ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HOÀNG ĐỨC TÂM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH BỀ DÀY THÉP C45 BẰNG PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ SỬ DỤNG ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP Hồ Chí Minh – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HOÀNG ĐỨC TÂM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH BỀ DÀY THÉP C45 BẰNG PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ SỬ DỤNG ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân Mã Số: 62 44 05 01 Phản biện 1: PGS.TS Đỗ Quang Bình Phản biện 2: TS Trần Văn Hùng Phản biện 3: TS Huỳnh Trúc Phương Phản biện độc lập 1: GS.TS Nguyễn Văn Đỗ Phản biện độc lập 2: PGS.TS Đỗ Quang Bình NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS CHÂU VĂN TẠO TP Hồ Chí Minh – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS.TS Châu Văn Tạo Thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Trần Thiện Thanh ThS Huỳnh Đình Chương giúp đỡ suốt trình thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất Thầy, Cô Bộ môn Vật lý hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM truyền thụ kiến thức tảng giúp có kiến thức ban đầu để thực luận án Tôi xin cảm ơn thành viên nhóm nghiên cứu giúp đỡ để luận án hoàn thành thời gian sớm Tôi xin cảm ơn Thầy, Cô Khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm TP.HCM tạo điều kiện thuận lợi để có nhiều thời gian dành cho việc nghiên cứu Tôi xin cảm ơn Phòng Đào tạo Sau đại học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên hỗ trợ thủ tục cần thiết trình thực đề tài nghiên cứu sinh Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình hỗ trợ động viên toàn thời gian để yên tâm hoàn thành khóa học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án công trình nghiên cứu riêng Toàn liệu luận án thân thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Châu Văn Tạo chưa công bố công trình mà chưa tham gia Tác giả luận án Hoàng Đức Tâm i MỤC LỤC Danh mục chữ viết tắt iv Danh mục hình vẽ, đồ thị v Danh mục bảng viii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ GAMMA .12 1.1 Tán xạ Compton 12 1.1.1 Tổng quan tán xạ Compton 12 1.1.2 Hàm tán xạ không kết hợp 16 1.2 Tán xạ Thomson tán xạ Rayleigh 17 1.3 Tán xạ nhiều lần 20 1.3.1 Lý thuyết vận chuyển photon nghiên cứu tán xạ nhiều lần 20 1.3.2 Nhận xét 24 1.4 Kỹ thuật gamma tán xạ ngược 24 1.4.1 Cơ sở lý thuyết kỹ thuật gamma tán xạ ngược 24 1.4.2 Đường cong bão hòa vật liệu .28 1.4.3 Nhận xét 29 1.5 Kết luận chương 30 CHƯƠNG KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TÁN XẠ CỦA PHOTON TRÊN VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 31 2.1 Giới thiệu phương pháp Monte Carlo chương trình MCNP 31 2.2 Chương trình mô MCNP 32 2.2.1 Cấu trúc chương trình MCNP5 32 2.2.2 Đánh giá phân bố độ cao xung - Tally F8 34 2.2.3 Đánh giá sai số 36 2.3 Khảo sát phụ thuộc cường độ tán xạ theo thể tích tán xạ 39 2.3.1 Phương pháp xác định thể tích vùng tán xạ 39 ii 2.3.3 Khảo sát phụ thuộc cường độ chùm tia tán xạ theo thể tích tán xạ .46 2.3.4 Nhận xét 51 2.4 Đánh giá việc xác định bề dày vật liệu sử dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược phương pháp Monte Carlo 51 2.4.1 Phổ tán xạ từ mô MCNP5 .51 2.4.2 Kết tính toán bề dày vật liệu 54 2.4.3 Nhận xét khả áp dụng kỹ thuật gamma tán xạ sử dụng đầu dò NaI(Tl) 57 2.5 Kết luận chương 58 CHƯƠNG HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ DÙNG TRONG MÔ PHỎNG MONTE CARLO CỦA HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ 59 3.1 Hệ đo nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl) 59 3.1.1 Giới thiệu hệ đo 59 3.1.2 Hiệu suất tổng đầu dò NaI(Tl) 60 3.2 Đường chuẩn lượng đường cong phân giải lượng (FWHM) đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 62 3.2.1 Đường chuẩn lượng 62 3.2.2 Đường cong phân giải lượng FWHM 66 3.3 Hiệu chỉnh thông số dùng mô Monte Carlo đầu dò NaI(Tl) 67 3.3.1 Giới thiệu vấn đề cần nghiên cứu .67 3.3.2 Bố trí thực nghiệm 70 3.3.3 Mô hình hóa đầu dò NaI(Tl) phương pháp Monte Carlo 71 3.3.4 Khảo sát đáp ứng phổ mô với phổ thực nghiệm .73 3.3.5 Hiệu suất đỉnh lượng toàn phần (FEPE) 74 3.4 Kết luận chương 77 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH BỀ DÀY VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ 79 4.1 Hệ đo tán xạ ngược 79 iii 4.1.1 Nguồn phóng xạ ống chuẩn trực nguồn .79 4.1.2 Khối đầu dò 81 4.1.3 Bia tán xạ 82 4.1.4 Bố trí thí nghiệm .82 4.2 Kỹ thuật xử lý phổ cải tiến 84 4.3 Áp dụng kỹ thuật xử lý phổ cải tiến để đánh giá đặc trưng phổ tán xạ 87 4.3.1 Dạng đáp ứng phổ từ mô MCNP5 GEANT4 87 4.3.2 Đỉnh tán xạ lần tán xạ hai lần .88 4.3.3 Nhận xét 91 4.4 Kết xác định bề dày vật liệu 91 4.4.1 Mô Monte Carlo phổ tán xạ MCNP5 91 4.4.2 So sánh dạng đáp ứng phổ tán xạ mô thực nghiệm 92 4.4.3 Kết xác định bề dày vật liệu mô thực nghiệm 95 4.4.4 Nhận xét 98 4.5 Kết luận chương 99 KẾT LUẬN 100 Hướng phát triển .103 Danh mục công trình công bố 104 Tài liệu tham khảo 108 Phụ lục A 120 Phụ lục B 121 Phụ lục C 123 Phụ lục D 126 Phụ lục E 130 iv Danh mục chữ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh FEP Đỉnh lượng toàn Full Energy Peak phần FEPE Hiệu suất đỉnh Full Energy Peak Efficiency lượng toàn phần FOM Thông số đánh giá độ tin Figure Of Merit cậy phương pháp Monte Carlo FWHM Bề rộng nửa Full Width at Half Maximum GEANT Chương trình mô GEometry ANd Tracking Monte Carlo GEANT GEB Nở rộng đỉnh theo phân Gaussian Energy Broadening bố Gauss HPGe Germanium siêu tinh High Purity Germanium khiết Monte Carlo MC MCA Bộ phân tích đa kênh Multi-Channel Analyser MCNP Chương trình mô Monte Carlo N – Particle Monte Carlo MCNP NDT Kiểm tra không hủy thể Non-Destructive Testing RD Độ lệch tương đối Relative Deviation v Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Tán xạ Compton photon electron tự .12 Hình 1.2 Tiết diện tán xạ theo lượng [85] .14 Hình 1.3 Sự phân bố lượng electron bật tán xạ Compton [85] 15 Hình 1.4 Phổ tán xạ chùm photon lượng 59,54 keV bia đồng với góc tán xạ 120o [88] 18 Hình 1.5 Tiết diện tán xạ kết hợp không kết hợp photon lượng 662 keV tán xạ bia sắt – thành phần chủ yếu (chiếm 97%) vật liệu thép C45 [51] 19 Hình 1.6 Hình học a) tán xạ lần b) tán xạ hai lần 20 Hình 1.7 Dạng đặc trưng phổ tán xạ hai lần [27] 22 Hình 1.8 Phổ tán xạ lần, lần lần với vật liệu tán xạ ô-xi thu phương pháp Monte Carlo [27] 23 Hình 1.9 Phổ tán xạ lần, lần lần với bia tán xạ nhôm thu phương pháp Monte Carlo [27] 23 Hình 1.10 Phổ tán xạ lần, lần lần với bia tán xạ đồng thu phương pháp Monte Carlo [27] 24 Hình 1.11 Quá trình tán xạ photon bia .25 Hình 2.1 Phổ mô MCNP có sử dụng không sử dụng hàm bề rộng nửa [66] 35 Hình 2.2 Minh họa khác độ lặp lại độ xác (a) Độ lặp lại tốt kết đo lệch hẳn khỏi giá trị thực (b) Độ xác thấp giá trị đo phân bố xung quanh giá trị thực Đường thẳng biểu diễn giá trị thực đại lượng cần đo [55] .36 Hình 2.3 Mặt cắt thể phần thể tích sở phần thể tích tán xạ 40 Hình 2.4 Biểu diễn hình học cho việc tính toán thể tích sở 40 vi Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán tính phần thể tích sở sử dụng phương pháp Monte Carlo [14] 43 Hình 2.6 Thể tích sở a) nằm hoàn toàn vật liệu b) phần nằm vật liệu .44 Hình 2.7 Bố trí thí nghiệm khảo sát cường độ tán xạ theo thể tích tán xạ .46 Hình 2.8 Bố trí thí nghiệm mô Monte Carlo .48 Hình 2.9 Phổ tán xạ photon lượng 662 keV vật liệu thép C45 góc tán xạ 120o .48 Hình 2.10 Sự phụ thuộc diện tích đỉnh tán xạ vào thể tích tán xạ .50 Hình 2.11 Bố trí hệ đo tán xạ dùng mô MCNP5 51 Hình 2.12 Phổ tán xạ 137Cs bia thép C45 có bề dày cm việc khớp đỉnh phổ chương trình Colegram 52 Hình 2.13 Kết diện tích đỉnh tán xạ theo bề dày vật liệu tính Colegram góc  khác 53 Hình 3.1 Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) kích thước tinh thể 76 mm  76 mm .60 Hình 3.2 Phổ 137 Cs đo hệ đo nhấp nháy NaI(Tl) kích thước tinh thể 76 mm  76 mm .61 Hình 3.3 Bố trí nguồn đầu dò để xây dựng đường cong hiệu suất 64 Hình 3.4 Đường chuẩn lượng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) với MCA cài đặt chế độ 8192 kênh .66 Hình 3.5 Cấu trúc đầu dò NaI(Tl) 70 Hình 3.6 Hình học mô đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 71 Hình 3.7 So sánh phổ thực nghiệm mô số đồng vị phóng xạ .73 Hình 4.1 Cấu trúc bên nguồn phóng xạ 137Cs 79 Hình 4.2 Cấu trúc hộp chì chứa nguồn 80 Hình 4.3 Cấu trúc ống chuẩn trực nguồn chì 81 Hình 4.4 Cách lắp ráp chi tiết khối nguồn 81 Hình 4.5 Chi tiết khối đầu dò 81 Hình 4.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo bề dày vật liệu với góc tán xạ 120o 83 119 89 Yalcin S., Gurler O., Kaynak G., Gundogdu O (2007), “Calculation of total counting efficiency of a NaI(Tl) detector by hybrid Monte-Carlo method for point and disk sources”, Applied Radiation and Isotopes 65, 1179 – 1186 90 Yi C.-Y., Hah S.-H (2012), “Monte Carlo calculation of response functions to gamma-ray point sources for a spherical NaI(Tl) detector”, Applied Radiation and Isotopes 70, 2133 – 2136 91 European Steel and Alloy Grades/Number, Accessed Jun 2012, 92 Nucléide – Lara, Accessed Jun 2012, 93 Eckert & Ziegler – Industrial Sources, Accessed Dec 2013, 120 Phụ lục A So sánh dạng phổ thực nghiệm mô đồng vị phóng xạ 10000 10000 137 Mn Thùc nghiÖm M« pháng 1000 Sè ®Õm/kªnh 1000 100 100 10 10 1 100 200 300 400 500 600 700 200 800 400 10000 65 Zn Thùc nghiÖm M« pháng 1000 100 10 200 600 800 N¨ng l­îng (keV) N¨ng l­îng (keV) Sè ®Õm/kªnh Sè ®Õm/kªnh 54 Cs Thùc nghiÖm M« pháng 400 600 800 1000 N¨ng l­îng (keV) 1200 1400 1600 1000 1200 121 Phụ lục B Chương trình CalcTotEff tính toán hiệu suất tổng viết ngôn ngữ lập trình Fortran Program EFFICIENCY_NaI_POINT_SOURCE Real*8 muy,R,H,TotEff Integer*8 N Parameter (Nd=10) Real*8 d(Nd) !E = 661.66 muy = 0.27124799 R = 3.8 N = 199821691 H = 7.6 Open(400,file='input.txt') Do j=1,Nd Read(400,*) d(j) Enddo Open(500,file='TotEff.txt') Do j=1,Nd Call CalcTotEff(muy,R,d(j),N,H, TotEff) write(500,*) d(j), TotEff Enddo Close(500) 122 Subroutine CalcTotEff(muy,R,d,N,H, TotEff) Real*8 muy,R,H,d, TotEff integer*8 N Real*8 theta1, theta2, S, TS, q, delta theta1=datan(R/(H+d)) theta2=datan(R/d) TS=0.d0 Do i=1,N CALL RANDOM_NUMBER (q) ! q = cos(theta) If (q=dcos(theta1)) then delta=H/q S=1-dexp(-muy*delta) TS=TS+S Else delta=R/dsqrt(1-q**2)-(d/q) S=1-dexp(-muy*delta) TS=TS+S Endif 100 Endif Enddo TotEff=TS/dble(2*N) End subroutine 123 Phụ lục C Chương trình CoFiv tính toán thể tích tán xạ ngôn ngữ lập trình Fortran Integer*8 N,Nin Real*8 x, y, z, yphay, zphay, Zmin, Zmax, ZP, YP, V, l1, l2,error,e Real*8 z0, Z1, Z2, Z3, Z4, k1, k2, k3, tanalpha, tanbeta, theta,kc,d N = 1000000 Nin = V = 0.d0 z0 = 122.5d0 ! Khoang cach tu nguon den tam tan xa l1 = 122.5d0 ! Khoang cach tu nguon den tam tan xa l2 = 122.5d0 ! Khoang cach tam tan xa - detector pi=4.0*atan(1.0) a=1.27*pi/180.d0 kc=90.0d0 d=45.0d0 dk1=kc+d dk2=kc print*,dk1,dk2 tanalpha=tan(a) tanbeta=tanalpha open(10,file='test_d.dat') theta=90.0d0 theta=theta*pi/180.d0 124 ZP=l1+l2*cos(theta) YP=l2*sin(theta) Z1=(ZP*tan(theta+atan(tanbeta))-YP)/(tan(theta+atan(tanbeta))-tanalpha) Z2=(ZP*tan(theta+atan(tanbeta))-YP)/(tan(theta+atan(tanbeta))+tanalpha) Z3=(ZP*tan(theta-atan(tanbeta))-YP)/(tan(theta-atan(tanbeta))-tanalpha) Z4=(ZP*tan(theta-atan(tanbeta))-YP)/(tan(theta-atan(tanbeta))+tanalpha) print*,Z1,Z2,Z3,Z4 If (Z1>=Z2) then Zmax=Z1 Else Zmax = Z2 Endif If (Z3>=Z4) then Zmin=Z4 Else Zmin = Z3 Endif ! If (Zmax>=dk1) then Zmax=dk1 endif if (zmin[...]... độ chính xác cao thông qua giải pháp xử lý phổ tán xạ thu được với sự hiệu chỉnh đóng góp của thành phần tán xạ nhiều lần, chúng tôi thực hiện đề tài Nghiên cứu xác định bề dày thép C45 bằng phương pháp gamma tán xạ sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI( Tl)” 6 Mục tiêu của luận án là tìm ra cách thức xử lý phổ phù hợp để tách thành phần tán xạ nhiều lần ra khỏi phổ thực nghiệm nhằm nâng cao độ chính xác của... Một trong những lý do mà đầu dò nhấp nháy chưa được sử dụng trước đây để xác định bề dày vật liệu là do khi thực hiện phép đo tán xạ với loại đầu dò này, phổ tán xạ thu được “không tốt” khi so sánh với phổ tán xạ thu được bằng đầu dò HPGe Điều này dẫn đến kết quả tính toán bề dày vật liệu không chính xác Tuy nhiên, với việc đưa ra kỹ thuật xử lý phổ tán xạ phù hợp, nghiên cứu của luận án đã khắc phục... chọn) tán xạ ba lần và bốn lần cần phải được xem xét Tán xạ hai lần Tán xạ ba lần Tán xạ bốn lần Năng lượng (keV) Hình 1.8 Phổ tán xạ 2 lần, 3 lần và 4 lần với vật liệu tán xạ là ô-xi thu được bằng Cường độ (đơn vị tùy chọn) phương pháp Monte Carlo [27] Tán xạ hai lần Tán xạ ba lần Tán xạ bốn lần Năng lượng (keV) Hình 1.9 Phổ tán xạ 2 lần, 3 lần và 4 lần với bia tán xạ là nhôm thu được bằng phương pháp. .. tích vùng tán xạ với vật liệu có các bề dày d khác nhau 45 Bảng 2.4 Thể tích vùng tán xạ tại các vị trí đặt bia khác nhau 47 Bảng 2.5 Kết quả xác định diện tích đỉnh tán xạ theo thể tích tán xạ 49 Bảng 2.6 Kết quả xác định bề dày vật liệu bằng mô phỏng với  = 30o 54 Bảng 2.7 Kết quả xác định bề dày vật liệu bằng mô phỏng với  = 45o 55 Bảng 2.8 Kết quả xác định bề dày vật liệu bằng mô phỏng... tán xạ bằng phương pháp Monte Carlo Trong phần cuối của chương này, một số kết quả về việc xác định bề dày vật liệu sử dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược bằng phương pháp Monte Carlo được trình bày Chương 3 với tiêu đề “Hiệu chỉnh các thông số dùng trong mô phỏng Monte Carlo của hệ đo gamma tán xạ Theo đó, đầu tiên vấn đề hiệu suất tổng của đầu dò được nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng vận dụng đầu dò. .. rằng khi bề dày bia tăng lên, đóng góp của tán xạ nhiều lần càng đáng kể do đó sẽ làm sai lệch kết quả về cường độ tán xạ một lần Trong khi đó cường độ tán xạ một lần là đại lượng được sử dụng để tính toán bề dày của vật liệu do vậy tính chính xác đại lượng này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của phép đo bề dày vật liệu Xuất phát từ ý tưởng xác định bề dày vật liệu bằng cách sử dụng đầu dò NaI( Tl)... phương pháp gamma tán xạ Trong chương này, đầu tiên chúng tôi sẽ mô tả các thiết bị, vật liệu cần thiết đã được sử dụng cho mục đích nghiên cứu (nguồn phóng xạ, đầu dò, các tấm bia vật liệu,…) đồng thời giới thiệu cách bố trí thiết bị để đo bề dày Kế đến kỹ thuật xử lý phổ gamma cải tiến áp dụng cho việc phân tích phổ tán xạ để xác định bề dày vật liệu được trình bày Đây là kỹ thuật mà chúng tôi nghiên. .. số đầu vào của hệ đo (chủ yếu là các thông số kỹ thuật của đầu dò NaI( Tl)) cần phải đạt đến độ chính xác nhất định Do vậy để làm cơ sở cho việc sử dụng phương pháp Monte Carlo, các thông số kỹ thuật của đầu dò này sẽ được chúng tôi khảo sát và hiệu chỉnh thông qua việc xác định hiệu suất và hàm đáp ứng của đầu dò NaI( Tl) giữa mô phỏng và thực nghiệm Chương 4 với tiêu đề là Xác định bề dày vật liệu bằng. .. nói rằng luận án có ý nghĩa khoa học trong việc áp dụng thành công đầu dò nhấp nháy NaI( Tl) trong kỹ thuật gamma tán xạ ngược để xác định bề dày vật liệu với độ chính xác và độ tin cậy cao Ý nghĩa thực tiễn của luận án là cung cấp thêm một giải pháp xác định bề dày vật liệu ứng dụng trong công nghiệp với chi phí thấp bên cạnh các kỹ thuật đã được sử dụng hiện nay Trong quá trình thực hiện luận án này,... quả thực nghiệm xác định hiệu suất Việc so sánh này giúp đánh giá được khả năng làm việc của đầu dò NaI( Tl) Tiếp theo, chúng tôi sẽ nghiên cứu lý thuyết tán xạ để đưa ra biểu thức giải tích xác định bề dày vật liệu dựa vào cường độ tán xạ một lần của chùm photon tia gamma Công thức tính sai số của bề dày vật liệu đối với kỹ thuật này cũng được xác định Như đã đề cập ở trên, vấn đề tán xạ nhiều lần là ... TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HOÀNG ĐỨC TÂM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH BỀ DÀY THÉP C45 BẰNG PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ SỬ DỤNG ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI( Tl) Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân Mã... xác định bề dày vật liệu cách sử dụng đầu dò NaI( Tl) với độ xác cao thông qua giải pháp xử lý phổ tán xạ thu với hiệu chỉnh đóng góp thành phần tán xạ nhiều lần, thực đề tài Nghiên cứu xác định. .. Nghiên cứu xác định bề dày thép C45 phương pháp gamma tán xạ sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI( Tl)” 6 Mục tiêu luận án tìm cách thức xử lý phổ phù hợp để tách thành phần tán xạ nhiều lần khỏi phổ