Chương 1 TONG QUAN VE KỸ THUẬT ĐO _ GAMMA VA UNG DUNG CUA MO HINH MANG NEURON NHAN TAO TRONG KY THUAT KIEM TRA KHONG HUY MAU 1.1 Ky thuật kiểm tra không huỷ mẫu Kỹ thuật kiểm tra không huỷ mẫu (NDT) là một phương pháp kiểm tra cấu trúc, tính chất của vật liêu mà không làm hỏng hoặc phá hủy mẫu kiểm tra. Tuy theo nguồn phát được sử dụng mà kỹ thuật NDT có nhiều ứng dụng như sử dụng sóng siêu âm để xác định khả năng chịu lực uốn của gỗ Gmelina [9], sử dụng X-quang để đánh giá hiện tượng rang đôi ở răng sữa và các bat thường liên quan đến rang vĩnh viễn [ 10], sử dụng tia gamma để đo mật độ dung dich [7], hay bẻ dày của vật liệu [11]. Việc sử dụng nguồn phát gamma có một số ưu điểm so với những phương pháp khác. Thứ nhất, do tia gamma có khả năng đâm xuyên lớn, vì vậy tia gamma có khả nang thâm nhập tốt vào bên trong mẫu, cho phép xác định chat lượng và tính chất của các lớp vật liệu mà không cần phải xử lý vật liệu trước đó.
Thứ hai, việc sử dụng tia gamma có độ chính xác cao, thích hợp để sử dụng với nhiều mục dich khác nhau. Bên cạnh đó, do không phải tiếp xúc với mẫu và không có chất thải độc hại nên việc sử dụng tia gamma an toàn cho người sử dụng, không gây ảnh hưởng đến môi trường. Hai kỹ thuật đo dùng nguồn phát gamma thường được sử dung là kỹ thuật đo gamma truyền qua và kỹ thuật do gamma tan xa. Một điều đáng chú ý là kỹ thuật do gamma truyền qua có thời gian do ngắn hơn đáng kể so với kỹ thuật do gamma tan xạ khi sử dụng cùng nguồn phóng xa và loại đầu đò.
Do đó, kỹ thuật đo gamma truyền qua có ưu thé trong việc đo các đại lượng trong một thời gian nhanh và liên tục.2 Ky thuật đo gamma 1.1 Bức xa gamma Tia gamma (ký hiệu là y) là một trong những bức xa điện từ, có ban chất giống như tia X, bức xa tử ngoại, bức xa hồng ngoại và sóng vô tuyến. So với những bức xa khác trong phổ điện từ, tia gamma có năng lượng lớn nhất. Tia gamma được phát hiện vào khoảng năm 1900 bởi nhà vật lý người Pháp Paul Villard (1860 - 1934) và được đặt tên là "tia gamma" (hay “gamma ray") vào nam 1903 bởi nhà vật lý người New Zealand Ernest Rutherford (1871 - 1937). Bức xa gamma được tạo ra từ các vật thé giàu năng lượng trong vũ trụ, như sao neutron, sao xung (hay pulsar), hoặc từ vụ nổ siêu tân tinh hay các khu vực xung quanh lỗ đen.
Ở Trái Dat, các nguỗn phát ra bức xa gamma là các vụ nổ hạt nhân hay từ phản ứng phân rã các đồng vị phóng xạ có trong tự nhiên. Bức xạ gamma mang bản chất là sóng điện từ có năng lượng lớn, từ hàng chục keV đến hàng chục MeV. Năng lương của bức xa gamma được xác định bằng công thức: _ he E=hv= Ầ (1.1) Khi đi qua vật chất, bức xa gamma cũng bị vật chất hấp thụ thông qua tương tác điện từ giống như các hạt tích điện khác như là alpha, beta. Tuy nhiên, việc hấp thụ bức xạ gamma của vật chat so với việc hắp thu các hạt tích điện khác có sự khác biệt ở hai điểm.
Đầu tiên, do không mang điện tích nên bức xạ gamma không chịu ảnh hưởng của lực Coulomb. Vi vậy, lượng tử gamma ít bị ảnh hướng bởi các electron và hạt nhân, do đó lượng tử gamma ít bị lệch khỏi phương truyền ban dau. Thứ hai, lượng tử gamma không có khối lượng nghỉ nên không bị làm chậm bởi môi trường vật chat, nó chỉ có thể bị hắp thụ, tán xạ hoặc thay đổi phương truyền. Các hạt tích điện có bản chất hạt nên khi truyền qua vật chất, chúng có quãng chạy hữu hạn.
Đối với lượng tử gamma, chúng chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia mà không bi hap thu hoàn toàn, vi vậy lượng tử gamma không có khái niệm quảng chạy. Khi chiều tia gamma vào vật chat, tia gamma tương tác với các nguyên tử, làm bứt electron quỹ dao ra khỏi nguyên tử và ion hóa môi trường. Có ba dạng tương tac cơ bản của gamma với nguyên tử, bao gồm hiệu ứng quang điện. hiệu ứng Compton và hiệu ứng sinh cap electron — positron.2 Cac hiệu ứng tương tác của tia gamma với vật chat.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là hiện tượng các electron ở bể mặt kim loại được giải thoát khi chiếu tia gamma có bước sóng thích hợp chiều vào kim loại.
Einstein đã chi ra rằng hiệu ứng quang điện không thể giải thích được bằng lý thuyết sóng ánh sáng, nhưng lại có thé giải thích một cách dé dang nêu như giải thích theo thuyết photon. Khi hạt photon mang năng lượng e va cham với các clectron ở các lớp vỏ nguyên tử, các electron này hap thụ hoàn toàn năng lượng của photon. Một phan lượng năng lượng mà electron hap thu sẽ chuyển thành công thoát A giúp electron thoát ra ngoài kim loại, phan còn lại chuyển thành động năng ban đầu của electron. Động nang ban dau của electron càng lớn néu electron nằm càng gan bé mặt kim loại và đạt cực đại khi electron nam ở bể mat kim loại.
Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có: he 1. = A+ Waga, + hV = > = A+ 2PVhay (1. + re se=hVv= rN Năng lượng của photon tới. ° Snax: Động năng ban dau cực dai của electron.
e A: Công thoát của electron. Phương trình (1.2) được gọi là phương trình Einstein. Dựa vào phương trình này, ta có thể giải thích được các hiện tượng liên quan đến hiệu ứng quang điện. Mô hình hiệu ứng quang điện.2 Hiệu ứng Compton Khi nang lượng của tia gamma lớn hơn năng lương liên kết ở mức K rất nhiều thi ảnh hưởng của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể, thay vào đó là ảnh hưởng của hiệu ứng tan xạ Compton.
Hiệu ứng tan xa Compton là hiền tương tan xạ đàn hỏi của hạt photon với các electron nằm ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Sau tán xạ, hat photon mat một phan năng lượng và lệch khỏi phương truyền ban dau, cùng với đó electron được giải phóng khỏi liên kết với nguyên tử. [12] Khi chiều một chùm tia gamma có bước sóng tới A vào vật liệu, ngoài vạch phổ ứng với giá tri bước sóng tới  còn xuất hiện vạch phổ ứng với bước sóng A‘ có giá trị lớn hơn A. Các kết quả thực nghiệm cho thấy bước sóng tán xa A’ không phụ thuộc vào vật liệu mà phụ thuộc vào góc tán xạ Ø.
Độ ting của bước sóng chùm bức xạ được xác định băng công thức: [13] AA=A'-Az= Ac.3) Trong đó: j 2 ®Âc = = =0, 0243A: Bước sóng Compton.107*'kg: Khối lượng của electron. 8 ˆ £ + + ec: Vận toc anh sáng.10°**Js: Hang số Planck. Mô hình hiệu ứng Compton.3 Hiệu ứng sinh cap electron — positron Nếu chùm tia gamma có năng lượng lớn hơn gap đôi năng lượng nghỉ của electron (1022 keV) thì khi di qua điện trường của hạt nhân, nó sẽ sinh ra một cap electron — positron. Vi positron mang điện tích đương nên khi gặp electron của nguyên tử, điện tích của chúng trung hòa, dẫn đến hiện tượng hủy cặp electron — positron, Kết quả của hiện tượng hủy cặp là hai hat photon bay ngược chiều nhau, mỗi hạt có năng lượng 511 keV.3 Su suy giảm cường độ bức xa gamma 1.1 Chùm tia gamma hẹp Khi một chùm tia gamma hẹp đã chuẩn trực có cường độ Jp đi qua mot lớp vật chất có bề day là 7 (cm), mật đô của môi trường là p (g.
chùm tia truyền qua vật liệu ghi nhân được ở dau dò có cường độ suy giảm theo hàm e mũ khi néng độ của dung dịch tăng. Theo định luật Beer — Lambert, cường độ của chùm tia khi di qua một lớp vật liệu dT được tính như sau: dĩ = —tldT > e = —udT (1.4) Lay tích phân của phương trình (1.4) với cận trên là 7, cận dưới là 0, ta thu được: I = leexp(—HT) = laexp(— H„pT) (1.5) Trong đó: e T là bẻ day vật liệu (cm). ® Jy là cường độ tia gamma ban dau. e / là cường độ tia gamma sau khi truyền qua vật liệu có bẻ day 7.
e 1 là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liêu (emr!). © Lm là hệ số suy giảm khối của vật liệu (cm2g Ì). Theo công thức (1.5), suy ra công thức tính hệ số suy giảm tuyến tính: I I 1.2, Chùm tia gamma rộng Khi chùm tia tới đầu đò là chùm bức xa gamma không chuẩn trực, đầu do ghi nhận các tia truyền qua mà không phân biệt các bức xạ gamma tán xạ một lần hoặc gamma tán xạ nhiều lan. Đóng góp chủ yếu trong thành phan tán xạ nhiều lần là tan xạ Compton nhiều lần rồi quay lại chùm gamma ban dau.
Khi đó, công thức (1.5) được hiệu chỉnh như sau: I = lọB(E,Z)exp(— H„pT) (1.7) Trong đó, hệ số B(E,Z) được gọi là hệ số đóng góp, đặc trưng cho số photon tán xạ nhiều lan. giá trị của hệ số B được xác định bằng tỉ số giữa cường độ chùm tia gamma truyền qua vật liệu đến dau dò (1,) và cường độ chùm tia gamma không chuẩn 10 trực đến dau đò (/„): B=— (1.8) Từ công thức (1.8), rút ra được giá trị của 8 luôn lớn hơn hoặc bằng 1. [14] Để hạn chế tối da các tia tan xa nhiều lần có thể đi vào trong đầu dò, trước đầu dd thường có một ông chuẩn trực. Trong bố trí thí nghiệm của khóa luân nguồn có ống chuẩn trực có đường kính 0, 5cm.
Vì thé, có thé xem chùm tia tới là chùm tia hẹp song song. hệ số có thể xem như bang 1.4 Sự suy giảm của chùm tia gamma khi đi qua dung dịch Khi chùm tia gamma truyền qua mẫu dung dịch muối trong hộp, cường độ của chùm tia gamma truyền qua mẫu được tính theo công thức (1.9) Trong đó t„ và fy, lần lượt là hệ số suy giảm tuyến tính của dung dịch muỗi và của hộp, Ty, và 7}, lần lượt là b dày của mẫu dung dịch muối và của hộp. Diện tích đỉnh truyền qua ghi nhận bởi đầu dò trong trường hợp tia gamma truyền qua mẫu đựng dung địch muỗi và trong trường hợp không có mẫu dung dịch được tính như sau: Nadi = loŒetexp [— Mn Tin) exp [—21T)) (1.11) Trong đó: £ là hiệu suất dinh năng lượng toàn phan của dau dò với gamma truyền qua, œ là tiết điện của tia gamma, t (giây) là thời gian ghi nhân của đầu dò. Tỉ số R được định nghĩa như sau: N.