Sử dụng các nguồn bức xạ kiểm tra khuyết tật mối hàn đo chiều dày vật liệu

Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, các nguồn bức xạ được sử dụng ngày càng nhiều trong hàng loạt các lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, sinh học, y học, khảo cổ, tạo vật liệu mới, kiểm tra khuyết tật mối hàn, đo chiều dày vật liệu, xử lý nâng cao về chất lượng sản phẩm. Vì vậy, việc sử dụng các nguồn bức xạ ngày càng trở nên thường xuyên và phổ biến hơn.

Hiện nay có nhiều phương pháp kiểm tra khuyết tật mối hàn hay các loại máy đo chiều dày sản phẩm mà không cần phá hủy mẫu (Non-Destructive Testing – NDT) như phương pháp truyền qua, chụp ảnh phóng xạ mối hàn, siêu âm, … cho kết quả nhanh chóng với độ chính xác cao. Tuy nhiên, trong một số trường hợp thực tế các phương pháp trên không được áp dụng mà thay thế vào đó là phương pháp tán xạ, đặc biệt là tán xạ ngược được dùng và mang lại độ chính xác cao không kém hơn các phương pháp khác.

Hiện nay, phép đo chiều dày vật liệu dựa trên hiệu ứng gamma tán xạ ngược được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ở nước ta, như ở các nhà máy giấy với việc sử dụng hệ đo chuyên dụng dùng nguồn phóng xạ beta hay gamma mềm. Ưu điểm của phương pháp này là đo chiều dày vật liệu chỉ cần dùng một phía của vật liệu (nguồn phóng xạ và detector ở cùng môt phía) thuận lợi trong hệ thống băng chuyền công nghiệp, tốt với vật liệu nhẹ.

Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển của máy tính chương trình mô phỏng vận chuyển bức xạ bằng phương pháp Monte-Carlo ngày càng được sử dụng rộng rãi. Điều này gắn liền yêu cầu của thực tế vì các thí nghiệm trong các lĩnh vực hạt nhân phức tạp và chi phí cho thí nghiệm tốn kém.

Tuy nhiên về mặt lý thuyết, việc hiểu bản chất một cách trực quan về hiệu ứng tán xạ Compton còn là điều khó khăn đối với học viên khi tiến hành các bài thực tập về đo cường độ và chiều dày vật liệu sử dụng bức xạ tán xạ. Vì vậy, để hỗ trợ và so sánh với kết quả đo thực nghiệm, trong luận văn này đã áp dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng Monte Carlo bằng chương trình MCNP (Monte Carlo N-Particles) đối với phép đo chiều dày một số liệu nhẹ khác nhau dựa trên hiệu ứng bức xạ gamma tán xạ ngược.

Với mục đích nêu trên bao gồm các vấn đề :

Trình bày tương tác của bức xạ gamma với vật chất và các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tia gamma tán xạ ngược.

Giới thiệu phương pháp Monte Carlo, trình bày đặc điểm về chương trình MCNP và trình bày phương pháp Monte Carlo trong mô phỏng tương tác của photon với vật chất của chương trình MCNP.

Giới thiệu chi tiết về hệ đo chuyên dụng MYO-101 thuộc Phòng thí nghiệm Trung tâm Đào tạo - Viện nghiên cứu hạt nhân, Đà Lạt. Sử dụng chương trình MCNP để mô phỏng hệ đo

MYO-101. Sau đó đo thực nghiệm chiều dày các vật liệu nhẹ trên hệ đo và kiểm chứng với kết quả tính toán bằng MCNP.

TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT

Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua vật chất máy đo chiều dày

Bức xạ gamma có bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng E cao hàng chục keV đến hàng chục MeV có khả năng xuyên sâu rất lớn. Bức xạ gamma được phát ra khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản trong những quá trình hạt nhân khác nhau. Các nhân phóng xạ xác định phát ra các bức xạ gamma có năng lượng xác định, năng lượng cao nhất có

Tia gamma có mối nguy hiểm bức xạ cao về mặt an toàn bức xạ máy đo chiều dày. Do có độ xuyên sâu lớn nên có thể gây nguy hiểm đáng kể ở khoảng cách khá xa nguồn. Các tia tán xạ cũng gây nguy hiểm vì thế khi che chắn phải quan tâm đến mọi hướng. Tia gamma gây tổn hại cho các mô, bao trùm cả cơ thể do đó những mô nhạy cảm với bức xạ sẽ bị tổn hại khi con người có mặt trong trường gamma ngoài. So với bức xạ alpha và beta, tia gamma nguy hiểm hơn về mặt chiếu ngoài nhưng chiếu trong thì kém hơn vì quãng chạy lớn nên năng lượng truyền cho một thể tích nhỏ của mô là nhỏ.

Khi đi qua vật chất, bức xạ gamma bị mất năng lượng do ba quá trình chính là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp.

Khi đi xuyên qua vật chất, bức xạ gamma tương tác với các nguyên tử môi trường, tức là với các electron và hạt nhân. Bức xạ gamma bị vật chất hấp thụ do tương tác điện từ. Tuy nhiên cơ chế của quá trình hấp thụ bức xạ gamma khác với các hạt tích điện do hai nguyên nhân. Thứ nhất, lượng tử gamma không có điện tích nên không chịu ảnh hưởng của lực Coulomb tác dụng xa. Tương tác của lượng tử gamma với electron xảy ra trong miền với bán kính cỡ 10^-13 m tức là nhỏ hơn 3 bậc kích thước nguyên tử. Vì vậy khi qua vật chất lượng tử gamma ít va chạm với các electron và hạt nhân, do đó ít lệch khỏi phương bay ban đầu của mình. Thứ hai, khối lượng nghỉ của gamma bằng không nên không có vận tốc khác với vận tốc ánh sáng. Điều này có nghĩa là lượng tử gamma không bị làm chậm trong môi trường. Nó hoặc bị hấp thụ, hoặc bị tán xạ và thay đổi phương bay [10].

Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các hạt tích điện (như bức xạ alpha, bức xạ beta,…). Các hạt tích điện có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong lúc đó bức xạ gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn. Do đó đối với lượng tử gamma không có khái niệm quãng chạy.

Các cơ chế tương tác của tia gamma với vật chất máy đo chiều dày

Tương tác của lượng tử gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hoá trực tiếp như hạt tích điện. Tuy nhiên khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron-positron, rồi các electron này gây ion hóa môi trường.
Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.

Hiệu ứng quang điện khi sử dụng máy đo chiều dày

Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng gamma được truyền toàn bộ cho các electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử (Hình 1.4). Eletron này được gọi là quang electron (Photoelectron). Quang electron nhận được động năng E_e, bằng hiệu số giữa năng lượng gamma tới E và năng lượng liên kết _lk của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra.

Hiệu ứng Compton

Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu hiệu ứng Compton. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma và tán xạ gamma lên electron có thể coi như tán xạ với electron tự do. Tán xạ này là tán xạ Compton, là tán xạ đàn hồi của gamma tới với các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Sau tán xạ lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử.

Hiệu ứng tạo cặp electron-positron

Nếu gamma tới có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng tĩnh của electron (2m_ec² = 1,022 MeV) thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron – positron. Đó là hiệu ứng tạo cặp electron-positron.
Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào đó để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn. Quá trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron. Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân khoảng 1000 lần.

Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất

Khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng chính xảy ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, và hiệu ứng tạo cặp electron-positron. Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá trình này bằng:

Hệ số suy giảm tuyến tính

Công thức (1.3) I = I₀e^-^x mô tả sự suy giảm của chùm tia gamma hẹp và đơn năng. Hệ số suy giảm tuyến tính μ tỉ lệ với tiết diện tương tác  nên nó bằng tổng các hệ số suy giảm tuyến tính
do các hiệu ứng quang điện μphoto , hiệu ứng Compton μCompton và hiệu ứng tạo cặp μpair

Trong miền năng lượng trung bình, hệ số suy giảm tuyến tính chủ yếu do hiệu ứng Compton đóng góp.

Lý thuyết tán xạ gamma

Khi một chùm gamma có cường độ ban đầu I₀ chiếu vào một môi trường phẳng bán vô hạn, chúng tương tác với môi trường đó theo các hiệu ứng quang điện, tạo cặp và tán xạ Compton. Phần

lớn các hạt trong chùm tia tới bị hấp thụ ở những độ sâu khác nhau, số còn lại chịu sự tán xạ một lần hay nhiều lần để rồi quay lại môi trường ban đầu. Cường độ chùm tia phản xạ I thoát ra khỏi bề mặt vật chất luôn nhỏ hơn cường độ chùm tia ban đầu khi đi vào vật chất.
Trong phương pháp tán xạ ngược bức xạ gamma thì cường độ của bức xạ gamma tán xạ phụ thuộc vào nhiều thành phần: mật độ vật chất lớp tán xạ, năng lượng chùm tia tới E₀, hoạt độ nguồn phóng xạ, góc tán xạ, bề dày lớp vật chất tán xạ, bậc số nguyên tử Z của vật chất tán xạ và cách bố trí hình học của phép đo.

Sự phân bố năng lượng tia tán xạ ngược

Trong phổ bức xạ gamma tán xạ có 2 thành phần: một thành phần ứng với tán xạ một lần và một thành phần ứng với tán xạ nhiều lần. Năng lượng bức xạ gamma ứng với một thành phần cứng là ứng với tán xạ Compton một lần ở góc tán xạ _S cho trước còn bức xạ mềm do tán xạ nhiều lần, đa số thường có năng lượng nhỏ hơn. Tỷ số cường độ của các thành phần đó thường khác nhau và phụ thuộc vào góc chiếu xạ ₀ và vật liệu tán xạ. Khi tăng Z của môi trường tán xạ, cường độ của thành phần mềm giảm đi do tiết diện của hiệu ứng quang điện tăng lên (tỷ lệ với Z⁴, Z⁵), trong khi tiết diện của tán xạ Compton chỉ tăng theo Z.

Sự phụ thuộc cường độ tia tán xạ vào góc tới

Khi góc tới tăng lên thì cường độ tia tán xạ tăng, có thể giải thích bằng hai nguyên nhân

Khi góc tới tăng lên thì độ sâu của mặt phản xạ giảm đi, do đó quãng đường đi tự do trung bình của tia phản xạ trước lúc rời khỏi bề mặt của lớp phản xạ cũng giảm đi. Điều đó làm cho xác suất tán xạ ngược Compton tăng nên cường độ tia tán xạ cũng tăng.

Ngoài ra sự tăng cường độ tia tán xạ khi góc tới tăng còn phụ thuộc vào sự thay đổi tương đối góc  của tia tán xạ. Cường độ tia tán xạ đạt cực đại khi  = 0, giảm dần khi  tăng lên và đạt cực tiểu khi  = 180⁰.

Sự phụ thuộc cường độ tia tán xạ vào năng lượng tia tới

Khi tăng năng lượng bức xạ gamma E₀ từ 100 keV lên 10 MeV thì cường độ tia tán xạ giảm đi đối với các vật chất tán xạ nhẹ (số Z nhỏ). Đối với các môi trường có nguyên tử số Z trung bình và nguyên tử số Z lớn thì sự giảm cường độ tia tán xạ ở vùng năng lượng thấp khi giảm E₀ là do hiệu ứng quang điện gây nên. Khi E₀ lớn hơn năng lượng ngưỡng của hiệu ứng tạo cặp (E₀ > 1,022 MeV) thì phải tính đến sự đóng góp của bức xạ hủy hạt.

Sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ ngược vào bề dày vật chất máy đo chiều dày

Các lớp tán xạ càng mỏng thì sự đóng góp tương đối của tia gamma tán xạ một lần càng lớn vào phổ tán xạ. Đối với một loại vật chất tán xạ nhất định (mật độ không đổi), khi tăng bề dày của lớp vật chất tán xạ, cường độ chùm tia tán xạ cũng tăng lên nhưng không phải tăng một cách tuyến tính. Khi tăng bề dày lớp vật chất tán xạ đến một giới hạn nào đó thì cường độ chùm tia tán xạ ngược sẽ bão hòa. Ở giới hạn đó, các tia tán xạ đều bị hấp thụ hết trước khi đến bề mặt lớp phản xạ. Với vật chất có mật độ  càng lớn thì bề dày để làm cho cường độ chùm tia tán xạ ngược đến mức bão hòa càng bé. Điều này có thể giải thích vì khi vật chất tán xạ có mật độ  càng lớn thì xác xuất va chạm giữa lượng tử gamma của chùm bức xạ tới với các điện tử trong nguyên tử để xảy ra tán xạ càng lớn.

Xem thêm : Hướng dẫn sử dụng máy chụp ảnh phóng xạ mối hàn