Các phương pháp đo liều Notron

Các phương pháp đo liều Notron

I/ MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ LIỀU LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO

1 Liều hấp thụ bức xạ

Liều hấp thụ bức xạ là năng lượng bức xạ được hấp thụ trong một đơn vị khốilượng của chất bị chiếu xạ Liều hấp thụ (D) ở lân cận một điểm nào đó trong khốivật chất bị chiếu xạ được xác định theo biểu thức sau:

1Joule trên kilogam (1J/kg) là liều hấp thụ bức xạ mà khối lượng 1 kg của chấthấp thụ được năng lượng bằng 1J của bức xạ ion hóa loại bất kỳ Đơn vị 1J/kg đượcgọi là 1 Gray (kí hiệu Gy); như vậy 1Gy = 1J/kg

Ngoài đơn vị Gray thì ngày nay đơn vị đo ngoại hệ là Rad được sử dụng rộngrãi trong lĩnh vực đo liều hấp thụ bức xạ 1 Rad là liều hấp thụ bức xạ mà khốilượng 1 gam của chất bị chiếu xạ hấp thụ năng lượng bằng 100 erg của bức xạ ionhóa loại bất kỳ

Giữa hai đơn vị Rad và Gy ta có các biểu thức liên hệ như sau:

Liều bức xạ tính theo một đơn vị thời gian chiếu xạ được gọi là suất liều bức

xạ (P) Suất liều hấp thụ bức xạ có đơn vị đo là oát trên kilogam (W/kg), gray trêngiây (Gy/s) và rad trên giây (rad/s)

2 Liều tương đương

Liều tương đương (Hc,i) gây bởi bức xạ ion hóa thuộc loại i nào đó tại một cơquan hoặc tổ chức (c) trong cơ thể của một người được định nghĩa là tích sốgiữaliều hấp thụ với trọng số bức xạ:

c,i c,i TS,i

trong đó: Dc,i là liều hấp thụ gây bởi bức xạ ion hóa loại i trong cơ quan hay tổchức c của cơ thể; QTS,i là trọng số của bức xạ ion hóa loại i; K là hệ số tính tới ảnhhưởng của những điều kiện cụ thể khi chiếu xạ (như: suất liều, phân bố liều theothời gian, phân bố liều theo không gian…) Nếu những điều kiện đó không đượcnhắc đến một cách đặc biệt thì coi hệ số này có giá trị K = 1

Nếu bức xạ ban đầu gồm những thành phần i khác nhau, hoặc nó tạo nênnhững sản phẩm i khác nhau khi tương tác với môi trường, thì liều tương đươngđược xác định theo công thức sau đây:

c (i) c,i (i) c,i TS,i i

Trong hệ đo lường tiêu chuẩn (SI): Liều tương đương Hc,i cũng có đơn vị đo làJoule trên kilogam (J/kg), nhưng trong trường hợp này đơn vị 1J/kg được gọi là1Sievert (kí hiệu là Sv) Bên cạnh đơn vị đo Sievert thì ta còn sử dụng đơn vị đongoại hệ của liều tương đương là Rem Giữa hai đơn vị này có mối liên hệ như sau:

1Rem 100erg / g 1.10 J / kg 1.10 Sv1Sv 1J / kg 100Rem

định nghĩa theo công thức sau đây:

hd (c) c c

Trong đó Hc là liều tương đương trong cơ quan hoặc tổ chức c của cơ thể; ωc làtrọng số cơ quan hoặc tổ chức c Trong trường hợp bức xạ chỉ gồm có một thànhphần i duy nhất, thì từ các công thức (1.5) và (1.6) ta sẽ có biểu thức sau đây choliều hiệu dụng:

hd hd,i (c) c c,i (c) c c,i TS,i i

II/ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LIỀU NƠTRON

1 Đo suất liều nơtron nhanh bằng buồng ion hóa

Buồng ion hóa là một loại dụng cụ ghi nhận bức xạ dựa trên hiện tượng ionhóa nguyên tử của môi trường khi nó tương tác với bức xạ Dùng buồng ion hóa để

đo liều hấp thụ nơtron nhanh là một phương pháp đơn giản, cho phép phân biệtđược các thành phần của liều hấp thụ trong vùng bức xạ hỗn hợp

a) Buồng ion hóa có thành bằng khí

Có hai thành phần chính đóng góp vào hiệu ứng ion hóa trong buồng ion hóa.Thành phần thứ nhất là đóng góp của các hạt thứ cấp bay ra từ thành buồng vàovùng làm khí làm việc của buồng Phần đóng góp này còn được gọi là “hiệu ứngthành” Thành phần thứ hai là đóng góp của các hạt thứ cấp được sinh ra ngaytrong vùng làm việc Phần đóng góp này được gọi là “hiệu ứng khí” Muốn dùngbuồng ion hóa để đo liều hấp thụ nơtron thì phải đánh giá được hoặc bỏ qua được

“hiệu ứng thành” Có thể bỏ qua hiệu ứng thành nếu buồng ion óa có kích thước đủlớn, sao cho các hạt thứ cấp bay ra từ thành buồng không thể đạt tới lân cận củanhững điểm đang quan tâm ở trong vùng làm việc của buồng Nghĩa là: trong cùngđiều kiện áp suất và chất khí làm việc, thì khoảng cách từ buồng tới mặt biên của

vùng khí làm việc phải có giá trị lớn hơn quãng chạy của các hạt thứ cấp bay ra từthành buồng Buồng ion hóa loại này được gọi là “buồng ion hóa có thành làmbằng khí”, hay “buồng ion hóa thành khí”.

Có thể tạm chia “buồng ion hoá thành khí” làm hai loại Loại thứ nhất có kíchthước vùng khí làm việc lớn hơn rất nhiều so với quãng chạy của các hạt thứ cấpsinh ra trong vùng khí Loại thứ hai có kích thước vùng khí làm việc nhỏ hơn so vớiquãng chạy của các hạt thứ cấp sinh ra trong vùng khí Dưới đây lần lượt xét cáctrường hợp này

- Trường hợp 1:

‘Buồng ion hoá thành khí’ có áp suất và kích thước vùng khí làm việc đủ lớn

để có thể coi là quãng chạy của các hạt thứ cấp sinh ra trong vùng khí làm việc củabuồng đều nằm gọn trong thể tích khí đó (tức là chúng đều bị hấp thụ hoàn toàntrong thể tích khí làm việc)

Giả sử trong điều kiện áp suất khí bằng p, thì đoạn đường trung bình của hạtthứ cấp loại i trong vùng khí làm việc là ri và quãng chạy của chúng là Ri Trongtrường hợp này: tỷ số giữa ri và Ri có giá trị bằng (gi)p = (ri/Ri)p =1

nhanh truyền cho một đơn vị thể tích khí trong mỗi giây bằng:

T,P i i i i

điểm đang được quan tâm; MT,P - số phân tử khí có trong 1cm3 khí trong buồng ởnhiệt độ T và áp suất p; ni - số hạt nhân loại i có trong một phân tử khí; σi - tiết diệntán xạ đàn hồi của nơtron nhanh trên hạt nhân loại i; Ei - động năng trung bình củahạt nhân lùi loại i thu được trong mỗi sự kiện tán xạ đàn hồi của nơtron nhanh Nếu MT,760 là số phân tử khí có trong 1cm3 khí của buồng ở nhiệt độ T và ápsuất p =760 mmHg, thì có tương quan sau đây:

và áp suất khí (p)

- Trường hợp 2:

“Buồng ion hoá thành khí” có áp suất và kích thước vùng khí làm việc chưa

đủ lớn nên khi các hạt thứ cấp sinh ra trong vùng khí làm việc thì chỉ có một phầnquãng chạy của chúng nằm trong thể tích khí làm việc của buồng Trong trườnghợp này, tỷ số giữa ri và Ri có giá trị bằng (gi)p = (ri/Ri)p <1 Do đó chỉ có mộtphần động năng của hạt thứ cấp bị hấp thụ trong thể tích khí làm việc Nếu hạt thứcấp loại i có động năng trung bình bằng Ei , thì trong trường hợp này năng lượng

mà thể tích khí làm việc hấp thụ được từ hạt thứ cấp sẽ có giá trị (Ei)p < Ei vàbằng:

nơtron nhanh truyền cho một đơn vị thể tích khí làm việc trong mỗi giây, cũng

tương tự như biểu thức (2.1), nhưng trong trường hợp thứ hai này sẽ có giá trị nhỏhơn, cụ thể là bằng:

nơtron (ФE), nhưng lại tỷ lệ với bình phương của áp suất khí

- Trường hợp tổng quát:

Từ các biểu thức (2.4) cho trường hợp thứ nhất và biểu thức (2.7) cho trườnghợp thứ hai, thu được biểu thức cho hiệu ứng ion hoá do va chạm đầu tiên củanơtron trong buồng ion hoá có thành bằng khí nói chung Biểu thức cho trường hợptổng quát này có dạng như sau:

Y 1 Y

Các biểu thức (2.4), (2.7) và (2.8) trên đây mới chỉ tính đến hiệu ứng gây bởi

va chạm đầu tiên của nơtron nhanh Trong thực tế, nơtron (với động năng ban đầu

là E) có thể tán xạ nhiều lần trong thể tích khí làm việc; mỗi lần va chạm thứ k làmxuất hiện qk cặp ion tương ứng Số cặp ion tổng cộng được tạo thành do hấp thụ cáchạt nhân lùi trong 1 giây trong 1 đơn vị thể tích khí bởi tất cả các lần va chạm củanơtron nhanh sẽ có giá trị bằng:

760

Y 1 Y

b) Buồng ion hóa nhỏ thành dày đồng nhất

Trong buồng đồng nhất thì chất khí và vật liệu thành có hợp phần nguyên tửgiống nhau Do đó có tương quan sau đây cho tỷ số giữa năng suất hãm của chấtrắn Z và năng suất hãm của chất khí đối với các hạt iôn hoá loại i:

Z,i e,Z,i e,Z,i Z Zkhí,i e,khí,i e,khí,i khí khí

Tỷ số (2.11) là đúng cho các loại hạt iôn hoá khác nhau Do đó có tương quansau đây cho các thành phần bức xạ nơtrôn và gamma:

Z Z Z khí n khí khí

γ γ

Đối với nơtron nhanh thì có thể coi rằng năng lượng trung bình tạo cặp ion

ωn = ωγ = ω với sai số cỡ vài phần trăm Mặt khác, có biểu thức sau đây cho suấtliều hấp thụ bức xạ hỗn hợp nơtron-gamma trong thành buồng:

ρ

=ω

Biểu thức sau đây cho suất liều tương đương (H•n+γ) gây bởi các thành phầnbức xạ nơtron và gamma ( sử dụng một hệ đầu dò vi phân đơn giản được tạo thành

từ hai buồng ion hoá đồng nhất; trong đó buồng thứ nhất nhạy với bức xạ gamma

mà rất ít nhạy với nơtron, còn buồng thứ hai thì tương đương với tổ chức cơ thể):

ở đây QTS,n - trọng số của thành phần bức xạ nơtrôn Giả sử dòng điện ion hoá

đo được bằng buồng 1 là I1, còn bằng buồng 2 là I2 Khi đó giữa hai dòng điện này

với suất liều hấp thụ gây bởi bức xạ gamma (Pγ) và suất liều hấp thụ gây bởi bức xạnơtrôn (Pn) sẽ có tương quan sau đây:

trong đó aj và bj - các hệ số tỷ lệ có giá trị được xác định khi chuẩn hai buồngion hoá trong các trường bức xạ gamma và nơtron riêng biệt Bốn hệ số này có ýnghĩa vật lý là độ nhạy của từng buồng ion hoá đối với bức xạ gamma (aj ) và bức

xạ nơtron (bj ) riêng biệt Muốn hệ đầu dò vi phân có giá trị sử dụng thực tế, thì các

hệ số aj và bj phải có giá trị ổn định trong vùng giá trị đủ rộng của năng lượng Eγ ,

2 Đo suất liều nơtron nhanh bằng ống đếm tỷ lệ

Các ống đếm tỷ lệ có hệ số khuếch đại ổn định bao giờ cũng cho xung ra cóbiên độ tỷ lệ tuyến tính với năng lượng của phần tử bức xạ bị hấp thụ trong vùngnhạy của ống đếm Do vậy, có thể dùng ống đếm tỷ lệ để đo liều lượng bức xạ.Trong thực tế đo liều lượng bức xạ nơtron nhanh, người ta dùng ống đếm tỷ lệ cóvật liệu thành và chất khí tương đương với tổ chức cơ thể Những ống đếm loại nàycho phép áp dụng công thức Bragg-Gray mà không hạn chế kích thước vùng khícủa ống đếm

Trong ống đếm tỷ lệ tương đương tổ chức cơ thể, độ ion hoá được gây bởi cáchạt thứ cấp sinh ra cả trong thành ống và trong vùng khí Dưới đây xét mối liên hệgiữa liều hấp thụ nơtrôn nhanh với độ ion hoá và biên độ xung ra của ống đếm tỷ lệtương đương tổ chức cơ thể Giả sử:

- Thể tích khí trong vùng nhạy của ống đếm có giá trị bằng V;

- Trong mỗi đơn vị thời gian có N hạt thứ cấp xuất hiện trong vùng nhạy củaống đếm (tức là được tạo thành trong đó hoặc lọt vào đó);

- Mỗi hạt thứ cấp i xuất hiện trong vùng nhạy của ống đếm sẽ tạo nên qi cặpion;

- Năng lượng trung bình để tạo cặp ion bởi hạt thứ cấp i có giá trị bằng ωi Theo công thức Bragg-Gray, thì năng lượng bức xạ bị hấp thụ trong mỗi đơn

vị thời gian trong một đơn vị thể tích của thành ống đếm có giá trị bằng:

V =

Đối với một hệ đồng nhất, thì tỷ số (SZ

khí)i giữa năng suất hãm của chất rắn Z

và năng suất hãm của chất khí đối với hạt ion hoá i là được xác định theo công thức(2.11) và có giá trị bằng tỷ số ρZ/ρkhí giữa khối ượng riêng của vật liệu thành vớikhối lượng riêng của chất khí trong ống đếm

Trên cơ sở các biểu thức (2.11), (2.12) và (2.15), thu được biểu thức sau đâycho suất liều hấp thụ nơtron nhanh Pn trong ống đếm tỷ lệ tương đương tổ chức cơthể:

theo biểu thức sau đây:

Ui = akqi (2.17) trong đó: a - hệ số tính tới thứ nguyên của các đại lượng có mặt trong biểuthức; k - hệ số khuếch đại khí của ống đếm tỷ lệ Thế giá trị qi từ biểu thức (2.17)vào biểu thức (2.16), thu được biểu thức liên hệ sau đây của suất liều hấp thụnơtron nhanh Pn với biên độ xung ra của ống đếm tỷ lệ tương đương tổ chức cơ thể:

N

i 1 khí

Như vậy, biểu thức (2.19) cho thấy rằng: nếu đo phổ biên độ xung ra của ốngđếm tỷ lệ tương đương tổ chức cơ thể và xác định diện tích dưới đường cong của

phổ này, thì có thể xác định được suất liều hấp thụ nơtrôn nhanh Pn bằng ống đếm

đó

3 Đo liều nơtron bằng phương pháp kích hoạt

a) Nguyên tắc đo liều nơtron bằng phương pháp kích hoạt

Giả sử cần xác định liều nơtron tại vị trí r cho trước nào đó Để đơn giản, tahãy xét trường hợp khi trường nơtron tại đây không thay đổi theo thời gian Khi đótại vị trí này mật độ thông lượng nơtron có giá trị (mà ta chưa biết) là:

ở thời điểm t tại vị trí r

Giả sử, một đầu dò kích hoạt dạng lá có diện tích S[cm2], đủ mỏng, được đặtvào vị trí cần xác định liều nơtron mà không làm nhiễu loạn trường nơtron tại đó

Số hạt nhân đồng vị bền cùng loại được chứa trong lá đầu dò này tính cho mỗi đơn

vị diện tích 1cm2 là n[cm-2], nó có giá trị đủ lớn để có thể coi được là không thayđổi trong suốt quá trình kích hoạt Nếu vậy, thì số hạt nhân phóng xạ cảm ứng tíchluỹ được trong khoảng thời gian từ thời điểm t đến t + dt là:

xạ mới tạo thành Số hạt nhân phóng xạ được tạo thành trong đầu dò ngay trongquá trình đang kích hoạt ở thời điểm t là:

Do đó, độ phóng xạ cảm ứng A(t) của đầu dò thu được ở thời điểm t trong khiđang kích hoạt là:

t E

A(t)= λN(t) (1 e )nS= − −λ ∫ϕ(E) (E)dEσ Giả sử, đầu dò đã được kích hoạt trong khoảng thời gian dài bằng t0; liền sau

đó được đưa ra khỏi trường bức xạ nơtrôn Kể từ đó, độ phóng xạ của đầu dò sẽgiảm theo quy luật hàm mũ Vì vậy, độ phóng xạ cảm ứng của đầu dò tại thời điểm

t1 kể từ khi ngừng kích hoạt được xác định theo công thức sau đây:

Mặt khác, mỗi nơtron với năng lượng bằng E khi lọt vào cơ thể thì gây nênmột suất liều tương đương có giá trị bằng k(E) Khi đó, tại vị trí r trong cơ thể, liều

0

t 0

0 E

Như vậy, xác định được mật độ thông lượng nơtron thông qua độ phóng xạcảm ứng của đầu dò kích hoạt, có thể xác định được liều tương đương gây bởinơtron theo công thức (2.21 hoặc 2.21a) Tuy nhiên, các biểu thức (2.20và 2.21,

2.21a) cho thấy rằng việc tính liều tương đương đòi hỏi phải biết phân bố theo nănglượng của bức xạ nơtron và tiết diện kích hoạt của đầu dò.

b) Xác định liều nơtron nhiệt bằng phương pháp kích hoạt

Nơtron có năng lượng không quá 0,5 eV thường được gọi là nơtron nhiệt.Nhóm nơtron này tuân theo phân bố Maxwell về tốc độ chuyển động và có nănglượng bằng 0,025 eV với xác suất lớn nhất Trong trường nơtron phức tạp, có thểtách nơtron nhiệt bằng lớp chắn làm từ Cadmi (Nguyên tố Cd có tiết diện hấp thụnơtron nhiệt rất lớn, cỡ 2.104barn) Lớp chắn bằng Cd dày cỡ từ 0,5mm ÷ 1 mmhấp thụ hầu hết các nơtron có năng lượng dưới 0,5 eV Nếu đầu dò được bao bọctrong lớp vỏ Cd như vậy trong suốt thời gian kích hoạt, thì có thể coi độ phóng xạcảm ứng ACd của nó là được gây bởi các nơtron có năng lượng trên 0,5 eV (còngọi là “nơtron trên nhiệt”)

Giả sử có hai đầu dò kích hoạt với mọi đặc trưng giống hệt nhau Một đầu dòđược bọc trong lớp vỏ bằng Cd; còn đầu dò kia thì không có vỏ bọc Cd Cả hai đầu

dò này đều được kích hoạt trong những điều kiện hoàn toàn như nhau Gọi A0 là độ

xạ cảm ứng của đầu dò được bọc trong lớp Cd Khi đó, độ phóng xạ cảm ứng gâybởi riêng nơtron nhiệt Anhiệt được xác định như sau:

Anhiệt = A0 – ACd (2.22) Đối với nơtron nhiệt, có thể coi tiết diện kích hoạt có giá trị không đổi và bằngtiết diện kích hoạt s0 của nơtron năng lượng 0,025 eV Do vậy, tích phân trong biểuthức (2.20) sẽ có giá trị như sau:

nhiêt

0 nhiêt E

( nhiêt 0 t ) nhiêt 1 t nhiêt 0 1 0 Cd 0 nhiêt

dò trong trường hợp tổng quát sẽ được các biểu thức sau đây:

max

nhieät 0,Cd nhieät 1,Cd Cd

(=0,4 eV); Emax - năng lượng cao nhất của phổ nơtron Do vậy có biểu thức xác địnhmật độ thông lượng nơtron cho trường hợp tổng quát như sau:

( nhiêt 0,0) nhiêt 1,0 ( nhiêt 0,Cd) nhiêt 1,Cd

Mặt khác, liều hấp thụ nơtron nhiệt chủ yếu được tạo bởi các phản ứng

1H(n,γ)2H, 14N(n,p)14C với tiết diện có thể coi là không đổi Vì vậy, biểu thức (2.21)xác định liều tương đương gây bởi nơtron nhiệt có dạng như sau:

Thế giá trị Фnhiệt từ biểu thức (2.26) vào biểu thức (2.27), thì được biểu thức đểxác định liều tương đương gây bởi nơtron nhiệt bằng phương pháp kích hoạt nhưsau:

( nhiêt 0,0) nhiêt 1,0 ( nhiêt 0,Cd) nhiêt 1,Cd

c) Xác định liều nơtron năng lượng trung gian

Nơtron năng lượng trung gian được tạo thành do quá trình làm chậm nơtronnhanh thường có phổ năng lượng φ(E) tương ứng với sự thay đổi năng lượng củanơtron theo quy luật hàm 1/E: ϕ(E)= a

E ở đây hệ số tỷ lệ a=const có tính tới thứnguyên của năng lượng nơtron [E] và mật độ thông lượng [φ] của chúng

Trong trường hợp này, tích phân trong biểu thức (2.20) có dạng như sau: