A rapid method using the gamma scattering technique to estimate the pipe-line thickness
- Department of Nuclear Physics, Faculty of Physics and Engineering Physics, University of Science, Ho Chi Minh city, Vietnam
- Vietnam National University, Ho Chi Minh city, Vietnam
- Nuclear Technique Laboratory, University of Science, Ho Chi Minh city, Vietnam
Abstract
In measurements to detect defects inside the materials by gamma-scattered technique, the single scattering intensity was often noticed. However, the spectrum processing to determine single scattering intensities was time consuming, which was detrimental to quick tests. This study aimed to use the total scattering intensity to determine the thickness of the material. In experimental measurements, the total scattering intensity can be determined directly without spectrum processing, thereby shortening the sample inspection time. To calculate the thickness of the material, the total scattering intensity ratio R = Ix/IRef was used. A standard curve of R against the material thickness was built from simulation data using MCNP6. The gamma scattering measurement system used a NaI(Tl) detector, a radioactive source 137Cs, the scattering targets were steel pipes with an outer diameter of 273 mm, a scattering angle of 120o. Based on the standard curve of R, the thickness of the real steel pipes was ditermined by experimental gamma scattering. The results showed that the thickness of steel pipes was determined with a deviation of less than 4% compared to reality. In addition, the calculations also showed that the saturation thickness of steel for the total scattering intensity was significantly larger than that of the single scattering intensity, thereby extending the limit on the thickness of the samples to be measured.
MỞ ĐẦU
Hướng nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo gamma tán xạ vào việc kiểm tra không phá hủy nhằm đánh giá các đặc trưng của vật liệu đã và đang thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Nhiều công trình nghiên cứu được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín đã chứng minh tính khả thi và độ chính xác của kỹ thuật đo này trong các ứng dụng như: đo bề dày của vật liệu1, 2, 3, phát hiện và đánh giá ăn mòn, khuyết tật trên bề mặt vật liệu kim loại4, 5, 6, 7; kiểm tra vết nứt, lỗ rỗng trong bê tông xây dựng 8; đo mật độ khối lượng và xác định mặt phân cách giữa hai môi trường có mật độ khác nhau 9, 10, 11. Trong đó, một số nghiên cứu đã chỉ ra kỹ thuật gamma tán xạ cho kết quả phân tích có độ chính xác tương đương hoặc tốt hơn so với các kỹ thuật gamma truyền qua, chụp ảnh phóng xạ và chụp gamma cắt lớp12, 13. Bên cạnh đó, một vài nghiên cứu gần đây cũng đang hướng đến việc ứng dụng kỹ thuật gamma tán xạ trong kiểm tra không phá hủy với nguồn phóng xạ có hoạt độ thấp, nhằm hạn chế sự ảnh hưởng của các tia bức xạ đối với người sử dụng6, 14, 15, 16. Những kết quả ban đầu cũng đã cho thấy tính khả thi của việc dùng nguồn phóng xạ hoạt độ thấp. Điều này chứng minh rằng, kỹ thuật gamma tán xạ là một công cụ hiệu quả trong kiểm tra không phá hủy cần được tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện.
Trong các phép đo gamma tán xạ nhằm phát hiện khuyết tật bên trong vật liệu, thành phần tán xạ một lần thường được chú ý hơn các thành phần tán xạ nhiều lần2, 3, 15. Nguyên nhân là do thể tích tán xạ của thành phần tán xạ một lần (vùng không gian giao cắt bên trong bề dày của bia giữa trường chiếu của nguồn phóng xạ và trường thu của đầu dò) nhỏ hơn đáng kể so với các thành phần tán xạ nhiều lần. Tuy nhiên, các tính toán dựa trên cường độ tán xạ một lần thường yêu cầu một quá trình xử lý phổ tương đối phức tạp. Trong những trường hợp cần xác định bề dày của những vật thể có độ dày đồng đều thì thể tích tán xạ nhỏ không còn là một lựa chọn ưu tiên. Do đó, việc xác định bề dày bằng cường độ tán xạ tổng mang lại lợi thế về thời gian tính toán. Huỳnh Đình Chương và cộng sự 16 đã đề xuất một phương pháp tính bề dày các tấm vật liệu phẳng dựa trên tỉ số cường độ tán xạ tổng. Các tác giả đã tính toán bề dày của các tấm nhôm phẳng dày 7,0–35,2 mm. Theo đó, sai lệch lớn nhất so với thực tế là 6,2%. Trong các hệ thống công nghiệp, các đường ống dẫn thường có đường kính lớn và trong nhiều trường hợp là đủ lớn để có thể bỏ qua độ cong của thành ống và xem thành ống như một tấm phẳng đối với các phép đo tán xạ gamma. Ngoài ra các ăn mòn phổ biến trên thành ống cũng có kích thước lớn và khiến bề dày thành ống tại vị trí ăn mòn giảm đi một cách đồng đều thay vì tạo thành các vết nứt có kích thước nhỏ. Do đó, phương pháp sử dụng tỉ số cường độ tán xạ tổng nói trên có thể áp dụng để xác định các vị trí bị ăn mòn trên thành ống. Nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng áp dụng của phương pháp nói trên đối với các đối tượng hình ống có đường kính lớn, được dùng rất nhiều trong các đường ống công nghiệp. Bên cạnh đó, các khảo sát đối với các kích thước khác nhau của ống chuẩn trực đầu dò cũng được xem xét.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Chương trình mô phỏng
Chương trình MCNP là phần mềm sử dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng các quá trình vật lí hạt nhân đối với các hạt sơ cấp như neutron, photon và electron. Chương trình mô phỏng các quá trình tương tác của bức xạ với vật chất và được nghiên cứu và phát triển bởi Trung tâm thí nghiệm quốc gia Los Alamos. Phần mềm MCNP6 là phiên bản hợp nhất của MCNP và MCNPX, có thể mô tả được 37 loại hạt được sử dụng. Kết quả mô phỏng là một phổ tán xạ tổng và không thể tách được các thành phần tán xạ đơn thành phần17. Trong khi đó, chương trình mô phỏng GEANT4 lại có thể tách được các phổ thành phần như tán xạ một lần, hai lần và trên hai lần, từ đó có thể đánh giá được ảnh hưởng của các phổ tán xạ tổng. Chương trình GEANT4 tiến hành tạo lớp xác định tương tác của các hạt: có vai trò thiết lập các thông tin cần ghi nhận, cụ thể là xác định loại tương tác của hạt tới trên bia tán xạ trong mỗi sự kiện mô phỏng, từ đó ghi nhận những sự kiện có xảy ra tán xạ của hạt tới trên bia. Việc theo dõi quá trình tương tác của hạt tới được thiết lập ở lớp này thông qua bởi một mã lệnh thực hiện chức năng ghi nhận tương tác của người dùng từ đó thu được phổ tán xạ riêng biệt được ghi nhận bởi đầu dò18.
Thực nghiệm
Hệ đo tán xạ gamma được sử dụng trong nghiên cứu này gồm một nguồn phóng xạ Cs hoạt độ 5 mCi, một đầu dò NaI(Tl) có kích thước tinh thể 7,62 cm × 7,62 cm và các bia tán xạ là các ống thép C45 có đường kính ngoài 273 mm (đây là loại ống thương mại có kích thước lớn nhất có thể tiếp cận và vận chuyển một cách đơn giản). Các phép đo được bố trí với góc tán xạ 120. Ở góc tán xạ này, tuy cường độ tán xạ tổng không được tối ưu nhưng về mặt bố trí hệ đo lại tương đối dễ dàng. Do đó, cách bố trí hệ đo mang tính ngẫu nhiên càng cho thấy ý nghĩa của việc sử dụng cường độ tán xạ tổng để tính toán nếu kết quả đủ tốt so với dùng tán xạ một lần. Đầu dò được đặt bên trong các ống chuẩn trực có đường kính chuẩn trực lần lượt là 20 mm, 30 mm và 40 mm. Figure 1 mô tả bố trí thực nghiệm của hệ đo tán xạ gamma.
Mô hình bố trí thực nghiệm đo tán xạ gamma
Trước khi tiến hành các phép đo thực nghiệm cũng như các tính toán liên quan đến bề dày của bia tán xạ, tiến hành so sánh giữa cường độ tán xạ một lần và cường độ tán xạ tổng về sự biến thiên theo độ dày của bia tán xạ. Để có được thông tin về cường độ tán xạ một lần và cường độ tán xạ tổng, chương trình GEANT4 được sử dụng để mô phỏng hệ đo nói trên. Nhờ đặc điểm của chương trình GEANT4, đã có thể thu được cường độ tán xạ một lần, nhiều lần và tổng một cách trực tiếp mà không qua xử lý phổ. Từ so sánh này có thể thấy được những ưu thế khi sử dụng cường độ tán xạ tổng để tính bề dày vật liệu so với cường độ tán xạ một lần.
Để tính toán bề dày của vật liệu, sử dụng tỉ số R16:
trong đó: là cường độ tán xạ tổng của bia có độ dày x
là cường độ tán xạ tổng của bia chuẩn
Một đường chuẩn của R theo bề dày vật liệu x được xây dựng bằng số liệu mô phỏng sử dụng chương trình MCNP6. Phương trình đường chuẩn có dạng:
Để xây dựng đường chuẩn, x được thay đổi từ 2 mm tới 22mm. Các hệ số A và B thu được từ quá trình làm khớp đường chuẩn R bằng dữ liệu mô phỏng bằng chương trình MCNP6. Dựa vào đường chuẩn đó để tính bề dày của các ống thép thực tế bằng thực nghiệm đo tán xạ gamma. Các ống thép thực tế có độ dày từ 1,94 mm đến 12,0 mm, trong đó bia 12,0 mm được chọn làm bia chuẩn. Bề dày12,0 mm được chọn làm chuẩn để thỏa mãn 2 điều kiện: phải nhỏ hơn bề dày bão hòa và cường độ tán xạ trên bề dày chuẩn phải đủ tốt về mặt thống kê.
Phương trình (2) có thể viết lại như sau:
Công thức (3) được sử dụng để tính bề dày của các ống thép thực tế sau khi đo được cường độ tán xạ tổng và suy ra R tương ứng. Sai số bề dày được xác định bởi công thức:
Trong đó, là sai số tại bề dày x; là sai số của tỉ số R.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả khảo sát và so sánh bằng GEANT4
Table 1 trình bày dữ liệu khảo sát cường độ tán xạ một lần và cường độ tán xạ tổng bằng GEANT4. Dữ liệu này được dùng để xây dựng các đường cong bão hòa 3, 15 được trình bày trong Figure 2.
Phương trình đường cong bão hòa có dạng3, 15:
Theo đó, phương trình đường cong bão hòa của tán xạ một lần và tán xạ tổng lần lượt là:
Cường độ tán xạ một lần và cường độ tán xạ tổng khảo sát bằng GEANT4
|
Bề dày bia (mm) |
Cường độ tán xạ một lần (Số đếm) |
Cường độ tán xạ tổng (Số đếm) |
|
2 |
28751 ± 170 |
39244 ± 198 |
|
4 |
46067 ± 215 |
73509 ± 271 |
|
6 |
56891 ± 239 |
100994 ± 318 |
|
8 |
63442 ± 252 |
121917 ± 349 |
|
10 |
67261 ± 259 |
137946 ± 371 |
|
12 |
69958 ± 264 |
149960 ± 387 |
|
14 |
71683 ± 268 |
159138 ± 399 |
|
16 |
72413 ± 269 |
166022 ± 407 |
|
18 |
73103 ± 270 |
170840 ± 413 |
|
20 |
74124 ± 272 |
175033 ± 418 |
|
22 |
74501 ± 273 |
178276 ± 422 |
Từ phương trình đường cong bão hòa, bề dày bão hòa được tính theo công thức 15:
Kết quả tính được các bề dày bão hòa tương ứng là: mm và mm.
Các phương trình (6) và (7) cho thấy đường cong bão hòa của cường độ tán xạ tổng có độ dốc lớn hơn hẳn cường độ tán xạ một lần. Do đó, việc tính bề dày của vật liệu bằng cường độ tán xạ tổng sẽ giảm thiểu được ảnh hưởng của sai số thống kê. Ngoài ra, kết quả tính các bề dày bão hòa cũng cho thấy cường độ tán xạ tổng có bề dày bão hòa lớn hơn so với tán xạ một lần. Bề dày bão hòa lớn hơn sẽ cho phép mở rộng giới hạn đo của các phép đo kiểm tra bề dày vật liệu.
Xây dựng đường chuẩn R sử dụng cường độ tán xạ tổng bằng MCNP6
Đường cong bão hòa của các thành phần tán xạ khảo sát bằng GEANT4
Kết quả khảo sát
|
Bề dày ống thép (mm) |
Đường kính chuẩn trực 20 mm |
Đường kính chuẩn trực 30 mm |
Đường kính chuẩn trực 40 mm | |||
|
Cường độ tán xạ tổng |
R |
Cường độ tán xạ tổng |
R |
Cường độ tán xạ tổng |
R | |
|
2 |
77667 ± 279 |
0,2689 ± 0,0028 |
105572 ± 325 |
0,2771 ± 0,0025 |
134654 ± 367 |
0,2949 ± 0,0024 |
|
3 |
114840 ± 339 |
0,3975 ± 0,0036 |
151485 ± 389 |
0,3976 ± 0,0031 |
191845 ± 438 |
0,4202 ± 0,0029 |
|
4 |
147021 ± 383 |
0,5089 ± 0,0042 |
192622 ± 439 |
0,5056 ± 0,0036 |
242811 ± 493 |
0,5318 ± 0,0034 |
|
5 |
170992 ± 414 |
0,5919 ± 0,0047 |
228815 ± 478 |
0,6006 ± 0,0041 |
287687 ± 536 |
0,6301 ± 0,0039 |
|
6 |
195222 ± 442 |
0,6758 ± 0,0051 |
260685 ± 511 |
0,6843 ± 0,0045 |
326799 ± 572 |
0,7157 ± 0,0042 |
|
7 |
216589 ± 465 |
0,7498 ± 0,0055 |
288655 ± 537 |
0,7577 ± 0,0048 |
360840 ± 601 |
0,7903 ± 0,0045 |
|
8 |
235174 ± 485 |
0,8141 ± 0,0058 |
312669 ± 559 |
0,8207 ± 0,0051 |
390329 ± 625 |
0,8549 ± 0,0048 |
|
9 |
251565 ± 502 |
0,8708 ± 0,0061 |
333681 ± 578 |
0,8759 ± 0,0054 |
415785 ± 645 |
0,9106 ± 0,0050 |
|
10 |
266022 ± 516 |
0,9209 ± 0,0064 |
351789 ± 593 |
0,9234 ± 0,0056 |
437719 ± 662 |
0,9587 ± 0,0052 |
|
11 |
278322 ± 528 |
0,9635 ± 0,0066 |
367466 ± 606 |
0,9645 ± 0,0058 |
456583 ± 676 |
1,0000 ± 0,0054 |
|
12 |
288876 ± 537 |
1,0000 ± 0,0068 |
380979 ± 617 |
1,0000 ± 0,0059 |
456589 ± 676 |
1,0000 ± 0,0054 |
|
13 |
297385 ± 545 |
1,0295 ± 0,0069 |
392671 ± 627 |
1,0307 ± 0,0060 |
487172 ± 698 |
1,0670 ± 0,0057 |
|
14 |
306287 ± 553 |
1,0603 ± 0,0071 |
403022 ± 635 |
1,0579 ± 0,0062 |
499435 ± 707 |
1,0938 ± 0,0058 |
|
15 |
313321 ± 560 |
1,0846 ± 0,0072 |
411829 ± 642 |
1,0810 ± 0,0063 |
510120 ± 714 |
1,1172 ± 0,0059 |
|
16 |
319508 ± 565 |
1,1060 ± 0,0073 |
419629 ± 648 |
1,1014 ± 0,0064 |
519332 ± 721 |
1,1374 ± 0,006 |
|
17 |
324829 ± 570 |
1,1245 ± 0,0074 |
426324 ± 653 |
1,1190 ± 0,0064 |
527419 ± 726 |
1,1551 ± 0,0060 |
|
18 |
329392 ± 574 |
1,1403 ± 0,0075 |
432073 ± 657 |
1,1341 ± 0,0065 |
534320 ± 731 |
1,1702 ± 0,0061 |
|
19 |
333142 ± 577 |
1,1532 ± 0,0076 |
437098 ± 661 |
1,1473 ± 0,0066 |
540272 ± 735 |
1,1833 ± 0,0061 |
|
20 |
337026 ± 581 |
1,1667 ± 0,0076 |
441463 ± 664 |
1,1588 ± 0,0066 |
545565 ± 739 |
1,1949 ± 0,0062 |
|
21 |
339977 ± 583 |
1,1769 ± 0,0077 |
445204 ± 667 |
1,1686 ± 0,0067 |
550067 ± 742 |
1,2047 ± 0,0062 |
|
22 |
342587 ± 585 |
1,1859 ± 0,0077 |
448449 ± 670 |
1,1771 ± 0,0067 |
554086 ± 744 |
1,2135 ± 0,0063 |
Các kết quả từ Table 2 trình bày quy luật thay đổi của tỉ số R theo bề dày thành ống, được thể hiện qua 3 phương trình (9), (10) và (11). Theo đó, R tăng dần theo bề dày thành ống như một quy luật. Tuy nhiên tỉ số R của mỗi bề dày ở 3 kích thước ống chuẩn trực lại không có sự thay đổi rõ rệt. Các hệ số của các phương trình đường chuẩn (9), (10), (11) cũng có sự tương đồng nhất định. Điều này dự báo về tính ổn định của tỉ số R khi thay đổi kích thước của ống chuẩn trực đầu dò. Trong các nghiên cứu tiếp theo, sẽ tiến hành các thí nghiệm để kiếm chứng nhận định này.
Dựa vào Table 2, phương trình đường chuẩn R đối với các ống chuẩn trực 20 mm, 30 mm, 40 mm được xác định lần lượt là:
Kết quả tính bề dày các ống thép thực tế
Sau khi có được các phương trình đường chuẩn R, các phép đo thực nghiệm được tiến hành trên các ống thép để thu được cường độ tán xạ tổng và lập tỉ số với ống thép dày 12,0 mm để tính tỉ số R, từ đó tính toán lại bề dày của các ống thép và so sánh với thực tế sử dụng thước kẹp điện tử có sai số là 0,01 mm. Các kết quả tính được trình bày trong Table 3. Kết quả tính toán trong Table 3 cho thấy phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu này có khả năng xác định bề dày các ống thép với sai số và độ sai biệt rất nhỏ so với thực tế. Sai biệt lớn nhất được ghi nhận là 4% với duy nhất một trường hợp bia dày 1,94 mm với ống chuẩn trực 20 mm, các trường hợp còn lại đều có sai biệt dưới 2,5%.
Kết quả xác định bề dày các ống thép bằng thực nghiệm
|
Đường kính ống chuẩn trực |
Bề dày thực tế (mm) |
R |
Bề dày tính toán (mm) |
Độ sai biệt (%) |
Độ sai biệt trung bình (%) |
|
20 mm |
1,94 ± 0,01 |
0,2850 ± 0,0031 |
2,02 ± 0,04 |
4,0 |
1,2 |
|
3,82 ± 0,01 |
0,4836 ± 0,0043 |
3,80 ± 0,07 |
0,5 | ||
|
4,91 ± 0,01 |
0,5893 ± 0,0049 |
4,94 ± 0,09 |
0,7 | ||
|
5,86 ± 0,01 |
0,6607 ± 0,0053 |
5,82 ± 0,11 |
0,7 | ||
|
6,98 ± 0,01 |
0,7519 ± 0,0058 |
7,09 ± 0,14 |
1,6 | ||
|
7,97 ± 0,01 |
0,8091 ± 0,0061 |
8,01 ± 0,16 |
0,6 | ||
|
8,96 ± 0,01 |
0,8669 ± 0,0065 |
9,07 ± 0,19 |
1,2 | ||
|
9,91 ± 0,01 |
0,9097 ± 0,0067 |
9,95 ± 0,22 |
0,4 | ||
|
30 mm |
1,94 ± 0,01 |
0,2742 ± 0,0026 |
1,90 ± 0,03 |
2,1 |
1,1 |
|
3,82 ± 0,01 |
0,4957 ± 0,0038 |
3,87 ± 0,06 |
1,2 | ||
|
4,91 ± 0,01 |
0,5921 ± 0,0042 |
4,91 ± 0,08 |
0,0 | ||
|
5,86 ± 0,01 |
0,6751 ± 0,0046 |
5,94 ± 0,10 |
1,3 | ||
|
6,98 ± 0,01 |
0,7597 ± 0,0050 |
7,14 ± 0,12 |
2,3 | ||
|
7,97 ± 0,01 |
0,8119 ± 0,0053 |
7,99 ± 0,14 |
0,3 | ||
|
8,96 ± 0,01 |
0,8593 ± 0,0055 |
8,86 ± 0,16 |
1,2 | ||
|
9,91 ± 0,01 |
0,9083 ± 0,0057 |
9,86 ± 0,19 |
0,5 | ||
|
40 mm |
1,94 ± 0,01 |
0,3002 ± 0,0025 |
1,98 ± 0,03 |
2,1 |
1,4 |
|
3,82 ± 0,01 |
0,5219 ± 0,0035 |
3,88 ± 0,05 |
1,5 | ||
|
4,91 ± 0,01 |
0,6148 ± 0,0039 |
4,84 ± 0,06 |
1,4 | ||
|
5,86 ± 0,01 |
0,7074 ± 0,0043 |
5,94 ± 0,08 |
1,4 | ||
|
6,98 ± 0,01 |
0,7738 ± 0,0046 |
6,85 ± 0,10 |
1,9 | ||
|
7,97 ± 0,01 |
0,8375 ± 0,0049 |
7,84 ± 0,12 |
1,7 | ||
|
8,96 ± 0,01 |
0,8973 ± 0,0051 |
8,90 ± 0,14 |
0,7 | ||
|
9,91 ± 0,01 |
0,9500 ± 0,0054 |
9,98 ± 0,16 |
0,7 |
KẾT LUẬN
Nghiên cứu này đã cho thấy khả năng ứng dụng phương pháp tính bề dày vật liệu dựa vào cường độ tán xạ tổng và tỉ số R có thể áp dụng cho các ống thép. Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong các phép đo khảo sát tại hiện trường nhờ vào lợi điểm không cần xử lý phổ tán xạ gamma, cường độ tán xạ tổng có thể thu được một cách dễ dàng bằng cách sử dụng một bộ phân tích đơn kênh. Nhờ đó, kết quả thu được nhanh chóng, đơn giản và có chi phí thấp.
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MCNP6: Monte Carlo N Particles version 6
GEANT4: Geometry And Tracking version 4
XUNG ĐỘT LỢI ÍCH
Nhóm tác giả cam kết không mâu thuẫn quyền lợi và nghĩa vụ của các thành viên.
ĐÓNG GÓP CỦA CÁC TÁC GIẢ
Võ Hoàng Nguyên thiết kế nghiên cứu, viết bài báo.
Huỳnh Đình Chương, Huỳnh Thanh Nhẫn, Lê Thị Thu Thảo chế tạo các thiết bị và đo đạc thực nghiệm.
Nguyễn Hữu Bảo, Nguyễn Duy Thông viết tập tin mô phỏng và chương trình làm khớp số liệu.
Trần Thiện Thanh tìm kiếm nguồn tài trợ, chỉnh sửa bài báo.
Châu Văn Tạo chỉnh sửa bài báo.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) trong khuôn khổ Đề tài mã số VL2020-18-02.