Nghiên Cứu Sự Phân Bổ Liều Theo Độ Sâu Sản Phẩm Chiếu Xạ Và Hiệu Ứng Phát Bức Xạ Hãm Của Chùm Electron Từ Máy Gia Tốc Rf-Linac Và Lwfa

TÓM TẮT Luận án nghiên cứu sự ảnh hưởng của môi trường chiếu xạ và phổ năng lượng electron lên đường phân bố liều theo độ sâu sản phẩm chiếu xạ trên máy gia tốc RF-LINAC và LWFA bằng mô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ LIỀU THEO

ĐỘ SÂU SẢN PHẨM CHIẾU XẠ VÀ HIỆU ỨNG PHÁT BỨC XẠ HÃM CỦA CHÙM ELECTRON TỪ MÁY GIA TỐC

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn khoa học:

1 HDC: GS.TS Châu Văn Tạo

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Cơ

sở đào tạo họp tại

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM,

vào hồi 08 giờ 30 phút, ngày 16 tháng 04 năm 2022

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tổng hợp Quốc gia Tp.HCM

2 Thư viện trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

3 Thư viện Trung tâm, ĐHQG-HCM

TÓM TẮT

Luận án nghiên cứu sự ảnh hưởng của môi trường chiếu xạ và phổ năng lượng electron lên đường phân bố liều theo độ sâu sản phẩm chiếu xạ trên máy gia tốc RF-LINAC và LWFA bằng mô phỏng MCNP

và thực nghiệm Đặc trưng phát bức xạ hãm sau các bia vật liệu bị chiếu

xạ được nghiên cứu để đánh giá khả năng tạo phản ứng (, n) trong chiếu xạ

MỞ ĐẦU

Nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của môi trường hấp thụ không đồng nhất lên đường phân bố liều, sản phẩm chiếu đã được chia làm hai nhóm

là sản phẩm sắp xếp theo từng cột và sản phẩm sắp xếp theo từng lớp Đường phân bố liều trong hai nhóm sản phẩm chiếu xạ không đồng nhất được mô phỏng bằng MCNP và đo liều bằng liều kế phim B3000 trong thùng giả hàng làm từ polypropylene (PP) và chiếu xạ trên máy gia tốc RF-LINAC (mã hiệu UELR-10-15S2) Kết quả được so sánh với đường phân bố liều trong sản phẩm đồng nhất cùng được chiếu xạ trên máy gia tốc RF-LINAC

Phổ bức xạ hãm sau các bia polypropylene (PP), nhôm (Al), sắt (Fe) và chì (Pb) bị chiếu xạ bằng chùm electron được xác định bằng MCNP tại các khoảng cách và các góc khác nhau Hiệu suất chuyển đổi electron-photon sau các bia PP, Al, Fe và Pb được xác định bằng mô phỏng MCNP và thực nghiệm đo liều electron trước bia và liều photon sau bia Từ phổ bức xạ hãm và hiệu suất chuyển đổi electron-photon tính toán tỉ lệ chùm photon có năng lượng trên năng lượng ngưỡng tạo phản ứng (, n) trong chiếu xạ Trường hợp cần chuyển đổi từ electron sang tia X, hiệu suất chuyển đổi electron sang tia X trên bia hỗn hợp từ

ba lớp vật liệu Ti-H2O-Pb được mô phỏng bằng MCNP để xác định hiệu suất chuyển đổi tối ưu

Sử dụng chương trình MCNP với cùng một mô hình bài toán để xác định phân bố liều theo độ sâu sản phẩm chiếu xạ bằng máy gia tốc LWFA (Laser Wakefield Accelerator) có dạng phổ rộng và máy gia tốc RF-LINAC có dạng phổ Gauss, nhằm đánh giá ảnh hưởng của phổ năng lượng electron lên đường phân bố liều Các đặc trưng phát bức xạ hãm sau các bia PP, Al, Fe và Pb bị chiếu xạ trên máy gia tốc LWFA được xác định bằng MCNP nhằm đánh giá khả năng sinh neutron trong chiếu

xạ Các kết quả về sự phân bố liều theo độ sâu sản phẩm chiếu xạ và hiệu ứng phát bức xạ hãm sau các bia chiếu xạ trên máy gia tốc LWFA

là cơ sở để đánh giá khả năng ứng dụng máy gia tốc LWFA trong chiếu

xạ

NỘI DUNG

Phần mở đầu: Trình bày mục đích, đối tượng, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

về phân bố theo chiều sâu sản phẩm và hiệu ứng phát bức xạ hãm của chùm electron từ máy gia tốc Phân tích các vấn đề liên quan đến ứng dụng máy gia tốc trong xử lý bức xạ

Chương 2: Trình bày việc mô phỏng MCNP và thực nghiệm đo phân bố liều theo chiều sâu sản phẩm chiếu xạ trên máy gia tốc RF-LINAC, (mã hiệu UELR-10-15S2) năng lượng 10 (MeV), công suất 15 (kW) tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ Đường phân bố liều theo độ sâu sản phẩm chiếu xạ đồng nhất và không đồng nhất được xác định bằng MCNP và thực nghiệm đo liều bằng liều

kế phim B3000 Kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự không đồng nhất của sản phẩm chiếu xạ đã làm thay đổi đường phân bố liều theo độ sâu so với quy luật phân bố liều trong sản phẩm chiếu xạ đồng nhất

Chương 3: Các đặc trưng của hiệu ứng phát bức xạ hãm sau các bia bị chiếu xạ bằng chùm electron năng lượng 10 (MeV) từ máy gia tốc RF-LINAC được xác định bằng mô phỏng MCNP và thực nghiệm

đo liều electron trên bề mặt bia và liều photon giữa tâm bia bằng liều

kế B3000 Phổ bức xạ hãm sau bia bị chiếu bằng chùm electron được

mô phỏng MCNP tại các khoảng cách và góc khác nhau để xác định hướng bay của chùm bức xạ hãm Kết quả về góc bay của chùm bức xạ hãm là cơ sở để tính toán, thiết kế che chắn bức xạ cho cơ sở chiếu xạ

sử dụng chùm electron từ máy gia tốc Hiệu suất chuyển đổi photon sau các vật liệu chiếu xạ và phổ bức xạ hãm được sử dụng để tính toán xác suất tạo phản ứng (, n) trong chiếu xạ

electron-Chương 4: Mô phỏng MCNP trên máy gia tốc LWFA với phổ electron từ thực nghiệm trên hệ Petawatt laser trong Viện Kỹ thuật laser thuộc trường đại học Osaka Các đặc trưng trong chiếu xạ bằng máy gia tốc LWFA được mô phỏng bằng MCNP gồm: phân bố liều theo độ sâu sản phẩm, đặc trưng bức xạ hãm sinh ra sau các bia nhằm đánh giá khả năng sinh neutron trong chiếu xạ Các kết quả thu được từ mô phỏng MCNP về các đặc trưng trong chiếu xạ bằng máy gia tốc LWFA được

so sánh với chiếu xạ bằng máy gia tốc RF-LINAC, để đánh giá khả năng ứng dụng máy gia tốc LWFA trong chiếu xạ

Phần kết luận: Trình bày các kết quả thu được trong luận án từ

mô phỏng MCNP và thực nghiệm, chỉ ra các điểm mới của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo

PHƯƠNG PHÁP

Mô phỏng MCNP: Xác định sự phân bố liều theo độ sâu sản phẩm đồng

nhất, sản phẩm sắp xếp theo từng cột và theo từng lớp chiếu xạ bằng chùm electron trên máy gia tốc RF-LINAC và LWFA Phổ bức xạ hãm

và hiệu suất chuyển đổi electron-photon sau các bia PP, Al, Fe và Pb

được mô phỏng bằng MCNP Mô hình sản phẩm chiếu xạ sắp xếp theo từng cột và từng lớp được cho trong hình 1 và hình 2

Hình 1: Mô hình sản phẩm chiếu xạ sắp xếp theo từng cột

Hình 2: Mô hình sản phẩm chiếu xạ sắp xếp theo từng lớp

Thực nghiệm đo liều: Đo phân bố liều theo độ sâu sản phẩm đồng nhất,

sản phẩm sắp xếp theo từng cột và từng lớp; đo liều electron trên bề mặt

và liều photon tại tâm các bia PP, Al, Fe và Pb bằng liều kế B3000

Thùng giả hàng sắp xếp theo từng cột và từng lớp được làm từ polypropylene như hình 3 và hình 4

Hình 3: Thùng giả hàng sắp xếp theo từng cột, các liều kế phim được

cài đặt trên trục của cột PP và cách nhau 1,0 (cm)

Hình 4: Thùng giả hàng sắp xếp theo từng lớp, các liều kế được đặt tại

giữa và trên mỗi lớp PP

Liều kế phim B3000 của hãng GEX (Gamma – E-beam – X-ray),

Mỹ, được sử dụng để đo liều hấp thụ thông qua độ đen phim sau khi chiếu xạ Liều kế phim đo được bức xạ gamma, electron, dải liều từ 0,5

đến 35 (kGy), sai số 5% Độ đen phim được đo bằng máy quang phổ GENESYS 20 của hãng Thermo Scientific, Mỹ, bước sóng 512 (nm)

KẾT QUẢ

1 Phân bố liều theo chiều sâu sản phẩm chiếu xạ trên máy LINAC

RF-1.1 Đường phân bố liều trong sản phẩm đồng nhất

Đường phân bố liều trong sản phẩm đồng nhất được đo bằng liều

kế phim B3000 và mô phỏng MCNP, kết quả được cho trong hình 5

Hình 5: Đường phân bố liều theo độ sâu sản phẩm đồng nhất chiếu xạ

bằng máy gia tốc RF-LINAC (a) chiếu một mặt, (b) chiếu hai mặt Trong hình 5, các đặc trưng chiếu xạ gồm bề dày tối ưu và giới hạn mật độ mặt cũng được xác định cho chế độ chiếu xạ một mặt và hai mặt Với ropt1 là bề dày vật liệu tại vị trí có liều bằng liều bề mặt và là

bề dày tối ưu cho chiếu xạ một mặt, ropt2 là bề dày vật liệu tối ưu cho chiếu xạ hai mặt Giới hạn mật độ mặt ADL (Area Density Limit) được xác định theo mật độ khối cho chiếu xạ một mặt:

ADL1[g/cm2] =×ropt1 (1)

và chiếu xạ hai mặt:

ADL2[g/cm2] = 2×ropt2 (2)Trong đó,  là mật độ khối của sản chiếu xạ

1.2 Đường phân bố liều trong sản phẩm sắp xếp theo từng cột

Đường phân bố liều trong sản phẩm sắp theo từng lớp thu được

từ MNCP và đo liều liều bằng liều kế phim B3000 trong thùng giả hàng được chiếu xạ trên máy gia tốc RF-LINAC, kết quả được trình bày trong hình 6

Hình 6: Đường phân bố liều trong sản phẩm sắp xếp theo từng cột,

đường kính , (a)  = 2,5 (cm), (b)  = 3,5 (cm)

Bề dày tối ưu, ropt1, ropt2, được nội suy từ đồ thị đường phân bố liều trong hình 6 Mật độ tối ưu khi chiếu xạ một mặt, ADL1, được tính theo công thức (1), và khi chiếu xạ hai mặt, ADL2, được tính theo công thức (2) Kết quả nội suy và tính toán được trình bày trong bảng 1

Bảng 1: Bề dày tối ưu và mật độ mặt giới hạn cho chiếu xạ của sản

phẩm sắp xếp theo cột so với sản phẩm đồng nhất

Tham số Sản phẩm

đồng nhất

Sản phẩm sắp xếp theo cột, đường kính 

 = 2,5 (cm)  = 3,5 (cm)

ropt1, (cm) 3,50  0,17 3,70  0,19 3,40  0,17 ADL1, (g/cm2) 3,30  0,17 3,50  0,17 3,20  0,16

ropt2, (cm) 4,40  0,22 5,10  0,25 4,60  0,23 ADL2, (g/cm2) 8,50  0,43 9,70  0,48 8,70  0,44

Bảng 1 cho thấy ropt2, và ADL2 đều tăng so với sản phẩm đồng nhất Trường hợp bán kính cột sản phẩm  = 2,5 (cm), ropt2 = 5,1 (cm)

và ADL2 = 9,7 (g/cm2) so với ropt2 = 4,4 (cm) và ADL2 = 8,5 (g/cm2)sản phẩm đồng nhất Trong trường hợp bán kính cột sản phẩm  = 3,5 cm,

ropt2 và ADL2 tăng không nhiều so với trong sản phẩm PP đồng nhất

Do có sự đóng góp của các electron sau khi lọt qua các khe hở giữa các cột vật liệu đã bị lệch hướng và chiếu lên cạnh các cột sản phẩm

1.3 Đường phân bố liều trong sản phẩm sắp xếp theo từng lớp

Đường phân bố liều theo chiều sâu sản phẩm thu được từ đo liều kế phim B3000 và mô phỏng MCNP trong sản phẩm sắp xếp theo từng lớp với khoảng cách các lớp khác nhau được cho trong hình 7

Hình 7: Đường phân bố liều trong sản phẩm sắp xếp theo từng lớp,

dày 1,0 cm, khoảng cách giữa các lớp d, (a) d = 1,0 cm, (b)

d = 2,0 cm, (c) d = 3,5 cm, và (d) d = 5,0 cm

Bề dày tối ưu, ropt1, ropt2, được nội suy từ đồ thị đường phân bố liều trong hình 7 Mật độ tối ưu khi chiếu xạ một mặt, ADL1, được tính theo công thức (1), và khi chiếu xạ hai mặt, ADL2, được tính theo công thức (2) Kết quả nội suy và tính toán được trình bày trong bảng 2

Bảng 2: Bề dày tối ưu và mật độ mặt giới hạn trong sản phẩm sắp xếp

Kết quả nội suy và tính toán trong bảng 2 cho thấy bề dày tối ưu,

ropt1, ropt2, và mật độ mặt giới hạn, ADL1, ADL2, trong sản phẩm sắp xếp theo từng lớp nhỏ hơn trong sản phẩm đồng nhất Chúng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các lớp d, nếu d càng lớn thì ropt1, ropt2, ADL1, ADL2, càng nhỏ

2 Hiệu ứng phát bức xạ hãm của chùm electron từ máy gia tốc LINAC

RF-2.1 Phổ electron từ máy gia tốc RF-LINAC

Phổ năng lượng electron của máy gia tốc RF-LINAC (mã hiệu UELR-10-15S2) được xác định bằng cách đo năng lượng trung bình,

Ea, và năng lượng cực đại khả dĩ, Ep, thông qua việc đo phân bố liều trong nêm nhôm tinh khiết (phương pháp wedge) Kết quả đo Ea = 9,92

 0,50 (MeV); Ep = 10,50  0,54 (MeV), được đưa vào chương trình

mô phỏng MCNP để dựng lại phổ electron Kết quả được trình bày trong hình 8 với dòng electron 1 (mA), quét đều trên cửa sổ chùm tia

2.2 Phổ bức xạ hãm sau bia bị chiếu xạ bằng chùm electron

Chùm electron từ máy gia tốc RF-LINAC quét đều trên bia Al, phổ bức xạ hãm được ghi nhận tại các khoảng cách 10; 20; 30 (cm) tính

từ bia và tại các góc 0; /12; /6; /4; /3; và /2 so với hướng của chùm electron phát ra Kết quả mô phỏng MCNP phổ bức xạ hãm sau bia Al được biểu diễn trong hình 9

Hình 9: Phổ bức xạ hãm sau bia Al dày 2 (cm) bị chiếu xạ bởi

chùm electron năng lượng 9,92  0,50 (MeV)

Phổ bức xạ hãm tại các góc khác nhau so với hướng bay của chùm electron từ máy gia tốc RF-LINAC được cho trong hình 10

Hình 10: Phổ bức xạ hãm tại các góc khác nhau sau bia Al dày 2

(cm) bị chiếu xạ bởi chùm electron năng lượng 9,92 

0,50 (MeV)

Trong hình 10, bức xạ hãm do chùm electron năng lượng 9,92 

0,50 (MeV) phát ra có cường độ cao nhất theo hướng bay của chùm electron tới (00) Tại góc /2 (vuông góc với hướng chùm electron) cường độ bức xạ hãm bằng 1% so với cường độ bức xạ hãm theo hướng song song với chùm tia

Phổ bức xạ hãm sau các bia PP, Al, Fe và Pb có chiều dày 2,0 (cm) được đặt cách đầu quét electron 10 (cm) thu được bằng mô phỏng MCNP như trong hình 11

Hình 11: Phổ bức xạ hãm sau các bia PP, Al, Fe và Pb bị chiếu xạ

bởi chùm electron năng lượng 9,92  0,50 (MeV)

Kết quả trong hình 11 cho thấy chùm photon tạo ra sau các bia nhẹ (PP, Al) có cường độ lớn nhất tại năng lượng thấp (0,1 (MeV)) sau

đó giảm về 0 Trường hợp bia nặng (Fe, Pb) trong vùng năng lượng dưới 0,2 (MeV), cường độ photon tăng và đạt cực đại tại 0,2 (MeV) sau

đó giảm dần về 0

2.3 Phản ứng (, n) trên các bia bị chiếu xạ bằng chùm electron

Dựa trên phổ năng lượng photon (hình 11), cường độ photon có năng lượng trên Q -n đối với các đồng vị có trong các vật liệu chiếu xạ được xác định để đánh giá xác suất sinh neutron Tỷ lệ chùm photon có năng lượng trên năng lượng ngưỡng ( -n) tạo phản ứng (, n) đối với các đồng vị có trong vật liệu chiếu xạ được cho trong bảng 3

Bảng 3: Tỷ lệ cường độ chùm photon ( -n) có năng lượng trên Q -n

được xác định từ phổ năng lượng photon trong hình 11

2.4 Hiệu suất chuyển đổi electron-photon

Mô phỏng MCNP và tính toán chiều dày các bia:

Hiệu suất chuyển đổi electron-photon sau các bia bị chiếu xạ bởi chùm electron 10 (MeV) từ máy gia tốc RF-LINAC được xác định bằng chương trình MCNP thông qua tỷ số liều photon giữa tâm bia và liều electron trên bề mặt bia Bề dày bia chuyển đổi được tính toán để hấp thụ hoàn toàn chùm electron tới và chỉ cho chùm photon xuyên qua Khi đó, liều trên bề mặt bia là liều electron, còn giữa tâm bia là liều photon Bề dày các bia PP, Al, Fe và Pb được cho trong bảng 4

Bảng 4: Bề dày các bia chuyển đổi electron - photon

Bia Mật độ khối

 (g/cm3 )

Bề dày bia (cm)

Hình 12: Các bia được chiếu xạ bởi chùm electron năng lượng 9,92 

0,50 (MeV) từ máy gia tốc RF-LINAC

Chiếu xạ bia:

Bia PP, AL, Fe và Pb được chiếu xạ bia trên máy gia tốc LINAC (mã hiệu UELR-10-15S2) được bố trí như hình 13

RF-Hình 13: Bố trí thí nghiệm khi chiếu xạ bia chuyển đổi dưới máy gia

tốc RF-LINAC (mã hiệu UELR-10-15S2)

Kết quả mô phỏng MCNP và đo đạc được cho trong bảng 5

Bảng 5: Kết quả mô phỏng MCNP và đo bằng liều kế phim B3000 hiệu

suất chuyển đổi electron – photon (kconv) sau các bia

Bia Liều electron

(kGy)

Liều photon (kGy)

Trong trường hợp cần chiếu xạ bằng tia X, bia chuyển đổi sang tia X được thiết kế làm nhiều lớp vật liệu khác nhau để nâng cao hiệu suất chuyển đổi và kiểm soát nhiệt độ không làm bia bị nóng và biến dạng Bia hỗn hợp ba lớp Ti-H2O-Pb được mô phỏng bằng MCNP như hình 14

Hình 14: Bia chuyển đổi tia X ba lớp Ti-H2O-Pb từ mô phỏng MCNP Năng lượng electron chiếu xạ lên bia được mô phỏng tại 5,0; 7,5

và 10,0 (MeV), kết quả từ mô phỏng MCNP được cho trong bảng 6

Bảng 6: Hiệu suất chuyển đổi electron-photon (kconv) trên bia hỗn hợp

Năng lượng

electron,

(MeV)

Bia chuyển đổi

Bề dày

Ti, (mm)

Bề dày

H 2 O, (cm)

Bề dày

Pb, (cm)

k conv (%)

10,0 Ti-H2O-Pb 0,02 0,5 0,3 13,54 7,5 Ti-H2O-Pb 0,02 0,5 0,3 7,12 5,0 Ti-H2O-Pb 0,02 0,5 0,3 5,57

3 So sánh các đặc trưng trong chiếu xạ trên máy gia tốc LWFA và RF-LINAC

3.1 Phổ năng lượng electron từ máy gia tốc LWFA