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

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 ĐẠI HỌC

THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT LỖ RỖNG
BÊN TRONG VẬT LIỆU BÊ TÔNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ

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

TP. HỒ CHÍ MINH - 2015


i

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và làm khóa luận tốt nghiệp tại Bộ môn Vật lý hạt nhân,
Khoa Vật lý - Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG – TPHCM,
em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình, những lời động viên, những đóng góp ý kiến
quý báu cũng như sự tận tâm truyền đạt kiến thức của Quý Thầy Cô, bạn bè và gia
đình. Sau khi hoàn thành khóa luận em xin gửi lời cám ơn chân thành đến:
Quý Thầy Cô Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã tạo môi trường học tập thân thiện, gần
gũi, nghiêm khắc để em học tập, tiếp thu kiến thức và tạo mọi điều kiện cho em trong

suốt khóa học.
Thầy Trần Thiện Thanh đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết để truyền đạt
cho em kiến thức lẫn kỹ năng thực nghiệm.
Quý Thầy Cô trong hội đồng đã dành nhiều thời gian đọc và có những ý kiến
đóng góp quý báu vào khóa luận này.
Quý Thầy Cô và Anh Chị trong nhóm nghiên cứu đã hỗ trợ và giúp đỡ em trong
quá trình thực hiện khóa luận.
Con xin cảm ơn bố mẹ và gia đình đã ủng hộ con cả tinh thần và vật chất trong
suốt thời gian qua.
Tôi xin cảm ơn đến toàn thể các anh chị và các bạn trong lớp 11VLH đã giúp đỡ
tôi rất nhiều trong suốt thời gian qua.
Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện khóa luận, tuy nhiên không thể tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của Quý Thầy Cô
và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2015
Đào Chí Khƣơng


ii

MỤC LỤC
Danh mục các từ viết tắt ............................................................................................... iv
Danh mục các bảng biểu ................................................................................................ v
Danh mục các hình vẽ ...................................................................................................vi
Mở đầu ............................................................................................................................ 1
Chƣơng 1. Tổng quan .................................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu phương pháp gamma tán xạ ...................... 3
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước.............................................................. 3
1.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................. 4

1.2. Lý thuyết gamma tán xạ ..................................................................................... 5
1.2.1. Tán xạ Compton ........................................................................................ 5
1.2.2. Tán xạ Rayleigh ........................................................................................ 6
1.3. Các đặc trưng của tán xạ Compton ..................................................................... 6
1.3.1. Năng lượng gamma sau khi tán xạ ............................................................ 6
1.3.2. Tiết diện tán xạ Compton .......................................................................... 7
1.3.3. Cường độ gamma tán xạ ........................................................................... 7
1.3.4. Tán xạ nhiều lần ........................................................................................ 9
1.3.5. Phổ tán xạ Compton ................................................................................ 10
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tán xạ ..................................................... 11
1.5. Phương pháp khảo sát lỗ rỗng .......................................................................... 13
1.6. Nhận xét chương 1............................................................................................ 13
Chƣơng 2. Hệ đo gamma tán xạ ................................................................................. 14
2.1. Hệ đo thực nghiệm gamma tán xạ .................................................................... 14
2.1.1. Khối nguồn .............................................................................................. 14


iii

2.1.2. Khối đầu dò ............................................................................................ 17
2.1.3. Bia thí nghiệm ......................................................................................... 20
2.1.4. Hệ cơ giá đỡ ............................................................................................ 21
2.2. Bố trí hệ đo gamma tán xạ ................................................................................ 22
2.3. Bố trí thí nghiệm ............................................................................................... 23
2.3.1. Khảo sát sự thay đổi mật độ trong bia. ................................................... 23
2.3.2. Xác định sự phân bố của lỗ rỗng trong bê tông. ..................................... 24
2.3.3. Khảo sát lỗ rỗng theo kích thước. ........................................................... 25
2.3.4. Khảo sát lỗ rỗng theo độ sâu. .................................................................. 26
2.4. Nhận xét chương 2............................................................................................ 26
Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận ................................................................................. 27

3.1. Xác định cường độ tán xạ một lần .................................................................... 27
3.1.1. Trừ phông ................................................................................................ 27
3.1.2. Tách đỉnh tán xạ một lần ......................................................................... 28
3.2. Kết quả thực nghiệm......................................................................................... 29
3.2.1. Khảo sát sự thay đổi mật độ .................................................................... 29
3.2.2. Khảo sát phân bố lỗ rỗng trong bê tông .................................................. 30
3.2.3. Khảo sát lỗ rỗng theo kích thước ............................................................ 34
3.2.4. Khảo sát lỗ rỗng theo độ sâu ................................................................... 36
3.3. Nhận xét chương 3............................................................................................ 38
Kết luận và kiến nghị ................................................................................................... 39
Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 41
Phụ lục ........................................................................................................................... 43


iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt
Bề rộng ở một nửa chiều cao cực

FWHM

Full Width at Half Maximum

HPGe

High Purity Germanium

Germanium siêu tinh khiết

HVPS

High – Voltage Power Supply

Nguồn cao thế

MCA

Multiple Channel Analyzer

Máy phân tích đa kênh

MCNP

Monte Carlo N Particles

Chương trình mô phỏng MCNP

USB

Universal Serial Bus

Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng

đại

v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Kết quả khảo sát sự thay đổi mật độ trong bia............................................. 29
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát sự phân bố lỗ rỗng trong bia ............................................ 33
Bảng 3.3: Kết quả khảo sát lỗ rỗng theo kích thước lỗ rỗng ........................................ 34
Bảng 3.4: Kết quả khảo sát lỗ rỗng theo độ sâu ........................................................... 38


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Quá trình tán xạ Compton ........................................................................... 5
Hình 1.2: Quá trình tán xạ một lần của gamma lên vật liệu ........................................ 7
Hình 1.3: Phổ gamma tán xạ của nguồn 137Cs tại góc 120o trên bia bê tông ............. 11
Hình 2.1: Mô hình nguồn phóng xạ

137

Cs ................................................................. 14

Hình 2.2: Mô hình hộp chứa nguồn .......................................................................... 15
Hình 2.3: Bản vẽ chi tiết ống chuẩn trực nguồn ........................................................ 16
Hình 2.4: Bản vẽ chi tiết lắp ráp của khối nguồn ...................................................... 16
Hình 2.5: Hình ảnh khối nguồn thực tế ..................................................................... 17
Hình 2.6: Đầu dò NaI(Tl) 7,62 cm x 7,62 cm ........................................................... 18
Hình 2.7: Hệ điện tử tích hợp .................................................................................... 19
Hinh 2.8: Mẫu bê tông với các khuyết tật khác nhau ................................................. 20

Hình 2.9: Mô hình xe nâng và khung dịch chuyển ................................................... 21
Hình 2.10: Sơ đồ bố trí hệ đo thực nghiệm ................................................................. 22
Hình 2.11: Bia khảo sát mật độ ................................................................................... 24
Hình 2.12: Bia khảo sát vị trí khuyết tật ..................................................................... 24
Hình 2.13: Bia khảo sát kích thước khuyết tật ............................................................ 25
Hình 2.14: Bia khảo sát độ sâu khuyết tật ................................................................... 26
Hình 3.1: Phổ gamma tán xạ của nguồn 137Cs tại góc 120o trên bia bê tông chuẩn
sau khi trừ phông ........................................................................................ 27
Hình 3.2: Đỉnh tán xạ một lần tính bằng chương trình Colegram ............................ 29
Hình 3.3: Kết quả khảo sát xác định vị trí khuyết tật ................................................ 31
Hình 3.4: Bề dày bia chùm gamma tán xạ đi qua tại các vị trí gần thành khối
bê tông ..................................................................................................... 32
Hình 3.5: Kết quả khảo sát khuyết tật theo kích thước ............................................. 35
Hình 3.6: Kết quả khảo sát khuyết tật theo độ sâu .................................................... 36


1

MỞ ĐẦU
Bê tông là loại vật liệu xây dựng quan trọng được sử dụng rộng rãi trên toàn thế
giới. Bên cạnh đó bê tông còn được dùng làm vật liệu che chắn phóng xạ đặc biệt là
che chắn neutron do bê tông được cấu thành từ các nguyên tố nhẹ và trên hết là có sự
tồn tại của hydro.
Nguyên nhân làm bê tông được ưa chuộng là do giá thành rẻ và dễ đúc thành
nhiều hình dạng khác nhau. Tuy nhiên theo thời gian bê tông có thể bị hư hại làm ảnh
hưởng đến chất lượng công trình. Các công trình kiến trúc lớn như nhà cao tầng hay
những công trình phải chịu áp lực lớn như cầu, cầu vượt, ... đòi hỏi bê tông phải có độ
bền và khả năng chịu lực tốt. Sự tồn tại các lỗ rỗng hay các vết nứt sẽ làm giảm độ chịu
nén của bê tông, dễ gây vỡ bê tông và tạo điều kiện cho các yếu tố xâm thực bên ngoài
đi vào phía trong ăn mòn cốt thép bên trong. Bê tông mật độ không đúng theo tiêu

chuẩn, có độ rỗng cao cũng sẽ đẩy nhanh quá trình cacbonac hóa gây tổn hại nghiêm
trọng đến cốt thép trong bê tông. Điều này ảnh hưởng xấu đến công trình và thậm chí
có thể gây ra tai nạn không mong muốn.
Từ đây ta thấy được việc kiểm tra theo dõi chất lượng bê tông giữ vai trò vô cùng
quan trọng. Đã từ lâu, gamma tán xạ là một trong những phương pháp kiểm tra không
hủy mẫu (NDT) được ứng dụng trong kiểm tra thẩm định chất lượng công trình, đo mật
độ, đo mức, xác định các vết nứt hoặc lỗ rỗng trong vật liệu và cũng được dùng kiểm
tra chất lượng bê tông. Có một số phương pháp NDT như siêu âm, bột từ, gamma
truyền qua, … Nhưng đối với các công trình bê tông lớn như cầu, đường, … thì
phương pháp gamma tán xạ chiếm ưu thế hơn do:
-

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

-

Khi đối tượng cần đo ở trong điều kiện khắc nghiệt ví dụ như: nhiệt độ cao, áp
suất lớn, môi trường hoá chất độc hại thì phương pháp tán xạ vẫn có thể thực
hiện mà không làm ảnh hưởng đến quá trình làm việc của đối tượng khảo sát.
Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng phương pháp gamma tán xạ để thực

nghiệm trên vật liệu bê tông dạng hình hộp kích thước 40 cm x 20 cm x 10 cm với các


2

lỗ rỗng hình trụ kích thước khác nhau nằm ở các vị trí khác nhau, sử dụng nguồn
phóng xạ 137Cs có hoạt độ 5 mCi, và đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 7,62 cm x 7,62 cm.
Nội dung khóa luận được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong nước và thế giới về phương
pháp gamma tán xạ. Trình bày những lý thuyết liên quan đến phép đo tán xạ.
Chương 2: Trình bày về mô hình của hệ đo, những cấu tạo chi tiết của các bộ
phận trong hệ và cách bố trí thí nghiệm để có một phép đo hoàn chỉnh.
Chương 3: Xử lý số liệu thực nghiệm và đưa ra kết quả: từ phổ gamma thu được
từ thực nghiệm tính toán tìm khả năng nhận diện lỗ rỗng và vị trí của các lỗ rỗng bên
trong khối bê tông đồng thời xác định giới hạn về kích thước lỗ rộng và độ sâu của lỗ
rỗng mà ở đó hệ đo còn phát hiện được.
Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị.


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu phƣơng pháp gamma tán xạ
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Trương Thị Hồng Loan và cộng sự [4] đã sử dụng chương trình MCNP để mô
phỏng phổ gamma tán xạ đối với bia nhôm dùng đầu dò HPGe, nguồn

192

Ir và

60

Co

hoạt độ 3,7.1010 Bq. Các tác giả đã khảo sát các góc tán xạ khác nhau từ 60o đến 120o,
các bia nhôm có bề dày khác nhau trong hai trường hợp góc giữa bia và chùm tia tới là

30o và 45o. Kết quả thu được, khi tăng góc tán xạ thì thành phần tán xạ một lần tăng,
thành phần tán xạ nhiều lần giảm, đỉnh tán xạ ngược một lần có xu hướng dịch chuyển
về phía năng lượng thấp, sai số vị trí đỉnh trong mô phỏng và lý thuyết nhỏ hơn 10%.
Đối với nguồn 192Ir có năng lượng 316,5 keV, bề dày bão hòa của nhôm là 1cm.
Trần Đại Nghiệp [5] nghiên cứu phương pháp kiểm tra khuyết tật bằng phương
pháp kỹ thuật số dùng tia gamma tán xạ với nguồn

137

Cs hoạt độ 290 kBq, đầu dò

NaI(Tl), máy phân đa kênh (MCA) 4096 kênh, vật liệu khảo sát là thép cacbon, thép
không gỉ và gạch chịu lửa. Kết quả thu được, tác giả xác định vị trí và hình dạng
khuyết tật thông qua các số đếm tán xạ ngược thu được từ đầu dò và cho hình ảnh rất
cụ thể (2D, 3D).
Hoàng Đức Tâm và cộng sự [7] nghiên cứu sự phụ thuộc cường độ chùm gamma
tán xạ vào thể tích tán xạ bằng phương pháp Monte Carlo sử dụng MCNP5. Tác giả
dùng nguồn

137

Cs hoạt độ là 6 MBq, đầu dò NaI(Tl), bia thép chịu nhiệt C45, góc tán

xạ 120o, ống chuẩn trực nguồn và đầu dò đường kính 1 cm và khảo sát với những vùng
thể tích tán xạ khác nhau. Kết quả, diện tích tán xạ lớn khi thể tích tán xạ lớn, diện tích
tán xạ nhỏ khi thể tích tán xạ nhỏ và khi thể tích tán xạ bằng không thì số đếm đỉnh tán
xạ gần như không đáng kể, sai số số đếm vùng thể tích tán xạ xấp xỉ 10%.


4

1.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
Fernández [9] đã nghiên cứu về tán xạ hai lần Compton và Rayleigh cho chùm
gamma không phân cực. Cường độ của tán xạ hai lần (bao gồm Compton-Compton,
Compton-Rayleigh, Rayleigh-Compton, Rayleigh-Rayleigh) được suy ra dựa trên lí
thuyết vận chuyển cho một mẫu dày vô hạn được chiếu xạ bởi một chùm gamma đơn
năng. Sự đóng góp của số bậc tương tác (tức số lần tương tác mà tia gamma trải qua)
được phân biệt dựa trên lời giải của phương trình vi phân Boltzmann. Từ đó, tác giả đã
tính toán cường độ tán xạ một lần và tán xạ hai lần cho các vật liệu đơn nguyên tố và
hỗn hợp. Các kết quả tính toán lí thuyết cũng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm và
mô phỏng Monte Carlo.
Priyada và cộng sự [12] đã tiến hành thực nghiệm xác định hàm lượng nước bên
trong khối bê tông xây dựng bằng phương pháp tán xạ Compton và đối chiếu với kết
quả từ phương pháp trọng lượng và phương pháp gamma truyền qua. Tác giả sử dụng
nguồn chuẩn trực 137Cs hoạt độ 4,2 Ci, đầu dò bán dẫn HPGe với góc tán xạ được chọn
là 104o bắn vào bia bê tông có mật độ 2,4 g/cm3. Cường độ tán xạ được hiệu chỉnh hiệu
ứng suy giảm. kết quả thu được rất trùng khớp với phương pháp trọng lượng và
phương pháp truyền qua (độ chính xác 6%) và có thể phát hiện được sự thay đổi hàm
lượng nước nhỏ hơn 2%.
Boldo và Appoloni [9] đã tiến hành thực nghiệm xác định vị trí của các lỗ rỗng và
thanh thép bên trong khối bê tông cốt thép bằng phương pháp tán xạ Compton. Tác giả
thực nghiệm trên bia là các khối bê tông kích thước 15 cm x 7,5 cm x 10 cm với lỗ
rỗng và cốt thép nằm ở vị trí 10 mm, 15 mm và 20 mm cách bề mặt bia. Góc tán xạ
được chọn là 1350, nguồn

241

Am hoạt độ 100 mCi (với ống chuẩn trực đường kính 2

mm) và đầu dò CdTe (ống chuẩn trực hình trụ kích thước ϕ7 x 30 mm). Khối bê tông

được dịch chuyển ngang qua trường nhìn của nguồn và đầu dò để vùng thể tích tán xạ
quét ngang qua hết khối bê tông, với mỗi bước dịch chuyển 1mm. Kết quả cho thấy khi
vùng thể tích tán xạ đi ngang qua vị trí của lỗ rỗng và thép thì có sự thay đổi trong
cường độ tán xạ ghi nhận được ( tăng lên với thép và giảm xuống với lỗ rỗng). Nhưng
khi lỗ rỗng và thép nằm càng sâu trong khối bê tông thì sự khác biệt này càng nhỏ lại
và khả năng phát hiện kém đi.


5

Mục tiêu của khóa luận là khảo sát khả năng phát hiện ra các lỗ rỗng bên trong
kết cấu bê tông đối với hệ đo gamma tán xạ. Các lỗ rỗng bên trong khối bê tông được
thay đổi kích thước và khoảng cách từ bề mặt bia để xác định khả năng phát hiện của
hệ đo. Bên cạnh đó xác định sự phân bố của các lỗ rỗng bên trong kết cấu bê tông.
1.2. Lý thuyết gamma tán xạ
Tia gamma tương tác với vật chất chủ yếu theo ba cơ chế: hiệu ứng quang điện,
tán xạ và hiệu ứng tạo cặp. Hiệu ứng quang điện xảy ra đối với gamma ở vùng năng
lượng thấp. Khi đó năng lượng gamma gần với nặng lượng liên kết của electron với
nguyên tử. Hiêu ứng tạo cặp chỉ xảy ra khi năng lượng gamma lớn hơn 1 MeV. Cơ chế
tán xạ chiếm ưu thế ở vùng năng lượng trung gian từ 150 keV đến 3 MeV và là cơ chế
quan trọng đối với phương pháp gamma tán xạ. Nắm được các đặc trưng cơ bản của
gamma tán xạ là cơ sở để xây dựng hệ đo tối ưu nhất mang lại hiệu quả cao trong công
tác đo đạc.
1.2.1. Tán xạ Compton
Tán xạ Compton (tán xạ không đàn hồi) là quá trình tương tác giữa tia gamma và
electron nguyên tử.

Electron Compton

Hạt nhân

Góc tán xạ θ
Gamma tới
Gamma tán xạ

Hình 1.1: Quá trình tán xạ Compton.


6

Sau va chạm tia gamma mất đi một phần năng lượng và bị lệch đi một góc θ so
với phương tới ban đầu. Electron sau khi nhận năng lượng từ tia gamma thì bị đẩy khỏi
nguyên tử trở thành electron tự do hay còn được gọi là electron Compton. Quá trình tán
xạ Compton được mô tả như Hình 1.1.
1.2.2. Tán xạ Rayleigh
Tán xạ Rayleigh (tán xạ đàn hồi) là quá trình mà tia gamma bị tán xạ lên các
electron liên kết của nguyên tử mà không gây nên sự ion hoá hay kích thích nguyên tử.
Trái ngược với tán xạ Compton, sau khi tán xạ Rayleigh tia gamma không thay đổi
năng lượng mà chỉ bị lệch đi so với phương ban đầu và sau tán xạ electron không bị
bứt khỏi nguyên tử.
1.3. Các đặc trƣng của tán xạ Compton
1.3.1. Năng lƣợng gamma sau khi tán xạ
Như đã đề cập ở trên, tán xạ Rayleigh chỉ làm thay đổi hướng của tia gamma so
với ban đầu mà không có sự thay đổi năng lượng. Tán xạ Compton làm thay đổi hướng
và năng lượng của bức xạ gamma so với ban đầu. Năng lượng E của tia gamma sau tán
xạ Compton phụ thuộc vào năng lượng tia gamma tới E0 và góc tán xạ θ theo công thức
sau:
Eo

E
1

Eo
(1 cos θ)
mo c2

trong đó
E là năng lượng gamma sau khi tán xạ.
E0 là năng lượng gamma tới.
θ là góc tán xạ đối với phương tới của tia gamma.
m0c2 = 511 keV là năng lượng nghỉ của electron.

(1.1)


7

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

(θ )
dΩ

r 2 E2 E
[ ][
2 E2o Eo

E0
E

sin2 θ]

(1.2)

trong đó r0 = 2,82.10-15 m là bán kính cổ điển của electron.
1.3.3 Cƣờng độ gamma tán xạ
Bên cạnh năng lượng tán xạ thì cường độ tán xạ một lần là thông tin rất quan
trọng đối với phương pháp gamma tán xạ. Hình 1.2 mô tả cấu hình thông thường của
hệ đo gamma tán xạ.

Đầu dò

Nguồn

Hình 1.2: Quá trình tán xạ một lần của gamma lên vật liệu.
Trên Hình 1.2, vùng tán xạ là phần thể tích giao bởi góc mở của ống chuẩn trực
nguồn và ống chuẩn trực đầu dò (phần giao giữa các đường đứt nét). Giả sử tâm tán xạ


8

tại vị trí P, cường độ gamma tán xạ đến được đầu dò là kết quả của ba quá trình tương
tác khác nhau:
 Quá trình 1: Sự suy giảm của chùm gamma khi đi từ nguồn qua bề dày x đến vị
trí tán xạ P (theo đường α).
Để đến được vị trí tán xạ thì chùm gamma phải đi xuyên qua lớp vật liệu có bề

dày là x tùy thuộc vào cấu hình hệ đo. Chùm gamma tương tác với electron trong lớp
vật chất nên cường độ giảm đi. Cường độ chùm gamma đến tâm tán xạ P được tính bởi
công thức:
I0 exp ( ∫ (Eo ) dx)

I1

(1.3)

trong đó :
I0 là cường độ gamma ban đầu.
µ(E0) là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu đối với gamma năng lượng E0.
 Quá trình 2: Quá trình tán xạ của chùm gamma tại tâm tán xạ P.
Từ tiết diện tán xạ vi phân Klein-Nishina, cường độ gamma tán xạ tại P theo góc
θ được cho bởi:
I2

I1

d

KN (θ)

dΩ

S(q,Z)

e

ΩdV

(1.4)

trong đó:
d KN (θ)
dΩ

là tiết diện tán xạ vi phân Klein-Nishina.

S(q,Z) đại diện cho hàm tán xạ không đàn hồi đối với ảnh hưởng của năng lượng
liên kết của electron với nguyên tử.
là mật độ electron trung bình bên trong thể tích tán xạ.
dV là thể tích vùng tán xạ.
là góc nhìn của đầu dò đối với vùng tán xạ.


9

 Quá trình 3: Sự suy giảm của chùm gamma tán xạ khi đi từ tâm tán xạ P qua
bề dày x’đến đầu dò (theo đường β).
Trước khi thoát khỏi bia, chùm gamma tán xạ tương tác với electron trong lớp vật
liệu có bề dày x’ nên cường độ gamma giảm.
I

I2 exp ( ∫ (E)dx')

(1.5)

với (E) là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu đối với năng lượng E.
Như vậy, cường độ gamma tán xạ tại P đến được đầu dò được tính như sau:

I

I0 bA1 bA2

d

KN (θ)

dΩ

S(q,Z)

e

ΩdV

(1.6)

với
bA1

exp(- ∫ (Eo ) dx) là hệ số suy giảm của chùm photon khi đi từ bề mặt bia

đến thể tích tán xạ
bA2

exp(- ∫ (E)dx') là hệ số suy giảm của chùm photon khi đi từ thể tích tán

xạ ra đến bề mặt bia.

Như vậy, đối với một mô hình thí nghiệm cố định thì cường độ tán xạ chỉ phụ
thuộc vào mật độ electron trong thể tích tán xạ. Có nghĩa là nếu có sự thay đổi mật độ
tại vùng khảo sát thì cũng sẽ có thay đổi đối với cường độ tán xạ một lần. Dựa vào tính
chất quan trọng này phương pháp gamma tán xạ được ứng dụng mạnh trong khảo sát
mật độ, đo bề dày, xác định khuyết tật, ăn mòn, khảo sát bề dày bảo hòa vật liệu,…
Khóa luận dựa vào sự thay đổi cường độ tán xạ một lần để khảo sát lỗ rỗng, vết nứt bên
trong khối bê tông.
1.3.4. Tán xạ nhiều lần
Công thức (1.6) chỉ áp dụng cho trường hợp các bức xạ gamma chỉ trải qua một
lần tán xạ Compton. Trên thực tế cường độ gamma tán xạ ghi nhận được tại đầu dò bao
gồm cả gamma tán xạ một lần và cả gamma chịu tán xạ nhiều hơn một lần trước khi


10

được ghi nhận tại đầu dò. Các bức xạ gamma này chịu tán xạ tại một góc tán xạ nào đó
khác với góc tán xạ khảo sát rồi đến đầu dò sau khi trải qua thêm một hoặc nhiều quá
trình tán xạ khác bên ngoài vùng tán xạ hay thể tích tán xạ. Do đó, gamma tán xạ nhiều
lần không mang thông tin của vùng khảo sát. Ngược lại sự tồn tại của tán xạ nhiều lần
gây khó khăn trong việc xác định đỉnh tán xạ một lần, gây sai lệch thông tin tại vùng
khảo sát.
Trong phép đo tán xạ ngược gamma, có hai yếu tố mà ta cần quan tâm là diện tích
và độ rộng của đỉnh tán xạ một lần. Diện tích của đỉnh tán xạ một lần đặc trưng cho xác
suất ghi nhận các tia gamma tán xạ trong đầu dò, do đó diện tích đỉnh càng lớn thì
thống kê của phép đo đạt được càng tốt. Đối với độ rộng của đỉnh tán xạ một lần, giá
trị của nó được yêu cầu càng nhỏ càng tốt để hạn chế sự đóng góp của các sự kiện tán
xạ nhiều lần. Bởi vì tán xạ nhiều lần gây ra sự thăng giáng thống kê làm tăng sai số của
phép đo. Do đó, bố trí hệ đo phải đảm bảo sao cho sự đóng góp của tán xạ nhiều lần là
thấp nhất.
1.3.5. Phổ tán xạ Compton

Do ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần, phổ năng lượng gamma tán xạ toàn phần là
sự chồng chập của phổ tán xạ một lần và phổ tán xạ nhiều lần. Tuy nhiên sự phân bố
năng lượng trong phổ tán xạ nhiều lần thường trải dài trên một miền rộng hơn, tạo ra
“nhiễu” dẫn tới sự sai lệch về hình dạng phổ tán xạ một lần. Tán xạ nhiều lần có xác
suất rất nhỏ nên thăng giáng thống kê lớn hơn so với tán xạ một lần gây ra sai số, làm
giảm độ chính xác của phép đo. Trong nền tán xạ nhiều lần thì đỉnh tán xạ hai lần có
ảnh hưởng nhiều nhất trong việc xác định diện tích đỉnh một lần.
Theo nghiên cứu của Fernández [9], sự đóng góp của tán xạ hai lần gồm:
Compton - Compton, Compton - Rayleigh, Rayleigh - Compton và Rayleigh-Rayleigh.
Trong đó, tán xạ Rayleigh - Rayleigh chỉ đóng góp một mức năng lượng rời rạc bằng
với năng lượng E0 của tia gamma tới. Tán xạ Compton-Compton có phổ năng lượng
trải dài từ

1

Eo
Eo
(1
mo c2

θ
cos2)

đến

1

Eo
Eo
(1 mo c2

θ

cos2)

.


11

Nền tán xạ nhiều lần
Đỉnh tia X đặc trưng

Đỉnh tán xạ một lần

Số đếm

217 keV

Năng lƣợng (keV)
Hình 1.3: Phổ gamma tán xạ của nguồn 137Cs tại góc 120o trên bia bê tông.
Sự phân bố năng lượng của tán xạ Compton - Rayleigh và Rayleigh - Compton có
phổ năng lượng liên tục trải dài từ E0/(1

2E0
m0 c2

) tới E0 và có năng lượng cực đại tại

năng lượng bằng với năng lượng tán xạ Compton một lần. Như vậy, sự đóng góp của

tán xạ Compton - Rayleigh và Rayleigh - Compton gây ra một sự khó khăn trong việc
đánh giá các sự kiện tán xạ một lần vì sự chồng chập của chúng là không thể phân biệt
được trên phổ tán xạ. Điều này, một lần nữa khẳng định sự phức tạp trong nghiên cứu
về tán xạ nhiều lần.
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ tán xạ
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chùm gamma tán xạ như góc tới, góc
tán xạ, năng lượng gamma tới, chuẩn trực nguồn và đầu dò, bề dày lớp vật chất tán xạ,
mật độ vật chất tán xạ.


12

Khi góc tán xạ tăng lên thì diện tích đỉnh tán xạ một lần giảm, vị trí đỉnh tán xạ
một lần bị dịch chuyển về phía năng lượng thấp là vùng năng lượng mà có sự đóng góp
lớn của tán xạ nhiều lần, gây khó khăn cho việc khảo sát tán xạ một lần. Đồng thời, khi
góc tán xạ tăng thì giá trị bề rộng một nửa (FWHM) giảm và sự chênh lệch giá trị
FWHM giữa các bề dày bia khác nhau nhỏ. Mặt khác, khi góc tán xạ tăng lên thì làm
cho độ cao đỉnh tán xạ một lần tăng [10]. Việc lựa chọn góc tán xạ ngược và góc đặt
bia sao cho thuận lợi cho việc khảo sát các đặt trưng của đỉnh tán xạ một lần như diện
tích đỉnh, độ cao đỉnh, giá trị FWHM, vị trí đỉnh tán xạ và hạn chế sự đóng góp của tán
xạ nhiều lần.
Khi tăng năng lượng chùm gamma tới từ 100 keV đến 10000 keV thì cường độ
chùm gamma tán xạ giảm đi đối với các vật liệu có số Z nhỏ. Đối với các vật liệu có số
Z trung bình và lớn thì cường độ chùm gamma tán xạ giảm tại vùng năng lượng thấp.
Thu hẹp độ rộng ống chuẩn trực làm giảm thể tích tán xạ nên làm giảm cường độ
tán xạ [9]. Tuy nhiên tỉ lệ tán xạ một lần trên tán xạ nhiều lần tăng lên, kết quả phép đo
chính xác hơn.
Các lớp tán xạ càng mỏng thì sự đóng góp của chùm gamma tán xạ một lần vào
phổ tán xạ càng lớn. Với một vật liệu tán xạ nhất định (mật độ không đổi), khi tăng bề
dày của lớp vật chất tán xạ, cường độ chùm gamma tán xạ cũng tăng lên nhưng không

tăng một cách tuyến tính. Khi tăng bề dày đến một giới hạn nào đó thì cường độ chùm
gamma tán xạ đạt giá trị bão hoà. Ở giới hạn đó, các tia gamma tán xạ đều bị hấp thụ
hết trước khi đến bề mặt lớp phản xạ.
Vật liệu làm bia thay đổi sẽ làm thay đổi mật độ electron. Do đó xác suất để
gamma tương tác với electron cũng thay đổi. Cường độ tán xạ tăng khi mật độ electron
tăng và ngược lại. Tuy nhiên, đối với các vật liệu nặng, hiệu sự suy giảm cường độ trở
nên đáng kể làm giảm cường độ tán xạ.
Ta thấy rằng với một cấu hình hệ đo cho trước, tức các yếu tố về nguồn, chuẩn
trực và góc tán xạ không đổi, thì cường độ tán xạ một lần chỉ phụ thuộc vào mật độ
electron bên trong thể tích tán xạ. Sự thay đổi mật độ đột ngột sẽ gây ra sự biến đổi
trong cường độ tán xạ.


13

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

N

No
No

100%

(1.7)

trong đó
N0 là cường độ tán xạ một lần trung bình của bê tông.
N là cường độ tán xạ một lần khi mật độ thay đổi.
Dựa vào độ sai biệt này mà ta đánh giá khả năng phát hiện ra sự thay đổi mật độ
vật chất tại vùng khảo sát hay khả năng phát hiện lỗ rỗng trong bia. Để thuận lợi cho
việc xử lí kết quả thực nghiệm khóa luận đã sử dụng các phần mềm hỗ trợ sau:
 Genie 2000: ghi nhận phổ tán xạ, trừ phông trực tiếp, xác định năng lượng
tán xạ, độ rộng đỉnh năng lượng.
 Colegram: sử dụng hàm đa thức bậc bốn làm khớp hàm tán xạ nhiều lần
từ đó tính ra diện tích đỉnh tán xạ một lần.
 Origin pro 8.1: vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ tán xạ vào vị
trí đo.
1.6. Nhận xét chƣơng 1
Trong chương này khóa luận đã giới thiệu tình hình nghiên cứu phương pháp
gamma tán xạ trong và ngoài nước, từ đó thấy được tầm quan trọng của phương pháp.
Ngoài ra, sơ lược lý thuyết gamma tán xạ cho phép xác định sự thay đổi mật độ vật
liệu.


14

CHƢƠNG 2
HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ
2.1. Hệ đo thực nghiệm gamma tán xạ
Hệ đo thực nghiệm gamma tán xạ gồm ba thành phần chính là: khối nguồn, khối

đầu dò và bia tán xạ. Dưới đây là phần mô tả các đặc điểm của hệ đo tán xạ ngược
được sử dụng trong khóa luận.
2.1.1. Khối nguồn
Khối nguồn được thiết kế gồm nguồn phóng xạ, thanh thép gắn nguồn, ống chuẩn
trực, hộp chứa nguồn.
Nguồn phóng xạ: trong phép đo gamma tán xạ, các nguồn phát bức xạ gamma
thường được sử dụng là: 241Am, 192Ir, 137Cs, 65Zn, 60Co. Các thí ngiệm của khóa luận sử
dụng nguồn

137

Cs, do hãng Eckert & Giegler sản xuất. Đồng vị

137

Cs có thời gian bán

hủy khoảng 30,05 năm. Khi phân rã 137Cs phát ra hai bức xạ β- có năng lượng 520 keV
với xác suất 92% và 1170 keV với xác suất 8% rồi phát bức xạ gamma năng lượng 662
keV với xác suất 84,99%. So với các nguồn phát gamma khác, nguồn 137Cs có ưu thế là
nguồn đơn năng nên dễ kiểm tra năng lượng của đỉnh tán xạ trong phổ thực nghiệm từ
lý thuyết tán xạ Compton.

ϕ = 0,6 cm

Lớp vỏ ngoài

Lớp vỏ trong

0,8 cm

Vật liệu phóng xạ
Hình 2.1: Mô hình nguồn phóng xạ

137

Cs [6].


15

Nguồn

137

Cs chứa chất phóng xạ được nén dưới dạng viên, được bọc kín bởi hai

lớp vỏ bằng thép, với lớp vỏ ngoài hình trụ có đường kính 0,6cm, chiều dài 0,8cm.
Hình 2.1 là mô hình nguồn phóng xạ 137Cs.
Thanh thép gắn nguồn: Nguồn

137

Cs được gắn vào đầu một thanh thép hình trụ

đường kính 3cm, dài 25cm. Vị trí gắn nguồn là một lỗ hình trụ, đường kính 0,6cm, độ
sâu 0,8cm.
Hộp chứa nguồn: Hộp chứa nguồn có tác dụng hạn chế các tia phóng xạ phát ra từ
nguồn đi trực tiếp đến đầu dò do đặc tính phát bức xạ đẳng hướng của nguồn và đảm
bảo an toàn cho người làm thí nghiệm. Với những yêu cầu trên, hộp chứa nguồn được

thiết kế bằng chì, hình trụ, đường kính 22cm, chiều dài 24cm. Trong hộp, ở hai đầu có
hai lỗ hình trụ đồng trục với đường kính lần lượt là 3cm và 5cm, chiều dài 14cm và
10cm. Hộp chứa nguồn được minh họa trong Hình 2.2.

Mặt cắt dọc

Mặt trước

Hình 2.2: Mô hình hộp chứa nguồn.
Ống chuẩn trực nguồn là một khối rỗng bằng chì chiều dài 20cm, đường kính
trong 1cm, đường kính ngoài là 5cm. Ống sẽ được đưa vào hộp chứa nguồn từ phía


16

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

20 cm

1 cm

Mặt cắt dọc

Mặt cắt ngang

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

Thanh thép gắn nguồn

Vị trí gắn nguồn

Hộp chưa nguồn

Ống chuẩn trực nguồn

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


17

Nguồn phóng xạ được gắn vào đầu thanh thép hình trụ đường kính 3cm, dài 25
cm, ở đầu thanh có khoan một lỗ hình trụ đường kính 0,6cm và sâu 0,8cm. Thanh thép
được lắp vào hộp chứa nguồn từ phía sau hộp, sao cho nguồn phóng xạ hướng về phía
trước. Ống chuẩn trực nguồn gắn từ phía trước của hộp chứa nguồn.
Hình ảnh thực tế của khối nguồn:

Hình 2.5: Hình ảnh khối nguồn thực tế.
Khi làm thí nghiệm, thanh thép gắn nguồn được lắp vào từ phía sau hộp chứa
nguồn, vừa khít với lỗ 3cm, sao cho nguồn hướng về phía trước. Ống chuẩn trực được
lắp vào từ phía trước hộp chứa nguồn, vừa khít với lỗ 5cm, sau khi lắp chiều dài phần
ống chuẩn trực nhô ra ngoài là 10cm.
2.1.2. Khối đầu dò
2.1.2.1. Đầu dò NaI(Tl)
Hai loại đầu dò thường được dùng để ghi đo bức xạ gamma là đầu dò NaI(Tl) và
đầu dò HPGe. Đầu dò sử dụng trong các thí nghiệm của khóa luận là đầu dò NaI(Tl)
802 của hãng Canberra Inc, minh họa như trong Hình 2.6. So với đầu dò HPGe, đầu


18

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

Hình 2.6: Đầu dò NaI(Tl) 7,62cm x 7,62cm.
Bộ phận quan trọng nhất của đầu dò NaI(Tl) được sử dụng là tinh thể NaI(Tl)
hình trụ, kích thước 7,62cm x 7,62cm. Vì tinh thể này có đặc tính là giòn, dễ vỡ, dễ hút
ẩm nên nó được đặt trong một vỏ kín về các phía như sau:
 Mặt trước tinh thể từ ngoài vào trong gồm một lớp nhôm dày 0,15cm, một
lớp silicon dày 0,2cm và một lớp phản xạ bằng bột nhôm ôxit dày 0,3cm.
 Mặt bên của tinh thể từ ngoài vào trong gồm một lớp nhôm 0,15cm và một
lớp phản xạ bằng bột nhôm ôxit dày 0,2cm.
 Mặt sau của tinh thể là cửa sổ bằng kính dẫn sáng dày 0,6cm.
 Phía sau lớp kính dẫn sáng là ống nhân quang điện. Ống nhân quang điện
được bọc trong lớp vỏ nhôm hình trụ đường kính 9,2cm, chiều dài 24,17cm.
Một vấn đề quan trọng đối với các hệ đo bức xạ nói chung và hệ đo gamma nói
riêng là vấn đề phông và phương pháp giảm phông. Phông gamma thường có các
nguồn gốc sau đây: Các thành phần cứng và mềm của bức xạ vũ trụ, bức xạ gamma