xảy ra trong toàn bộ các loại chất lỏng. Một số tính
chất vật lý của chất lỏng như là độ nhớt, sức căng bề mặt, áp suất hơi của chất lỏng
có ảnh hưởng đến sự hình thành quá trình tạo bọt khí. Phần lớn các dung dịch hóa
chất đều có tính chất phù hợp với công nghệ tẩy rửa siêu âm [1].
2.4.1. Mối quan hệ giữa bọt khí và tần số siêu âm
Tần số cao tạo ra kích thước bọt khí nhỏ hơn tần số thấp. Những bọt khí có kích
thước nhỏ có thể tạo ra trong một giãn cách nhỏ hơn một bọt khí có kích thước lớn.
Cường độ sóng kích trong dung dịch tạo ra các sự kích nổ bọt khí có quan hệ
trực tiếp đến kích thước của bọt khí. Đối với những bọt khí có kích thước lớn thường
do sóng kích có cường độ lớn tạo ra. Kích thước của bọt khí tỉ lệ nghịch với tần số
siêu âm do đó những bọt khí kích thước lớn thường được tạo ra bởi tần số thấp. Những
sóng tạo ra ở tần số thấp thì thời gian giữa hai búp sóng dài cho phép quá trình hình
thành và phát triển các bọt khí có thời gian lớn hơn. Số lượng các bọt khí tăng lên
theo sự tăng của tần số. Nếu công suất siêu âm đầu vào không đổi thì những bọt khí
được tạo ra ở tần số thấp có khả năng bị kích nổ mạnh hơn những bọt khí tạo ra ở tần
số cao [1].

15

Tính chất của bọt khí tại tần số
20kHz
Đường kính của bọt khí: 50 – 200
micromet
Lực ảnh hưởng lúc nổ: 35 – 70
kiloPascal
Vận tốc bọt khí lúc nổ gần 400km/h

Hình 2.6. Mô tả mối quan hệ giữa tần số và bọt khí.
Tại 20kHz, đường kính của bọt khí vào khoảng 170 micromet. Ở tần số cao hơn
68kHz tổng thời gian từ khi bọt khí suất hiện cho tới khi nổ bằng khoảng 1/3 ở tần số
25kHz. Sóng siêu âm phải tạo ra lực đủ lớn để thắng lực liên kết giữa các phân từ và
độ đàn hồi của môi trường chất lỏng để tạo các bọt khí. Đối với nước, ngưỡng năng
lượng này nằm vào khoảng từ 0,3 và 0,5W/cm*2 với các tần số tương ứng là 20 và
40 kHz. Tại tần số 20kHz, người ta ước tính rằng áp lực khi các bọt khí nổ là khoảng
35-70 Kpascal và nhiệt độ tức thời sinh ra là 50000 C, với vận tốc nổ vào khoảng 400
Km/h (hình 2.6) [6].
Ở tần số thấp (20-30kHz), một số lượng tương đối ít các bọt khí được sinh ra
nhưng chúng lại sinh ra nhiều năng lượng hơn. Tại các tần số cao hơn, các bọt khí
được sinh ra nhiều hơn nhưng năng lượng sinh ra từ nổ bọt khí lại chỉ nằm ở mức
thấp hoặc trung bình [6].
Do đó ở những tần số nhỏ thường được dùng cho việc tẩy rửa các vật liệu có độ
bền tốt và có cấu trúc ít phức tạp hơn. Ở tần số lớn, ở một mức năng lượng nhất định,
cường độ chà sẽ nhẹ hơn, đối với các vật liệu mềm, mỏng và có bề mặt phức tạp có
thể thâm nhập và bao phủ vào vùng lõm và lỗ nhỏ.

16

2.4.2. Dung dịch tẩy rửa
Dung dịch tẩy rửa ảnh hưởng đến quá trình tạo bọt qua 3 thuộc tính: sức căng
bề mặt, áp suất hơi và độ nhớt. Sức căng bề mặt của dung dịch tỉ lệ thuận với năng
lượng khi bọt khí nổ. Các giới hạn về kích thước bọt khí bị chi phối bởi áp suất hơi,
do đó chất lỏng áp suất hơi cao sẽ tạo bọt khí nghèo nàn hơn. Bọt khí dao động và
tăng trưởng bị cản trở bởi độ nhớt của chất lỏng, do ảnh hưởng đến dao động hoặc
dòng chảy bên trong của các dung dịch [7].
Việc sử dụng chất hóa học thích hợp là đặc biệt quan trọng để mang lại hiệu quả
cao cho quy trình tẩy rửa bằng kỹ thuật sóng siêu âm. Sự lựa chọn thành phần hóa
học này phải được tương thích với kim loại được tẩy rửa và có khả năng tẩy rửa chất
bẩn. Nó cũng phải có khả năng tạo bọt khí tốt. Hầu hết những chất tẩy rửa hóa học
có thể được sử dụng thuận lợi với kỹ thuật sóng siêu âm. Chúng có những công thức
đặc biệt để sử dụng cho kỹ thuật tẩy rửa siêu âm. Sử dụng những công thức này cho
việc tẩy rửa thích hợp có thể yêu cầu tới một vài các thiết bị mà cần được nghiên cứu
xem xét rõ ràng bao gồm cả tăng công suất mang lại hiệu quả [1].
Các chất phản ứng được sử dụng trong tẩy rửa có thể được chia theo 4 nhóm
[5]:
+ Dung môi: chất tạo nhũ và chất tẩy rửa được dùng tẩy những nhiễm bẩn chứa
trong dầu và mỡ.
+ Chất tạo phức: dùng để loại bỏ ion tại bề mặt nhiểm bẩn bằng cách hấp thụ
hóa học hoặc trao đổi ion.
+ Chất oxy hóa: điều kiện để thành phần của một lớp oxit đến trạng thái hóa trị
cao hơn.
+ Chất tẩy rửa: để làm sạch bề mặt.
Chất tẩy rửa phổ biến trong quá trình làm sạch kim loại là axit phosphoric và
axit sulphuric.
2.4.3. Tác dụng của nhiệt độ
Nhiệt độ được coi là tham số quan trọng nhất trong việc tạo ra cường độ cực đại
của bọt khí. Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi độ nhớt, khả năng hòa tan của

17


khí trong chất lỏng, mức độ khuếch tán của khí trong chất lỏng và áp suất hơi [1].
Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng của dung dịch tẩy rửa và số bọt khí
được tạo ra. Sự sủi bọt khí hiệu quả nhất ở điều kiện nước tinh khiết với nhiệt độ vào
khoảng 710C. Nguyên tắc chính của nó là mỗi chất hóa học hoạt động có hiệu quả
với mỗi quy trình tẩy rửa được đưa ra. Như vậy mặc dù hiệu ứng sóng siêu âm lớn
nhất có thể đạt được ở 710C nhưng hầy hết chất tẩy rửa lại sử dụng ở nhiệt độ 82 –
880C bởi tại đây tác dụng hóa học của chất tẩy rửa đạt hiệu suất cao nhất. Nhưng chất
tẩy rửa khác có thể bị phá vỡ hay mất đi hiệu quả của chúng khi ở nhiệt độ quá giới
hạn. Nhiệt độ thích hợp nhất để sử dụng với chất hóa học là không quá 880C.

18