Nghiên cứu, chế tạo một mẫu máy đo độ ẩm bảo ôn bằng phương pháp neutron tán xạ

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
8 Số 52 - Tháng 9/2017
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MỘT MẪU MÁY ĐO ĐỘ ẨM 
BẢO ÔN BẰNG PHƯƠNG PHÁP NEUTRON TÁN XẠ
Trong quá trình vận hành, các đường ống trong các Nhà máy lọc hóa dầu, Nhà máy đạm và 
hóa chất thường phải được duy trì ở nhiệt độ nào đó theo yêu cầu của chế độ vận hành bằng việc sử 
dụng bảo ôn bên ngoài đường ống. Tuy nhiên theo thời gian làm việc, bảo ôn có thể bị nhiễm ẩm gây 
ra hiện tượng ăn mòn dưới lớp bảo ôn. 
Việc kiểm tra độ ẩm bảo ôn nhằm ngăn ngừa ăn mòn trên đường ống là một nhu cầu thiết yếu 
nằm trong quy trình vận hành của các nhà máy. Một vài phương pháp có thể ứng dụng để kiểm tra 
nhiễm ẩm bảo ôn như bóc tách bảo ôn để kiểm tra nhiễm ẩm bằng thị giác, phương pháp hồng ngoại, 
phương pháp đo điện trở, phương pháp neutron tán xạ, trong đó phương pháp neutron tán xạ có nhiều 
ưu điểm về độ nhạy, không bóc tách bảo ôn cũng như khả năng di động. 
Trên nhu cầu thực tế sản xuất, một mẫu máy đo độ ẩm bảo ôn di động được nghiên cứu chế 
tạo sử dụng đầu dò He-3 và nguồn neutron Am-Be hoạt độ 1 Ci. Hệ đo có thể đạt giới hạn phát hiện 
độ ẩm trong bảo ôn vào khoảng 32%, 48%, 63%, 76%, 86%, 90%, 93%, 94% tại các mức dầu 0 cm, 
2 cm, 4 cm, 6 cm, 8 cm, 10 cm, 12 cm, 14 cm tương ứng.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
9Số 52 - Tháng 9/2017
I. GIỚI THIỆU
Neutron là hạt không mang điện, có khối 
lượng lớn hơn nhiều so với electron nên không 
tương tác với trường electron. Neutron chỉ mất 
năng lượng thông qua tương tác với hạt nhân 
nguyên tử khi đi qua vật chất qua quá trình tán 
xạ. Tán xạ được chia thành 2 loại: tán xạ không 
đàn hồi và tán xạ đàn hồi. Trong tán xạ không 
đàn hồi, năng lượng mà neutron truyền cho hạt 
nhân thường được phát ra bức xạ gamma. Tán xạ 
đàn hồi là loại tán xạ mà động năng của neutron 
và hạt nhân được bảo toàn và thường xảy ra trên 
các hạt nhân nhẹ. Trong tán xạ đàn hồi, neutron 
bị làm chậm và đổi hướng.
Nếu năng lượng của neutron trước khi va 
chạm là E1 và sau va chạm là E2 thì năng lượng 
truyền cho hạt nhân được xác định bằng công 
thức sau:
E2/E1= [(A-1)/(A+1)]2 (1)
Trong đó:
A là số khối của hạt nhân.
Qua phương trình (1) có thể thấy rằng 
neutron có thể mất nhiều năng lượng khi va chạm 
với hạt nhân hydro. 
Dựa vào nguyên lý này, phương pháp 
neutron tán xạ ngược có thể được áp dụng để 
kiểm tra độ ẩm bảo ôn của đường ống và bình 
bồn. Một nguồn phóng xạ phát neutron năng 
lượng cao hướng về phía bảo ôn. Nếu bảo ôn bị 
nhiễm ẩm, hạt nhân hydro sẽ làm suy giảm năng 
lượng của neutron. Neutron được làm chậm và 
chuyển động ngược về phía đầu dò có thể được 
ghi nhận bằng một đầu dò neutron nhiệt. Số đếm 
neutron nhiệt ghi nhận được biểu thị cho mức độ 
nhiễm ẩm bảo ôn.
Trước nhu cầu thực tế về khảo sát nhiễm 
ẩm bảo ôn, một hệ đo nhiễm ẩm bảo ôn di động 
được nghiên cứu, chế tạo. Những nội dung chính 
trong việc chế tạo và kết quả khảo sát được trình 
bày sau đây.
II. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY ĐO ĐỘ 
ẨM BẢO ÔN CẦM TAY
Tín hiệu ra từ đầu dò He-3 số hiệu LND 
252, sản xuất bởi LND INC thường rất bé vào 
khoảng vài miliVolt. Để ghi nhận được tín hiệu 
khi neutron đi vào đầu dò, một bộ tiền khếch đại 
thích hợp được nghiên cứu chế tạo trên cơ sở sử 
dụng các tụ điện và bán dẫn. Tiền khếch đại có 
khả năng nhân xung tín hiệu lên 10 lần và giảm 
nhiễu từ bộ cao thế và nhiễu từ đầu dò neutron.
Tín hiệu từ tiền khuếch đại sau đó được 
tiếp tục khuếch đại lần nữa khi qua bộ khuếch 
đại. Bộ khuếch đại này được thiết kế hai phần với 
hai chức năng chính: khuếch đại và lọc nhiễu sinh 
ra do nhiệt trong quá trình hoạt động. Tín hiệu 
sau khi qua bộ phận khuếch đại sẽ được nhân lên 
thành xung tín hiệu 5 Volt.
Hình 1: Xung tín hiệu từ tiền khuếch đại
Hình 2: Xung tín hiệu từ khuếch đại
Tín hiệu TTL được ghi nhận, xử lý và 
hiển thị tại tại một hệ thống xử lý dựa trên nền 
Arduino Mega 2560. Trên hệ thống này người 
dùng có thể nhận thông tin về số đếm neutron tán 
xạ, mức độ nhiễm ẩm. Ngoài ra, người dùng có 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
10 Số 52 - Tháng 9/2017
thể chọn chế độ đo liên tục theo thời gian hay đo 
khi có tác động. Tất cả các chức năng này được 
thiết kế nhằm phục vụ tốt nhất công tác khảo sát 
độ ẩm bảo ôn trên hiện trường.
Hình 3: Xung tín hiệu tại bộ phận cắt 
ngưỡng
Hình 4: Bo mạch ArduinoMega 2560, 
màn hình LCD và bàn phím
III. KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ 
ĐO
Bảo ôn Rockwool được sử dụng rộng rãi 
trong các hệ thống đường ống của các nhà máy 
lọc dầu và chế biến khí, đạm..có thành phần chủ 
yếu là Na
2
O, CaO, MgO, BaO và nhựa tổng hợp. 
Để phục vụ thí nghiệm, bảo ôn này được cắt 
thành tấm có kích thước 25 x 40 x 25 (cm) và làm 
nhiễm ẩm với các mức nhiễm ẩm khác nhau. 
Phần trăm độ ẩm trong bảo ôn Rockwool 
được tính theo công thức sau:
%m 𝑎𝑎 = 𝑚𝑚1 − 𝑚𝑚0𝑚𝑚0 . 100 
(2)
Trong đó: 
%m
a
: Phần trăm của nhiễm ẩm trong bảo ôn;
m
0
: Khối lượng của bảo ôn khô (g);
m
1
: Khối lượng của bảo ôn nhiễm ẩm (g). 
Bảo ôn được làm ẩm trong dải từ 50% đến 
650% với bước 50%.
Hình 5: Bảo ôn khô
Hình 6: Bảo ôn nhiễm ẩm
Sử dụng hệ đo neutron tán xạ ngược được 
phát triển từ dự án bao gồm một đầu dò neutron 
nhiệt He-3 và một nguồn phóng xạ Am-Be hoạt 
độ 1 Ci.
Thí nghiệm được tổ chức trên cấu hình 
mô phỏng hệ thống bảo ôn trên đường ống dẫn 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
11Số 52 - Tháng 9/2017
dầu. Gồm có một mẫu chứa dầu có thể thay đổi 
nhiều mức dầu khác nhau, bảo ôn nhiễm ẩm được 
đặt sát bên dưới mẫu dầu, hệ thống nguồn và đầu 
dò neutron được đặt bên dưới lớp bảo ôn nhiễm 
ẩm.
Hình 7: Hệ đo neutron tán xạ ngược
Hình 8: Nguồn neutron 
Thí nghiệm để xác định mức độ bảo hòa 
độ ẩm và giới hạn phát hiện độ ẩm trong bảo ôn 
được tiến hành tại các mức dầu từ 0-14 cm. Tại 
mỗi mức dầu, số đếm neutron tán xạ ngược được 
ghi lại theo phần trăm độ ẩm khác nhau. Số đếm 
neutron tán xạ ngược và độ ẩm có thể được làm 
khớp theo hàm số sau:
I = I
0
*(1 - e-µ*x) (2)
Trong đó: 
I
0
: Cường độ neutron tới (cps);
I: Cường độ neutron ghi nhận tại đầu dò 
(cps);
x: Phần trăm độ ẩm trong bảo ôn (%);
µ: Hệ số suy giảm neutron.
Hình 9: Số đếm neutron tán xạ tại các độ 
ẩm bảo ôn khác nhau ở mức dầu 0 cm
Hình 10: Số đếm neutron tán xạ tại các độ 
ẩm bảo ôn khác nhau ở mức dầu 2 cm
Hình 11: Số đếm neutron tán xạ tại các độ 
ẩm bảo ôn khác nhau ở mức dầu 4 cm
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
12 Số 52 - Tháng 9/2017
Hình 12: Số đếm neutron tán xạ tại các độ 
ẩm bảo ôn khác nhau ở mức dầu 6 cm
Hình 13: Số đếm neutron tán xạ tại các độ 
ẩm bảo ôn khác nhau ở mức dầu 8 cm
Hình 14: Số đếm neutron tán xạ tại các độ 
ẩm bảo ôn khác nhau ở mức dầu 10 cm
Hình 15: Số đếm neutron tán xạ tại các độ 
ẩm bảo ôn khác nhau ở mức dầu 12 cm
Hình 16: Số đếm neutron tán xạ tại các độ 
ẩm bảo ôn khác nhau ở mức dầu 14 cm
Các tham số của hàm khớp từ số đếm 
neutron tán xạ ngược và mức độ nhiễm ẩm bảo 
ôn tại các mức dầu khác nhau được trình bày 
trong Bảng 1.
Bảng 1: Tham số của hàm khớp của 
neutron tán xạ ngược và mức độ nhiễm ẩm bảo 
ôn tại các mức dầu khác nhau
Mức dầu 
(cm) 
I0 Sai số µ Sai số Phông Sai số 
0 30709,01 ±16699,71 0,16 ±0,01 1302,56 ±52,10 
2 44865,02 ±1068,91 0,33 ±0,02 6107,34 ±305,37 
4 49333,07 ±654,56 0,47 ±0,02 11905,67 ±476,23 
6 50933,04 ±583,20 0,57 ±0,02 16976,98 ±848,85 
8 51295,08 ±388,97 0,60 ±0,01 19622,83 ±981,14 
10 51972,00 ±328,98 0,63 ±0,01 21616,64 ±864,67 
12 52070,09 ±378,61 0,63 ±0,02 22168,12 ±1108,41 
14 52115,07 ±314,78 0,64 ±0,01 22565,93 ±1128,30 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
13Số 52 - Tháng 9/2017
Từ các tham số của hàm khớp trên bảng 
1, phần trăm độ ẩm bảo hòa và giới hạn phát 
hiện độ ẩm trong bảo ôn được ước tính như trong 
Bảng 2 sau:
Mức dầu 
(cm) 
Phần trăm độ ẩm 
bảo hòa (100%) 
Sai số của phần 
trăm độ ẩm bão hòa 
LOD, 
(100%) 
Sai số LOD 
0 25,48 ±1,53 0,32 ±0,02 
2 12,92 ±1,03 0,48 ±0,02 
4 9,17 ±0,55 0,63 ±0,03 
6 7,65 ±0,38 0,76 ±0,04 
8 7,23 ±0,36 0,86 ±0,03 
10 6,87 ±0,41 0,90 ±0,04 
12 6,86 ±0,48 0,93 ±0,05 
14 6,80 ±0,54 0,94 ±0,03 
Nhận xét:
- Độ ẩm bảo hòa tại các mức dầu khác 
nhau 0 cm, 2 cm, 4 cm, 6 cm, 8 cm, 10 cm, 12 cm, 
14 cm là 2548%, 1292%, 917%, 765%, 723%, 
687%, 686%, 680% tương tứng;
- Giới hạn phát hiện độ nhiễm ẩm bảo ôn 
tại các mức dầu khác nhau 0 cm, 2 cm, 4 cm, 
6 cm, 8 cm, 10 cm, 12 cm, 14 cm là 32%, 48%, 
63%, 76%, 86%, 90%, 93%, 94% tương ứng;
IV. KẾT LUẬN
- Dựa trên hàm số tương quan giữa số 
đếm neutron tán xạ ngược và phần trăm độ ẩm, 
phần trăm độ ẩm bảo ôn trong trường hợp thực tế 
có thể xác định.
- Độ ẩm bảo hòa tại mỗi mức dầu khác 
nhau được ước tính. Giá trị này phụ thuộc vào 
từng mức dầu khác nhau, cụ thể: 2548%, 1292%, 
917%, 765%, 723%, 687%, 686%, 680% tại 
mức dầu 0 cm, 2 cm, 4 cm, 6 cm, 8 cm, 10 cm, 
12 cm, 14 cm tương ứng; 
- Giới hạn phát hiện độ ẩm trong bảo ôn 
tại những mức dầu khác nhau được xác định, cụ 
thể: 32%, 48%, 63%, 76%, 86%, 90%, 93%, 94% 
tại mức dầu 0 cm, 2 cm, 4 cm, 6 cm, 8 cm, 10 cm, 
12 cm, 14 cm tương ứng.
Trần Thanh Minh,
Vương Đức Phụng, Mai Công Thành,
Lại Viết Hải, Lê Văn Lộc
Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân 
trong công nghiệp - CANTI
_____________________
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Glenn F. Knoll (2000), Radiation Detection 
and Measurement, John Wiley & Sons, Inc, USA.
[2] IAEA, 2005, Development of protocols 
for corrosion and deposits evaluation in pipes by 
radiography.
[3] E.Bardal, Corrosion and Protection 
(Engineering materials and process), Springer.
[4] Delahunt, J. F. “Corrosion Control 
Under Thermal Insulation and Fireproofing.” 
Proceedings: Exxon Research & Engineering 
Co. Internal Conference on Corrosion Under 
Insulation (1984): p 554.
[5] Butler, G., and H. C. Ison. “Corrosion and 
Its Prevention in Waters.” Melbourne, FL: Robert 
E. Krieger. (1976): Ch. VI, p lO2.
[6] Midwest Insulation Contractors 
Association. “Commercial and Industrial 
Insulation Standards.” Omaha, NE. (1983): Plate 
No.1-50.
[7] National Board Inspection Code, NB-23, 
Rev.6. Columbus, OH: The National Board of 
Boiler a7nd Pressure Vessel Inspectors. (1987).