MỞ ĐẦU Bè dày vật liệu là thông số kỹ thuật quan trọng đề kiểm tra và đánh giá các sản phẩm, máy móc được sản xuất trong các nhiều lĩnh vực như luyện kim, xây dựng hay cơ khí. Ví dụ như trong việc sản xuất các tắm thép, độ dày sẽ ảnh hưởng đến độ cứng và độ bên của thép, do đó quy trình kiểm tra bè day là cần thiết dé dam bảo chất lượng của thép thành phẩm. Hay trong lĩnh vực xây dựng che chắn các phòng chụp X-quang, chiếu xạ ở bệnh viện, bề dày của các tường bê tông cần được xác định chính xác để đảm bảo yêu cầu che chắn bức xạ theo tiêu chuẩn. Hiện nay, nhiều kỹ thuật kiểm tra không tiếp xúc và khé phá hủy đã được phát triển dé đánh giá bề day cúa vật liệu dang tam.
Các kỳ thuật này có nguyên tắc hoạt động dựa trên sóng siêu âm [1], chụp ảnh nhiệt hồng ngoại [2], dòng điện xoáy [3], bức xạ tia X [4] hay tia gamma,. Việc lựa chọn kỹ thuật nào phụ thuộc vào đối tượng đo và các điều kiện thực tế tại hiện trưởng. Trong các kỹ thuật nói trên, kỹ thuật kiểm tra không hủy mẫu dya trên nguyên lý truyền qua hay tán xạ của tia gamma có các ưu điểm như bồ trí hệ đo thực nghiệm đơn giản, hệ đo có thé hoạt động liên tục mà ít bị ảnh hưởng bởi yếu tổ môi trường như nhiệt độ. chi phí vận hành và bảo trì thấp.
phù hợp với nhiều loại vật liệu khác nhau (kim loại, nhựa, bê tông,. Thực tế các kỹ thuật do gamma truyền qua hay tán xạ đã được đánh giá và đạt độ chính xác tốt trong phép đo bề dày trong các nghiên cứu khác nhau [5], [6]. Tuy nhiên, trong cùng một điều kiện vẻ nguồn phóng xạ và cau hình đo, phép đo bẻ dày bằng kỹ thuật gamma truyền qua tiết kiệm nhiều thời gian hơn so với kỹ thuật đo gamma tán xạ đo cường độ chùm tỉa truyền qua lớn hơn đáng kẻ so với chùm tia tin xạ. Từ đó có thé thay rang kỹ thuật đo truyền qua sẽ thích hợp với yêu cau đo bề day vật liệu với tốc độ nhanh, liên tục trong công nghiệp hơn là kỹ thuật đo tán xạ.
Các nghiên cứu trước đây đã phát triển kỹ thuật do truyền qua cho bé day cho một số loại vật liệu khác nhau dựa trên việc tìm mdi liên hệ giữa cường độ chùm tia truyền qua và bê đày vật liệu. Mối liên hệ này được mồ tả qua một đường chuân tuyến tính được xây dựng dựa trên hàng dữ liệu đo bẻ dày khác nhau của vật liệu. Đề giảm bớt chi phí và thời gian cho các phép đo thực nghiệm, một số nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng Monte Carlo dé mô phỏng lại các phép do va sử dụng dữ liệu mô phỏng dé xây dựng đường chuẩn [7]. Cách tiếp cận đã được ứng dụng thành công và cho thay sự phù hợp tốt giữa dữ liệu thực nghiệm và mô phóng.
đồng thời kết qua dự đoán 2 từ đường chuẩn được xây dựng cho thấy độ chính xác tốt với các kết qua đối chiếu. cách sử dụng đường chuan có hạn chế lớn là mỗi đường chuẩn xây dựng chỉ có thé sử dung cho một loại vật liệu. Vì vậy, khi muốn áp dụng để đo bề day của nhiều loại vật liệu khác nhau thì cách tiếp cận nảy đòi hỏi nhiêu thời gian dé xây dựng đường chuẩn cho mỗi loại vật liệu. Chúng tôi dé xuat một phương pháp tiếp cận mới dựa trên các thuật toán học máy để có thê đo bê day cho nhiều loại vật liệu khác nhau dựa trên kỹ thuật đo gamma truyền qua.
Các mô hình học máy đã và đang là một xu thé được ứng dung trong các nghiên cứu về ky thuật kiêm tra không hủy dé xác định mật độ hay nông độ của chất lỏng [8], [9], tính toán nông độ nguyên tổ [10], xác định bề day của các ông thép dẫn dau [1 1]. Trong cach tiép can dé xuất, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình dựa trên mối liên hệ về cường độ chùm tia, thành phan và khối lượng riêng của mỗi vật liệu với bè day với cơ sở dit liệu được huấn luyện từ mô phỏng Monte Carlo. Sau đỏ mô hình được dùng dé dự đoán cho một số loại vật liệu quen thuộc và được đánh giá dựa trên việc so sánh với giá trị tham khảo và các phương pháp khác. TƯƠNG TAC CUA BỨC XA GAMMA VỚI VAT CHAT 1.
Bức xa gamma Khoảng năm 1900, trong khi dang nghiên cứu bức xa phat ra từ radium, nhà vật lý học người Pháp Paul Villard (1860 — 1934) đã phát hiện ra “tia gamma”. Tên “tia gamma” được “cha đẻ của vật lý hạt nhân” Ernest Rutherford (1871-1937) đặt tên vào năm 1903. có kha nang đâm xuyên rat lớn. Bức xạ gamma thường được tạo ra khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản trong các quá trình hạt nhân khác nhac nhau như phân rã alpha, phân rã beta hoặc lò phản hạt nhân,.Các nhân phóng xạ xác định phát ra bức xạ gamma có năng lượng cao nhất có thé từ 8 MeV — 10 MeV.
Bức xạ gamma có năng lượng được xác định bằng công thức: B=hu=S° 11 Khi bức xạ gamma đi qua vật chất sẽ gặp phải quá trình hấp thụ thông qua tương tác điện từ, tương tự như các hạt tích điện như alpha và beta. Tuy nhiên, có hai điểm khác biệt đáng chú ý trong quá trình này. Thứ nhất, bởi vì không mang điện tích nên bức xạ gamma không chịu tác động của luc Coulomb, vì vậy lượng tử gamma ít bị lệch hướng, do các electron và hạt nhân ít ảnh hưởng đến lượng tử gamma, Thứ hai, bức xa gamma không có khối lượng nghỉ, do đó không bị làm chậm trong môi trường vật chất như các hạt tích điện. Thay vào đó, nó có thé bị hap thụ, tán xạ hoặc thay đôi hướng di chuyên.
Trong khi các hạt tích điện có quãng chạy hữu hạn khi di qua vat chất, lượng tử gamma chỉ trải qua suy giảm về cường độ mà không bị hap thụ hoàn toàn, do đó không có khái niệm về quãng chạy cho bức xạ gamma. Các hiệu ứng tương tác của tỉa gamma với vật chất Khi tia gamma chiếu vào vật chat, tia gamma tương tác với các nguyên tử, làm birt electron ra khỏi quỹ đạo nguyên tử và ion hóa môi trường. Có ba dạng tương tác cơ bản của tia gamma với nguyên tử, bao gồm hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng sinh cặp electron — positron, [12] 1. Hiệu ứng quang điện Khi chiếu tia gamma có bước sóng thích hợp vào kim loại.
xảy ra hiện tượng electron ở bề mặt kim loại bị bứt ra gọi là hiệu ứng quang điện. Đối với các electron tự do thì cơ chế quang điện này không xảy ra vì vi phạm định luật bảo toản năng lượng và động lượng. Các electron bứt ra gọi là quang electron và có năng lượng FE, bằng hiệu số giữa năng lượng gamma Ey và năng lượng liên kết 2, của electron trên lớp vỏ trước khi bi but ra (hình 1.2) trong do: e - Ƒ„ là năng lượng của quang electron e E, là năng lượng của bức xạ gamma « - £ là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân Điều kiện để xảy ra hiệu ứng quang điện sẽ tùy thuộc vào năng lượng bức xạ gamma. Electron ở từng lớp trên quỹ đạo của nguyên tử có nang lượng không giống nhau.
So sánh năng lượng liên kết giữa các lớp, ta được biểu thức: Eu_w > Em. > Dựa vào công thức (1.2) dé hiệu ứng quang điện xảy ra thì năng lượng của gamma vào ít nhất phải bằng năng lượng liên kết của electron. Mô hình hiệu ứng quang điện 1. Tán xạ Compton Tán xạ Compton được khám phá ra từ đầu thế kỉ 20, vào năm 1920 [14], là sự tương tác giữa chùm gamma với các electron tự đo ở quỹ đạo ngoài cùng nguyên tử.
5 Trai ngược với hiệu ứng quang điện, khi năng lượng của bức xa gamma lớn hon đáng kể so với năng lượng electron trong lớp K, bức xạ gamma xem các electron ở quỹ đạo như electron tự do và quá trình tán xa xảy ra. Trong quá trình này, gamma tắn xạ tương tác dan hồi với electron lớp ngoài. làm mat một phần năng lượng và thay đồi phương bay [12]. Năng lượng cua photon va electron sau tắn xạ được tính toán dựa trên co sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi ta thu được lần lượt các công thức sau [12]: 7 1 (1.3) i vis all—cose) E.4) ®— Y1+øz(1—cos@) Trong đó © E’, là năng lượng của photon sau tan xa e E, là năng lượng của photon tới ® E, là năng lượng của electron sau tan xạ e la góc tan xạ của gamma Hình 1.
Mô hình hiệu ứng Compton 6 1. Hiệu ứng tạo cặp electron — positron Khi một photon có năng lượng lớn hon hai lần năng lượng nghỉ của electron (1022 KeV) thì hiệu ứng tạo cặp xay ra. Kết quả của hiệu ứng tạo cặp là photon tạo ra một cap electron - positron khi di qua lực điện trường của hạt nhân. Sau khi được tạo ra, electron mat dan năng lượng dé ion hóa các nguyên tử xung quanh, trong khi positron tương tác với clectron của nguyên tứ, dẫn đến hiện tượng hủy cặp electron — positron và có hai bức xạ gamma mang năng lượng 51 IKeV bay ngược chiều nhau được sinh ra ngay sau sự hủy cặp đó.
Hệ số suy giảm khối của vật liệu trong tương tác với bức xạ Trong môi trường, bức xạ sẽ bị suy giảm, để ghi nhận được ta quan tâm đến xác suất xảy ra của ba quá trình là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp electron — positron. Đại lượng tiết diện tương tác toàn phần ø là tông tiết điện của tat cả các quá trình tương tác giữa photon và vật chất được thẻ hiện qua công thức [L2]: Ø = đạa + 0, + địc (1.5) Trong đó: © đa là tiết diện tương tác của hiệu ứng quang điện eo, là tiết điện tương tác của tán xa Compton © Gre là tiết diện tương tác của hiệu ứng tạo cặp electron — positron Khi nhân tiết điện vi mô với nguyên tử N có trong 1cm? ta được hệ số suy giảm tuyến tính [12]: II =N.6) Trong đó pe là hệ số suy giảm tuyến tính. Hệ số suy giảm tuyến tính được biéu diễn qua hệ số suy giảm khối. Hệ số suy giảm khối không phụ thuộc và mật độ chất và có thể áp dụng với các dang vật chất như ran, lỏng, khí.
Hệ số suy giảm khối được tính boi công thức (1.7) Trong đó: © „là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu (cm).