LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và làm khóa luận tốt nghiệp tại bộ môn Vật lý Hạt
nhân thuộc khoa Vật lý- Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành
phố Hồ Chí Minh, em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình, những lời động viên,
những đóng góp ý kiến quý báu cũng như sự tận tụy truyền đạt kinh nghiệm và kiến
thức của các thầy cô, bạn bè và gia đình. Khoảng thời gian em học tập tại bộ môn là
khoảng thời gian vô cùng quý báu, em đã được học những kiến thức cơ bản về
chuyên môn, kỹ năng làm việc, khả năng tư duy cũng như những kinh nghiệm trong
cuộc sống. Sau khi hoàn thành khóa luận, em xin gửi lời cảm 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
cơ sở vật chất, trang thiết bị cần thiết để em có thể tiến hành thí nghiệm
nhanh và chính xác nhất.
 Thầy Trần Thiện Thanh, người hướng dẫn khoa học và là người thầy tận tình
giảng dạy, đóng góp ý kiến và những định hướng quan trọng để em hoàn
thành tốt khóa luận.
 Anh Võ Hoàng Nguyên đã chia sẻ những kinh nghiệm, đã đồng hành và hỗ
trợ kiến thức cũng như kỹ thuật khi em tiến hành thí nghiệm.
 Quý thầy cô phản biện và hội đồng khoa học đã dành thời gian đọc và cho ý
kiến đánh giá giúp khóa luận hoàn thiện hơn.
 Tập thể lớp 10VLHN đã giúp đỡ và tạo môi trường lành mạnh để tôi học tập.
 Gia đình tạo mọi điều kiện vật chất, tinh thần và luôn là điểm tựa để con vượt
qua khó khăn và sẻ chia niềm vui.
Tp.HCM, ngày 6 tháng 6 năm 2014

NGUYỄN HIỀN ĐĂNG
i

MỤC LỤC

ii

3.4. Nhận xét chương 3 40
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO 43
PHỤ LỤC 45

iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
HPGe
High Purity Germanium
Germanium siêu tinh khiết
MCA
MultiChannel Analyzer
Máy phân tích đa kênh
MCNP
Monte Carlo N Particles
Chương trình mô phỏng MCNP
MSF
Multiple Scattered
Fraction
Phần đóng góp của tán xạ nhiều lần
NDT
Non Destructive Testing
Kỹ thuật không phá hủy mẫu
USB

31
3.4
Hệ số phương trình đường thẳng được làm khớp loại ống chuẩn
trực đầu dò đường kính 3 cm
32
3.5
Diện tích đỉnh tán xạ một lần sử dụng ống chuẩn trực đầu dò
đường kính 9,5 cm
33
3.6
Hệ số phương trình đường cong bão hòa được làm khớp loại
ống chuẩn trực đầu dò đường kính 9,5 cm
34
3.7
Diện tích đỉnh tán xạ một lần vùng bão hòa loại ống chuẩn trực
đầu dò đường kính 9,5 cm
35
3.8
Hệ số phương trình đường thẳng được làm khớp loại ống chuẩn
trực đầu dò đường kính 9,5 cm
36
3.9
Diện tích đỉnh tán xạ một lần sử dụng chương trình MCNP
37
v

3.10
Hệ số phương trình đường cong bão hòa được làm khớp của
MCNP
37

Hộp chứ nguồn phóng xạ
137
Cs
15
2.3
Bản vẽ chi tiết hộp chứa nguồn
16
2.4
Bản vẽ chi tiết ống chuẩn trực nguồn
16
2.5
Bản vẽ chi tiết lắp ráp của khối nguồn
17
2.6
Hình ảnh khối nguồn thực tế
17
2.7
Đầu dò NaI(Tl)
18
2.8
Bản vẽ chi tiết khối đầu dò
19
2.9
Ống chuẩn trực đầu dò đường kính 3 cm
20
2.10
Chương trình Amptek ADMCA
20
2.11
Các bia tán xạ

Đồ thị phương trình đường thẳng loại ống chuẩn trực đầu dò
đường kính 3 cm
32
3.8
Đường cong bão hòa loại ống chuẩn trực đầu dò đường kính
9,5 cm
34
3.9
Đồ thị phương trình đường thẳng loại ống chuẩn trực đầu dò
đường kính 9,5 cm
35
3.10
Đường cong bão hòa bằng chương trình MCNP
36
3.11
Đồ thị phương trình đường thẳng bằng chương trình MCNP
38
3.12
Mẫu khuyết tật của bia thép và inox
39
1

MỞ ĐẦU
Ngày nay khoa học kỹ thuật ngày càng hiện đại, nên những hiểu biết của con
người về hạt nhân nguyên tử ngày càng nhiều. Chính vì thế, con người ngày càng
chủ động nắm bắt và ứng dụng chúng vào thực tiễn trong tất cả mọi lĩnh vực trong
cuộc sống: y học, quân sự, công nghiệp, khảo cổ…và đạt được nhiều thành tựu. Bên
cạnh đó cũng có những hạn chế: ô nhiễm môi trường, đột biến…nhưng lợi ích có
được là vô cùng lớn.
Việt Nam đang triển khai ứng dụng những thành tựu khoa học về hạt nhân

pháp gamma tán xạ ngược. Trình bày những lý thuyết liên quan đến phép đo tán xạ
ngược.
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: phổ gamma thu được
từ thực nghiệm tính toán tìm ra phương trình đường cong bão hòa. So sánh giá trị T
o

giữa thực nghiệm và mô phỏng, tính toán giá trị bề dày của vật liệu bị khuyết tật. 3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu về phương pháp gamma tán xạ ngược
Phương pháp gamma tán xạ ngược là phương pháp kiểm tra khuyết tật của sản
phẩm mà không cần phá hủy mẫu (NDT). Phương pháp này có những ưu điểm vượt
trội, vì vậy trên thế giới và trong nước có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng.
Phần lớn sử dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo và phân thành hai hướng:
- Ứng dụng gamma tán xạ ngược trong việc kiểm tra không phá hủy mẫu: phát

Manpreet Singh [9] và các cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của ống chuẩn trực
đầu dò và bề dày mẫu đối với tán xạ nhiều lần Compton. Các tác giả sử dụng nguồn
137
Cs phát gamma năng lượng 0,662 MeV có hoạt độ 22,2.10
10
Bq, đầu dò tinh thể
NaI(Tl) kích thước 51 mm x 51 mm, góc tán xạ 90
0
, các loại ống chuẩn trực có
đường kính từ 0,2 cm đến 6,5 cm, sử dụng nhôm dạng hình trụ làm bia tán xạ với
những đường kính từ 0,8 cm đến 7,98 cm. Kết quả cho thấy ảnh hưởng của tán xạ
nhiều lần rất quan trọng và có năng lượng tương đương với một quá trình tán xạ
Compton riêng lẻ, xác định được giá trị bề dày bão hòa của nhôm là không đổi đối
với các loại ống chuẩn trực 7 cm, và đưa ra hệ số đóng góp của tán xạ nhiều lần
trên tổng các loại tán xạ (MSF).
1.1.2. Nghiên cứu trong nước về phương pháp gamma tán xạ
Nhóm tác giả Trương Thị Hồng Loan, Phan Thị Quý Trúc, Đặng Nguyên
Phương, Trần Thiện Thanh, Trần Ái Khanh, Trần Đăng Hoàng [2] sử dụng chương
trình MCNP để mô phỏng phổ gamma tán xạ ngược đối với bia nhôm dùng đầu dò
HPGe, nguồn
192
Ir và
60
Co hoạt độ 3,7.10
10
Bq. Các tác giả đã khảo sát các góc tán
xạ khác nhau từ 60
0
đến 120
0

quả thực nghiệm và mô phỏng trong khoảng 3,3%-15,5%.
Hoàng Đức Tâm và các cộng sự [6] nghiên cứu sự phụ thuộc cường độ chùm
tia gamma tán xạ ngược 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 120
0
, 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 nhỏ lớn (hơn 10%).
1.2. Lý thuyết tán xạ
1.2.1. Phép đo gamma tán xạ ngược
Gamma tán xạ ngược là hiện tượng các tia gamma va chạm với các electron
bên trong vật liệu bị tán xạ ngược trở lại so với phương ban đầu. Một phép đo
gamma tán xạ ngược được mô tả với ba thành phần chính: nguồn bức xạ phát
gamma, bia tán xạ và đầu dò ghi nhận bức xạ.
Nguồn phát bức xạ gamma thường được sử dụng trong phép đo là các nguồn
đồng vị phóng xạ như:
241
Am,
137
Cs,
60
Co,
192
Ir,
65

năng lượng của lượng tử gamma so với ban đầu, năng lượng ban đầu của lượng tử
gamma được truyền cho electron và lượng tử gamma tán xạ. Mối liên hệ giữa năng
lượng lượng tử gamma tán xạ Compton, năng lượng lượng tử gamma tới và góc tán
xạ θ theo công thức sau:

2
E
E=
E
1+ (1-cosθ)
mc

(1.1)
trong đó:
E: năng lượng lượng tử gamma tới bia.
E'
: năng lượng lượng tử gamma sau khi tán xạ Compton.
m: khối lượng electron.
θ: là góc tán xạ.
c: vận tốc ánh sáng.

Hình 1.2. Tán xạ Compton
Các lượng tử gamma tán xạ nhiều lần có năng lượng nằm trong miền liên tục
từ năng lượng của lượng tử gamma tới E trở xuống. Theo nghiên cứu của
8

Fernández[8], sự đóng góp của tán xạ hai lần gồm: Compton – Compton, Compton
– Rayleigh, Rayleigh – Compton, Rayleigh – Rayleigh được chỉ rõ. Trong đó tán xạ
Rayleigh – Rayleigh chỉ đóng góp một mức năng lượng rời rạc bằng với năng lượng
E tia lượng tử gamma tới. Sự phân bố phổ năng lượng của tán xạ

dạng tương tự nhau, phổ năng lượng liên tục trải dài từ
2
E
2E
1+
mc
đến E và có năng
lượng đạt cực đại tại năng lượng bằng với năng lượng tán xạ Compton một lần. Như
vậy sự đóng góp tán xạ Compton – Rayleigh, Rayleigh – Compton gây ra sự khó
khăn trong việc đánh giá các sự kiện tán xạ một lần, vì sự chồng chập của chúng là
không phân biệt được trên phổ tán xạ.
Ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần lên phổ tán xạ sẽ làm giảm độ chính xác của
phép đo, đặc biệt đối với phép đo có thời gian ghi nhận ngắn hoặc cường độ lượng
tử gamma tới nhỏ. Để khắc phục điều này, ta làm tăng tỉ số giữa tán xạ một lần trên
tán xạ nhiều lần được ghi nhận trong phép đo bằng cách giảm độ rộng của ống
chuẩn trực của đầu dò. Trong khóa luận tác giả sử dụng ống chuẩn trực có đường
kính 3 cm cho đầu dò.
1.3. Xác định bề dày và phương trình đường cong bão hòa
Trong phương pháp đo tán xạ ngược bức xạ gamma thì cường độ bức xạ phụ
thuộc: mật độ vật chất lớp tán xạ, năng lượng chùm tia tới E, hoạt độ nguồn phóng
xạ, bề dày của liệu vật tán xạ, mật độ khối của vật chất, bậc số nguyên tử Z của vật
chất và bố trí hình học của phép đo. Ta sẽ xét quá trình tán xạ của gamma lên vật
liệu, quá trình này được chia làm ba giai đoạn [10]:
9

 Giai đoạn 1: Gamma từ nguồn đi đến điểm tán xạ P (đường α) Hình 1.3. Quá trình tán xạ một lần của gamma lên vật liệu
Sự suy giảm cường độ được tính bởi công thức:

0
e
2 1 0
dσ E ,Ω
I = I S E ,θ,Z dΩρ V
dΩ
(1.4)
trong đó:
dσ(E
0
,Ω)/dΩ: tiết diện tán xạ vi phân được tính theo công thức Klein-
Nishina.
S(E
0
,θ,Z) là hàm tán xạ incoherent.
10

e
Z
ρ = ρN
A
là mật độ electron tại điểm tán xạ.
 Giai đoạn 3: Gamma sau khi tán xạ tại điểm tán xạ P đi qua vật liệu
x'
và
đến đầu dò theo đường β
 
32
μE
I = I exp - ρx'





(1.6)
Đặt:
 
 
0
00
dσ E ,Ω
Z
k = I S E ,θ,Z dΩN V
dΩA
(1.7)
Biểu thức (1.6) được viết lại:

 
 
0
μE
μE
I = kρexp - ρx exp - ρx'
ρρ













=
 
 
T
0
0
12
μE
μE
t' t'
kρ exp - ρ exp - ρ dt'
ρ cosθ ρ cosθ















(1.9)
Đặt:
 
 
 
 
0
12
0
12
μE
μE
1-exp - secθ + secθ ρT
ρρ
f =
μE
μE
ρ secθ + secθ
ρρ










I = kfρ
(1.12)
là cường độ mà đầu dò nhận được.
Trong thực tế cường độ chùm tia tán xạ còn phụ thuộc vào các góc
1
θ
,
2
θ
(
1
θ
góc hợp bởi chùm tia bức xạ tới và bia,
2
θ
góc hợp bởi chùm tia tán xạ đến đầu dò
và bia). Nếu bề dày vật liệu càng lớn thì ảnh hưởng của các góc
1
θ
,
2
θ
đến sự tính
toán càng lớn, dẫn đến sai số lớn. Ngược lại khi bề dày vật liệu nhỏ so với khoảng
cách từ đầu dò và nguồn đến bề mặt vật liệu thì có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của các
góc
1
θ
,
2

1
1
I (P)
-1
T = ln 1 - 1 - exp(-ηT)
η I(P)



(1.14)
Nếu hàm
1
T
chỉ phụ thuộc vào biến
I(P)
và
1
I (P)
thì sai số của
1
T
là:
 
2
22
1
1
1
I (P)
1 - exp(-ηT)

η
(cm
-1
) là hệ số suy giảm.
T (cm) là bề dày vật liệu.
I là cường độ tán xạ một lần.
s
I
là hệ số.
Phương trình (1.17) là phương trình đường cong bão hòa. Phương trình là
một hàm e mũ phụ thuộc vào sự thay đổi của bề dày T, khi T tăng thì cường độ bức
xạ cũng tăng, và khi tăng đến giá trị T
o
thì cường độ tán xạ không thay đổi, nếu tiếp
tục tăng bề dày lên nữa thì cường độ tán xạ vẫn không thay đổi. Giá trị T
o
chính là
giá trị bão hòa, và ta chỉ có thể xác định được những giá trị T thấp hơn T
o
mà
phương pháp gamma tán xạ ngược mang lại.
Sai số của bề dày T khi tính từ phương trình (1.17):

2 2 2
s
2
s
2
ss
ss

pháp có thể cho kết quả chính xác.
13

CHƯƠNG 2
HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC
Hệ đo gamma tán xạ ngược tác giả tiến hành thực nghiệm tại bộ môn Vật lý
Hạt nhân khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Cách
bố trí thí nghiệm của hệ đo gamma tán xạ ngược [6] gồm: vị trí nguồn, vị trí đầu dò,
vị trí bia tán xạ được sắp xếp sao cho góc tán xạ là 120
0
, các ống chuẩn trực nguồn,
đầu dò và che chắn sao cho phép đo chính xác nhất được thiết kế như Hình 2.1.

Hình 2.1. Bố trí hệ đo gamma tán xạ ngược
14

Với cách bố trí thí nghiệm và các bộ phận của hệ đo như Hình 2.1, ta sẽ lần
lượt nói rõ hơn về chi tiết cấu tạo từng bộ phận. Hệ đo được chia làm 4 phần lớn:
- Khối nguồn gồm: nguồn phóng xạ, hộp chứa nguồn và ống chuẩn trực nguồn.
- Khối đầu dò gồm: đầu dò, ống chuẩn trực đầu dò và các lớp che chắn.
- Bia tán xạ: tấm thép C45 dạng phẳng.
- Hệ cơ giá đỡ.
2.1. Khối nguồn
Nguồn phóng xạ được sử dụng là nguồn đồng vị
137
Cs hoạt độ 5 mCi do hãng
Eckert & Zieler sản xuất ngày 18/04/3013. Nguồn phóng xạ được nén thành viên
hình trụ và được bọc kín bởi hai lớp vỏ thép, lớp vỏ bên ngoài có dạng hình trụ
đường kính 0,6 cm, chiều dài 0,8 cm [4] (Hình 2.2), và đặc trưng phát photon của
nguồn phóng xạ

định, cho nên nguồn phóng xạ được đặt bên trong hộp chứa nguồn kết hợp với sử
dụng ống chuẩn trực để thu hẹp chùm tia đi từ nguồn đến bia, điều này sẽ làm tăng
độ chính xác của phép đo với việc hạn chế những ảnh hưởng đã nói như trên.
Trong thực nghiệm cũng cần lưu ý đến sự an toàn của người làm thực nghiệm.
Vì thế hộp chứa nguồn cần phải đảm bảo suất liều xung quanh hộp thấp hơn suất
liều giới hạn đối với dân thường. Với những yêu cầu như vậy, hộp chứa nguồn được
thiết kế như sau: hộp chứa nguồn được làm từ vật liệu chì, có dạng hình trụ đường
kính 22 cm, chiều dài 24 cm, hộp có hai lỗ đồng trục từ hai đầu của hộp lần lượt
đường kính 3 cm và 5 cm, độ sâu 14 cm và 10 cm.
16 Hình 2.3. Bản vẽ chi tiết hộp chứa nguồn
Ống chuẩn trực nguồn là một khối rỗng bằng chì chiều dài 20 cm, đường kính
trong 1 cm, đường kính ngoài 5 cm. Ống sẽ được đưa vào hộp chứa nguồn từ phía
trước của hộp, khít với lỗ 5 cm của hộp được tạo ra. Phần nhô ra ngoài bên ngoài
của ống chuẩn trực so với hộp nguồn là 10 cm sau khi được lắp.

Hình 2.4. Bản vẽ chi tiết ống chuẩn trực nguồn
Nguồn phóng xạ được gắn vào đầu thanh thép hình trụ đường kính 3 cm, dài
25 cm, ở đầu thanh có khoan một lỗ hình trụ đường kính 0,6 cm và sâu 0,8 cm.
Thanh thép được lắp vào hộp chứa nguồn từ phía sau hộp, sao cho nguồn phóng xạ
17

hướng về phía trước. Ống chuẩn trực nguồn gắn từ phía trước của hộp chứa nguồn
như Hình 2.5[4].

Hình 2.5. Bản vẽ chi tiết lắp ráp của khối nguồn
Hình ảnh thực tế của khối nguồn: