Nghiên cứu mật độ chất lỏng bằng kỹ thuật gamma tán xạ

Science & Technology Development, Vol 20, No.T1- 2017 
Trang 106 
Nghiên cứu mật độ chất lỏng bằng kỹ thuật 
gamma tán xạ 
 Võ Thạch Trung Kiên 
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 
 Hoàng Đức Tâm 
Trường Đại học Sư Phạm TPHCM 
 Võ Hoàng Nguyên 
 Huỳnh Đình Chƣơng 
 Trần Thiện Thanh 
 Châu Văn Tạo 
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 
( Bài nhận ngày 12 tháng 09 năm 2016 nhận đăng ngày 10 tháng 04 năm 2017) 
TÓM TẮT 
Trong công trình này, phương pháp gamma tán 
xạ sử dụng nguồn phóng xạ 137Cs (5 mCi) và đầu dò 
NaI(Tl) với góc tán xạ 1200 để nghiên cứu mật độ của 
chất lỏng. Chúng tôi đã sử dụng các dung dịch chuẩn 
như nước, H2SO4, HCl, glycerol, HNO3, ethanol và 
xăng A92 để làm khớp sự phụ thuộc của diện tích 
đỉnh tán xạ một lần, nền tán xạ nhiều lần và số đếm 
tổng theo mật độ chất lỏng. Mật độ của mẫu theo 
đỉnh tán xạ một lần là 0,702 g.cm-3, nền tán xạ nhiều 
lần là 0,783 g.cm-3 và số đếm tổng là 0,747 g.cm-3, độ 
sai biệt của các kết quả thực nghiệm so với giá trị 
thực của mẫu lần lượt là khoảng 8 %, 3 % và 2 %. 
Kết quả này cho thấy có thể sử dụng đỉnh tán xạ 
nhiều lần hoặc số đếm tổng để xác định mật độ dung 
dịch. 
Từ khóa: đỉnh tán xạ một lần, tán xạ nhiều lần, NaI(Tl), mẫu đo mật độ 
 MỞ ĐẦU 
Hiện nay, các hệ đo phóng xạ trong những nghiên 
cứu phóng xạ môi trường, nông nghiệp và công 
nghiệp luôn được bố trí các loại đầu dò chuyên 
dụng như đầu dò tinh thể bán dẫn siêu tinh khiết hay 
đầu dò tinh thể nhấp nháy để ghi nhận tín hiệu phóng 
xạ. Trong đó, đầu dò tinh thể nhấp nháy với mức chi 
phí vận hành tối ưu được sử dụng phổ biến trong hệ 
đo phóng xạ gamma bằng hai phương pháp phổ biến 
là gamma tán xạ và gamma truyền qua. Phương pháp 
gamma tán xạ và gamma truyền qua sử dụng hệ phổ 
kế gamma NaI (Tl) được sử dụng rộng rãi và cho kết 
quả với độ chính xác cao. 
Nghiên cứu so sánh phương pháp gamma tán xạ 
với phương pháp gamma truyền qua trong việc xác 
định mặt phân cách hai môi trường lỏng–lỏng và lỏng 
– khí, đo đạc mật độ chất lỏng [2] và nghiên cứu cải 
tiến phương pháp tán xạ Compton để xác định nồng 
độ dung dịch [3] của Priyada và cộng sự. Nhóm 
nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm bằng nguồn 
137Cs có hoạt độ 4,2Ci với đầu dò HPGe. Đồng thời, 
chương trình MCNP4C cũng được sử dụng để mô 
phỏng thí nghiệm, so sánh các kết quả mô phỏng và 
thực nghiệm. Các kết quả thu được của nhóm cho 
thấy rằng phương pháp gamma tán xạ có độ chính xác 
tốt hơn so với đo bằng phương pháp gamma truyền 
qua. 
Thực nghiệm sử dụng nguồn phóng xạ phát tia 
gamma có hoạt độ cỡ mCi để đo đạc mật độ vật liệu 
sử dụng trong công nghiệp bằng phương pháp gamma 
tán xạ [1]. Kết quả của nghiên cứu cho thấy tính khả 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 20, SOÁ T1 - 2017 
Trang 107 
thi của việc sử dụng nguồn hoạt độ cỡ mCi và đầu dò 
độ có độ phân giải thấp trong đo đạc xác định mật độ 
vật liệu. 
Một nghiên cứu khác của chúng tôi sử dụng 
phương pháp gamma tán xạ để xác định bề dày của 
vật liệu thép với nguồn phóng xạ 137Cs có hoạt độ 5 
mCi và đầu dò NaI(Tl) 7,62 cm×7,62 cm [4]. Ngoài 
ra, chúng tôi cũng sử dụng phần mềm MCNP5 để mô 
phỏng và so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm. 
Kết quả cho thấy tính khả thi của phương pháp 
gamma tán xạ với nguồn hoạt độ thấp cỡ mCi để xác 
định bề dày vật liệu, đồng thời với nguồn hoạt độ 
thấp thì việc che chắn bức xạ cũng dễ dàng hơn. 
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết lập hệ 
đo thực nghiệm để xác định mật độ chất lỏng bằng 
phương pháp gamma tán xạ tại góc 1200, sử dụng 
nguồn phóng xạ 137Cs có hoạt độ 5mCi. Thực nghiệm 
xác định mật độ trên các ống chứa chất lỏng (nước, 
H2SO4, HCl, HNO3, glycerol, ethanol, xăng A92); 
dựa vào kết quả đo đạc thực tế để suy ra mật độ của 
chất lỏng kiểm định là dầu KO. 
VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 
Cơ sở lý thuyết 
Năng lượng của bức xạ gamma sau khi bị tán 
xạ Compton được tính bởi: 
 0
0
2
0
E
E
E
1 (1 cosθ)
m c
 (1) 
Trong đó: 
E0 là năng lượng của bức xạ gamma đến bia, 
E là năng lượng của bức xạ gamma sau khi bị tán xạ, 
m0 là khối lượng của electron, 
c là vận tốc ánh sáng trong chân không, 
θ là góc tán xạ. 
θ1
θ2
P
x'
x
α
β
Đầu dò
Nguồn
D
t‟
Hình 1. Quá trình tán xạ Compton một lần của bức xạ gamma trên bia 
Trong Hình 1, quá trình tán xạ của tia gamma từ nguồn đến đầu dò được chia thành ba giai đoạn [2], [3]. 
Nếu chỉ xét cường độ chùm photon tán xạ chỉ phụ thuộc độ dày vật liệu (chất lỏng chứa trong ống nghiệm đường 
kính D) thì cường độ chùm bức xạ gamma sau khi bị tán xạ: 
D
'0
1 20
(E ) 1 (E) 1
I K exp t ' exp t dt '
cos cos
  
   
 (2) 
Science & Technology Development, Vol 20, No.T1- 2017 
Trang 108 
Đặt 0
1 2
(E ) (E)
a sec sec
 
   
, trong đó các hệ số suy giảm khối 0
(E )
 và 
(E)
. Biến đổi 
phương trình (2) được: 
K
I [1 exp( aD)]
a
 (3) 
Đặt 
K
A [1 exp( aD)]
a
 , phương trình (3) trở thành: 
I
A
 (4) 
Phương trình (4) là công thức xác định mật độ chất lỏng bằng phương pháp gamma tán xạ. Sai số thực 
nghiệm của ρ được tính bởi công thức truyền sai số: 
2 2
2 2
I A2
1 I
A A
   
 (5) 
Trong đó: I I là sai số của cường độ chùm photon tán xạ I, 
 σA là sai số của A, được xác định từ kết quả làm khớp bằng chương trình OriginPro 8.1. 
Bố trí thí nghiệm 
Nguồn phóng xạ được sử dụng trong nghiên cứu 
này là đồng vị 137Cs có hoạt độ 5mCi do hãng Eckert 
& Ziegler sản xuất. Đầu dò được sử dụng ghi nhận tín 
hiệu photon trong nghiên cứu là loại NaI (Tl) cấu 
hình 802–7,62 cm×7,62 cm, do hãng Canberra Inc. 
sản xuất. Ống chứa chất lỏng sử dụng trong công 
trình này là ống thủy tinh, dung tích 100 mL và có 
đường kính là 2,05 cm. Chất lỏng được sử dụng là 
nước, các dung dịch H2SO4, HCl, glycerol, HNO3, 
ethanol và xăng A92 để xây dựng phương trình 
đường th ng giữa diện tích đỉnh phổ gamma và mật 
độ chất lỏng; một ống chứa dầu KO sử dụng làm mẫu 
kiểm tra và một ống rỗng để xác định số đếm phông.