Mô phỏng đường đẳng liều của các nguồn bức xạ gamma có dạng hình học khác nhau

Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d...40 Chương 3 – Chương trình mô phỏng đường đẳng liều đối với các nguồn bức xạ gamma có dạng hình học khác nhau .... Khi sử dụng cá

NGUYỄN MINH HUÂN

MÔ PHỎNG ĐƯỜNG ĐẲNG LIỀU CỦA CÁC NGUỒN BỨC XẠ GAMMA CÓ DẠNG

Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn, ngoài sự cố gắng và nổ lực hết mình của bản thân, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến quý thầy cô trong Bộ môn Vật lí hạt nhân và quý thầy cô đã giảng dạy các học phần trong chương trình đã tận tình truyền đạt kiến thức giúp em có một nền tảng kiến thức vững vàng để hoàn thành luận văn và vận dụng vào công việc sau này

Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS TS Châu Văn Tạo Nhờ vào trí tuệ, tâm huyết và sự nhiệt tình của Thầy đã giúp em vượt qua rất nhiều khó khăn để có thể hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn Thầy TS Trần Văn Hùng và Thầy TS Võ Hồng Hải đã đọc và nhận xét luận văn

Ngoài ra em xin cảm ơn các anh chị các khóa trước và bạn bè trong lớp đã động viên, giúp đỡ, hướng dẫn, đóng góp ý kiến cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Hơn hết là lòng biết ơn đối với cha mẹ và toàn thể thành viên trong gia đình đã giúp

đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Mục lục 1

Danh mục các bảng 5

Danh mục các hình vẽ 5

Mở đầu 11

Chương 1 – Các khái niệm về an toàn bức xạ 13

1.1 Các khái niệm liên quan đến an toàn bức xạ 13

1.1.1 Liều hấp thụ 13

1.1.2 Liều chiếu 14

1.1.3 Liều hiệu dụng 14

1.2 Liều giới hạn được phép 17

Chương 2 – Sự che chắn bức xạ gamma 19

2.1 Cơ sở lí thuyết của sự che chắn bức xạ gamma 19

2.2 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học điểm 21

2.2.1 Trường hợp không che chắn 21

2.2.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 21

2.3 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học dây thẳng 22

2.3.1 Trường hợp không che chắn 22

2.3.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 25

2.4 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học dây tròn 26

2.4.1 Trường hợp không che chắn 26

2.4.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 27

2.5 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học đĩa 29

2.5.1 Trường hợp không che chắn 29

2.5.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 30

2.6 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học cầu rỗng 31

2.6.1 Trường hợp không che chắn 31

2.6.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 32

2.7 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học cầu đặc 34

2.7.1 Trường hợp không che chắn 34

2.7.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 35

2.8 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học trụ rỗng 36

2.8.1 Trường hợp không che chắn 36

2.8.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 37

2.9 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học trụ đặc 39

2.9.1 Trường hợp không che chắn 39

2.9.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 40

Chương 3 – Chương trình mô phỏng đường đẳng liều đối với các nguồn bức xạ gamma có dạng hình học khác nhau 42

3.1 Yêu cầu của chương trình 42

3.2 Giao diện chính (form main) 44

3.3 Nguồn dạng điểm 44

3.3.1 Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 1) 44

3.3.2 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 2) 45

3.3.3 Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 3) 47

3.3.4 Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 4) 48

3.3.5 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 5) 49

3.4 Nguồn dạng dây thẳng 50

3.4.1 Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 6) 50

3.4.2 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 7) 50

3.4.3 Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 8) 52

3.4.4 Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 9) 53

3.4.5 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 10) 53

3.5 Nguồn dạng dây tròn 55

3.5.1 Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 11) 55

3.5.2 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 12) 55

3.5.3 Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 13) 57

3.5.4 Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 14) 58

3.5.5 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 15) 58

3.6 Nguồn dạng đĩa 60

3.6.1 Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 16) 60

3.6.2 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 17) 60

3.6.3 Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 18) 62

3.6.4 Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 19) 63

3.6.5 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 20) 63

3.7 Nguồn dạng cầu rỗng 65

3.7.1 Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 21) 65

3.7.2 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 22) 65

3.7.3 Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 23) 67

3.7.4 Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 24) 68

3.7.5 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 25) 68

3.8 Nguồn dạng cầu đặc 70

3.8.1 Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 26) 70

3.8.2 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 27) 70

3.8.3 Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 28) 72

3.8.4 Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 29) 73

3.8.5 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 30) 73

3.9 Nguồn dạng trụ rỗng 75

3.9.1 Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 31) 75

3.9.2 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 32) 75

3.9.3 Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 33) 77

3.9.4 Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 34) 78

3.9.5 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 35) 78

3.10 Nguồn dạng trụ đặc 80

3.10.1 Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 36) 80

3.10.2 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 37) 80

3.10.3 Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 38) 82

3.10.4 Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 39) 83

3.10.5 Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 40) 83

Kết luận 85

Kiến nghị và hướng phát triển 87

Tài liệu tham khảo 88

Phụ lục 1 : Các hằng số của các nguồn phóng xạ 89

Phụ lục 2 : Các hằng số A1, α1, α2, δD, μ của một số vật liệu che chắn 90

Phụ lục 3 : Các giải thuật sử dụng trong chương trình 91

Phụ lục 4 : Kết quả tính suất liều của các dạng nguồn 93

DANH MỤC CÁC BẢNG Stt Tên Trang

1 Bảng 1.1 : Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ

1 Hình 2.1 : Sự hấp thụ chùm gamma trong điều kiện chùm tia rộng 19

2 Hình 2.2 : Dạng nguồn điểm không che chắn 21

3 Hình 2.3 : Dạng nguồn điểm được che chắn bởi tấm có bề dầy d 22

4 Hình 2.4 : Dạng nguồn dây thẳng không che chắn 23

5 Hình 2.5 : Nguồn dạng dây thẳng, điểm khảo sát nằm trên giá

6 Hình 2.6 : Dạng nguồn dây thẳng được che chắn bởi tấm che có

7 Hình 2.7 : Dạng nguồn dây tròn không che chắn 26

8 Hình 2.8 : Dạng nguồn dây tròn được che chắn bởi tấm che có

9 Hình 2.9 : Dạng nguồn đĩa không che chắn 29

10 Hình 2.10 : Dạng nguồn đĩa được che chắn bởi tấm che có

11 Hình 2.11 : Dạng nguồn cầu rỗng không che chắn 31

12 Hình 2.12 : Dạng nguồn cầu rỗng được che chắn bởi tấm che có

13 Hình 2.13 : Nguồn cầu đặc không che chắn 34

14 Hình 2.14 : Dạng nguồn cầu đặc được che chắn bởi tấm che có bề

15 Hình 2.15 : Dạng nguồn trụ rỗng không che chắn 37

16 Hình 2.16 : Dạng nguồn trụ rỗng được che chắn bởi tấm che có bề

17 Hình 2.17 : Dạng nguồn trụ đặc không che chắn 40

18 Hình 2.18 : Dạng nguồn trụ đặc được che chắn bởi tấm che có bề

22 Hình 3.4 : Đường đẳng liều của nguồn điểm không sử dụng

23 Hình 3.5 : Mặt đẳng liều của nguồn điểm không sử dụng che chắn 47

25 Hình 3.7 : Giao diện form 4 48

27 Hình 3.9 : Đường đẳng liều của nguồn điểm có sử dụng che chắn 49

30 Hình 3.12 : Đường đẳng liều của nguồn dây thẳng không sử dụng

31 Hình 3.13 : Mặt đẳng liều của nguồn dây thẳng không sử dụng

35 Hình 3.17 : Đường đẳng liều của nguồn dây thẳng có sử dụng

38 Hình 3.20 : Đường đẳng liều của nguồn dây tròn không sử dụng

41 Hình 3.23 : Giao diện form 14 58

43 Hình 3.25 : Đường đẳng liều của nguồn dây tròn có sử dụng

46 Hình 3.28 : Đường đẳng liều của nguồn đĩa không sử dụng

47 Hình 3.29 : Mặt đẳng liều của nguồn đĩa không sử dụng che chắn 62

51 Hình 3.33 : Đường đẳng liều của nguồn đĩa có sử dụng che chắn 64

54 Hình 3.36 : Đường đẳng liều của nguồn cầu rỗng không sử dụng

57 Hình 3.39 : Giao diện form 24 68

59 Hình 3.41 : Đường đẳng liều của nguồn cầu rỗng có sử dụng

62 Hình 3.44 : Đường đẳng liều của nguồn cầu đặc không sử dụng

63 Hình 3.45 : Mặt đẳng liều của nguồn cầu đặc không sử dụng

67 Hình 3.49 : Đường đẳng liều của nguồn cầu đặc có sử dụng

70 Hình 3.52 : Đường đẳng liều của nguồn trụ rỗng không sử dụng

71 Hình 3.53 : Mặt đẳng liều của nguồn trụ rỗng không sử dụng

72 Hình 3.54 : Giao diện form 33 77

75 Hình 3.57 : Đường đẳng liều nguồn trụ rỗng có sử dụng che chắn 79

78 Hình 3.60 : Đường đẳng liều của nguồn cầu đặc không sử dụng

79 Hình 3.61 : Mặt đẳng liều của nguồn trụ đặc không sử dụng

83 Hình 3.65 : Đường đẳng liều nguồn trụ đặc có sử dụng che chắn 84

MỞ ĐẦU

Kể từ khi vật lí hạt nhân ra đời, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ hạt nhân phục vụ lợi ích con người đã đạt được những thành công đáng kể Hiện nay, các nguồn bức xạ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Ở nước ta việc sử dụng các nguồn bức xạ đặc biệt là nguồn bức xạ gamma đang giữ vai trò quan trọng trong các ngành : nông nghiệp, công nghiệp, y học và sinh học Nhiều trung tâm chiếu xạ, nhiều bệnh viện đã sử dụng các nguồn phóng xạ gamma trong nghiên cứu khoa học và trong điều trị đã đạt nhiều thành tựu đáng kể

Bên cạnh đó vấn đề an toàn bức xạ ion hóa là một vấn đề đặc biệt quan trọng cần phải nghiên cứu Khi sử dụng các nguồn bức xạ luôn tiềm ẩn những nguy cơ gây tổn hại đến sức khỏe con người Khi sử dụng nhiều nguồn phóng xạ và thời gian làm việc càng lâu thì nguy cơ nhiễm phóng xạ càng lớn Khi sử dụng các nguồn phóng xạ gamma, điều cần quan tâm nhất là suất liều chiếu, là đại lượng đặc trưng cho năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian Thực tế người ta thường quan tâm đến những điểm có cùng suất liều hay nói khác đi là các đường đẳng liều (trong mặt phẳng) và mặt đẳng liều (trong không gian) tạo ra bởi nguồn phóng xạ gamma

Khi sử dụng các nguồn gamma hoạt độ mạnh ta cần phải che chắn bởi một loại vật liều có bề dầy xác định nhằm đạt được suất liều mong muốn tại điểm khảo sát

Những vấn đề trên được giải quyết nhanh chóng với sự giúp đỡ của máy tính Trong nước có một số đề tài nghiên cứu về vấn đề xây dựng chương trình mô phỏng nguồn bức xạ gamma Đặc biệt là ở khoa Vật lí - Trường Đại học Khoa học tự nhiên TP HCM Những luận văn tốt nghiệp của sinh viên và những công trình khoa học của Thầy Châu Văn Tạo đã ứng dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để mô phỏng Tuy nhiên những công trình đó chưa nghiên cứu được hết tất cả các dạng nguồn gamma có dạng hình học xác định vì thế những chương trình này còn hạn chế khi ta cần nghiên cứu nhiều dạng nguồn khác nhau Trên thế giới đã có một số chương trình mô phỏng : Mercurad – 3D [12], MicroShield [15] Các chương trình này cho

phép tính suất liều chiếu, tính bề dầy vật liệu che chắn nhằm đảm bảo an toàn cho người sử dụng các nguồn gamma Tuy nhiên những phần mềm đó chưa phổ biến ở Việt Nam và khó sử dụng

Trong khuôn khổ đề tài này đã trình bày công thức giải tích tính suất liều chiếu tại một điểm của các dạng nguồn cơ bản (điểm, dây thẳng, dây tròn, đĩa, cầu rỗng, cầu đặc, trụ rỗng, trụ đặc) trong hai trường hợp không sử dụng và có sử dụng che chắn Bên cạnh đó, chương trình mô phỏng được xây dựng cho các dạng hình học

cơ bản của nguồn nêu trên Chương trình áp dụng cho một số nguồn thông dụng như : 27Co60, 53I131, 55Cs137, 77Ir192, 18Ar41, 19K40, 29Cu64, 30Zn65 Với các vật liệu che chắn được mô phỏng trong chương trình là : bê tông, nhôm, sắt, thiếc, chì

Phương pháp nghiên cứu chủ yếu của đề tài này là dựa trên nghiên cứu lí thuyết

và thực hành trên máy tính Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab [2, 14] và phương pháp giải tích số [4] để mô phỏng chương trình Luận văn được trình bày trong các chương chính :

Chương 1 : Các khái niệm về an toàn bức xạ

Chương 2 : Sự che chắn bức xạ gamma

Chương 3 : Chương trình mô phỏng đường đẳng liều của các nguồn bức xạ gamma có dạng hình học khác nhau

CHƯƠNG 1 : CÁC KHÁI NIỆM VỀ AN TOÀN BỨC XẠ

1.1 Các khái niệm liên quan đến an toàn bức xạ

Δm [kg] : khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ

Đơn vị của liều hấp thụ là J/kg hoặc erg/g

Đơn vị ngoại hệ là rad : 1 rad = 100 erg/g

Ngày nay người ta thường dùng đơn vị Gray (Gy) : 1 Gy = 100 rad [6, 9, 10]

Giá trị liều hấp thụ bức xạ phụ thuộc vào tính chất của bức xạ và môi trường hấp thụ Sự hấp thụ năng lượng của môi trường đối với tia bức xạ là do tương tác của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất Do đó năng lượng hấp thụ trong một đơn vị khối lượng phụ thuộc vào năng lượng liên kết của các electron với hạt nhân nguyên tử có trong một đơn vị khối lượng của môi trường vật chất hấp thụ, nó không phụ thuộc vào trạng thái kết tụ của vật chất [6]

1.1.1.2 Suất liều hấp thụ

Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian [5, 6, 9]

ht ht

ΔD

P =

Trong đó : ΔDht [J/kg] : liều hấp thụ trong thời gian Δt

Đơn vị của suất liều hấp thụ là W/kg hoặc rad/s hoặc Gy/s [5, 6, 9]

Nếu suất liều hấp thụ là một hàm của thời gian, khi đó liều hấp thụ sẽ được tính theo công thức :

t

ht ht 0

Đơn vị của liều chiếu là Culong trên kg (C/kg)

Đơn vị ngoại hệ là Roentgen Kí hiệu R, với 1 C/kg = 3876 R [6, 10]

1.1.2.2 Suất liều chiếu

Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian [6]

chΔD

P =

Trong đó P là suất liều chiếu, ΔDch là liều chiếu của tia X hoặc tia Gamma, Δt

là khoảng thời gian để có được liều chiếu trên

Đơn vị của suất liều chiếu là A/kg hoặc R/s [6, 10]

1.1.3 Liều hiệu dụng

1.1.3.1 Trọng số phóng xạ

Khi hấp thụ bức xạ, mô sinh học bị tổn thương Sự tổn thương này phụ thuộc vào số cặp ion được tạo ra trong một đơn vị chiều dài quãng đường của hạt (mật độ ion hóa tuyến tính) hoặc phụ thuộc vào sự truyền năng lượng tuyến tính trên một đơn vị quãng đường của hạt bức xạ Các loại bức xạ ion hóa khác nhau gây ra những tác động sinh học khác nhau Năm 1990, IAEA đã sử dụng khái niệm “ Hệ

số trọng số phóng xạ” (Radiation Weighting Factor) Wr Giá trị của Wr của một số bức xạ ion hóa được cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1 : Hệ số trọng số phóng xạ đối với một số loại bức xạ (ICRP –1990) [6]

Loại và khoảng năng lượng của bức xạ Trọng số phóng xạ Wr

Photon, tất cả năng lượng 1 Electron và muon, tất cả năng lượng 1

Neutron, năng lượng từ 10 KeV đến 100 KeV 10

Neutron, năng lượng từ 100 KeV đến 2 MeV 20

Neutron, năng lượng từ 2 MeV đến 20 MeV 10

Những proton giật lùi, năng lượng > 2 MeV 5

Hạt anpha, những mảnh phân hạch, hạt nhân nặng 20

1.1.3.2 Liều hấp thụ trung bình trong cơ quan hoặc tổ chức

Liều hấp thụ trung bình trong mô hoặc cơ quan đặc biệt T của cơ thể con người

được cho bởi [6] :

mT là khối lượng của mô hoặc cơ quan, Dht là liều hấp thụ trong yếu tố dm, εTlà

năng lượng toàn phần truyền cho khối lượng mT

1.1.3.3 Liều tương đương

Trong thực nghiệm cho thấy hiệu ứng sinh học gây ra bởi bức xạ không chỉ phụ

thuộc vào liều hấp thụ mà còn phụ thuộc vào loại bức xạ Một đại lượng được dùng

là liều tương đương : tương đương có nghĩa là giống nhau về tác dụng sinh học Để

so sánh tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau, một bức xạ được chọn làm

chuẩn là tia X năng lượng 200 KeV Liều tương đương là liều hấp thụ trung bình

trong mô hoặc cơ quan T do bức xạ r nhân với hệ số trọng số phóng xạ tương ứng

Wr của bức xạ [6]

Trong trường hợp có nhiều loại bức xạ thì liều tương đương được tính bởi :

T r T,r r

Bảng 1.2 : Các trọng số mô đặc trưng cho các mô trong cơ thể WT (1990) [3, 6]

Các trọng số mô trong bảng 1.2 được xác định đối với một tập hợp dân chúng có

số nam bằng số nữ và phổ ở độ tuổi tương đối rộng Tổng các trọng số mô bằng 1

Liều hiệu dụng là tổng của những liều tương đương ở các mô hay cơ quan nhân với trọng số mô tương ứng

T T T

DT,r là liều hấp thụ trung bình trong mô hoặc cơ quan T đối với bức xạ r

Đơn vị của liều hiệu dụng là Jun trên kg (J/kg) hoặc Sievert (Sv)

1.2 Liều giới hạn được phép

Bức xạ hạt nhân làm tổn hại đến tế bào sống Sự hủy diệt các tế bào này càng trở nên nghiêm trọng hơn khi các giác quan con người không thể nhận biết được ngay

cả những bức xạ gây chết người Tác động đầu tiên của quá trình chiếu xạ là hủy diệt các tế bào sống – thành phần chủ yếu của cơ thể sống Những hiệu ứng bức xạ

có thể gây ra là các loại hiệu ứng tất nhiên, ngẫu nhiên, sớm hay muộn, loại di truyền hay xô – ma [6]

Nhiệm vụ chủ yếu của việc chống bức xạ ion hóa là không để sự chiếu xạ trong

và ngoài có thể vượt quá giới hạn cho phép nhằm phòng ngừa các bệnh thân thể và

di truyền cho con người Liều được phép giới hạn được coi là mức chiếu xạ hằng năm của một nhân viên, khi liều lượng tích lũy trong vòng 50 năm không gây ra những biến đổi bất lợi có thể phát hiện được bằng các phương pháp hiện đại về tình trạng sức khỏe của bản thân nhân viên bị chiếu xạ và con cháu của người đó [6]

Liều cho phép đối với một cá nhân là liều được tích lũy trong thời gian dài hoặc trong một lần chiếu đơn lẽ mà theo những hiểu biết hiện nay sẽ gây ra một xác suất thương tổn gen hoặc xô – ma nghiêm trọng là nhỏ và không đáng kể [6]

Bảng 1.3 cho biết liều giới hạn được ICRP (International Commission on Radiological Protection) đưa ra qua các thời kì Các tiêu chuẩn quốc gia quy định

trong các luật sử dụng về an toàn phóng xạ của các nước trên thế giới hiện nay đều

dựa trên khuyến cáo này

Bảng 1.3 : Giới hạn liều qua các thời kì của ICRP [6, 10, 11, 13]

Từ năm 1977, trong khuyến cáo của ICRP Publication 26, ICRP không còn dùng

thuật ngữ “ Liều cho phép lớn nhất” nữa, thay vào đó Ủy ban giới thiệu một hệ

thống các giới hạn liều bao quát hơn, với những nét chính như sau [6] :

™ Không một công việc nào dẫn đến việc chiếu xạ được chấp nhận trừ khi việc

tiến hành công việc đó mang lại lợi nhuận ròng

™ Ngoài ra, tất cả các chiếu xạ phải được giữ thấp nhất ở mức có thể đạt được

một cách hợp lí, với các yếu tố kinh tế xã hội được tính đến

™ Liều tương đương của mỗi cá nhân không được vượt quá giới hạn mà ICRP

đã khuyến cáo cho các hoàn cảnh thích hợp

CHƯƠNG 2 : SỰ CHE CHẮN BỨC XẠ GAMMA

2.1 Cơ sở lí thuyết của sự che chắn bức xạ gamma

Khi chùm bức xạ gamma hẹp, hay còn gọi là điều kiện hình học tốt, đi qua môi trường có bề dầy x, cường độ chùm tia giảm theo công thức :

-μx 0

I0 : cường độ chùm tia trước khi qua tấm vật liệu

μ : hệ số suy giảm tuyến tính phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật độ của vật liệu môi trường

x : bề dầy của lớp vật chất

Tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp, chùm tia bức xạ là những chùm tia rộng hoặc che chắn rất dầy (điều kiện hình học xấu) thì công thức (2.1) thường cho thấy kết quả tính toán bề dầy vật liệu che chắn nhỏ hơn thực nghiệm Trong điều kiện hình học xấu thì công thức trên không còn đúng nữa vì nhiều photon sau khi tán xạ với vật liệu che vẫn rơi vào dedector

Hình 2.1 : Sự hấp thụ chùm gamma trong điều kiện chùm tia rộng

Cường độ của chùm bức xạ rộng sau khi đi qua tấm vật liệu được đóng góp thêm bởi các bức xạ thứ cấp và được mô tả bằng công thức [5, 6] :

-μx N 0

Photon vào Photon ra

Z là bậc số nguyên tử của môi trường, hν là năng lượng của bức xạ tới, x là bề dầy của lớp vật liệu

Nếu dùng máy đo để xác định cường độ bức xạ trong điều kiện chùm rộng và hẹp với các tham số (hν, Z, μx) là như nhau Chỉ số của máy dò trong điều kiện của chùm rộng sẽ lớn hơn trong điều kiện của chùm hẹp do đóng góp của bức xạ tán xạ Ngoài ra, người ta cũng sử dụng hệ số hiệu chỉnh là tỉ số giữa hệ số tích lũy trong dạng hình học cản và hệ số tích lũy trong môi trường vô hạn đối với nguồn phẳng đơn hướng [6, 9] :

2.2 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học điểm 2.2.1 Trường hợp không che chắn

Hình 2.2 : Dạng nguồn điểm không che chắn

Suất liều chiếu tại P của nguồn bức xạ điểm có độ phóng xạ C, có hằng số gamma Kγ tạo ra ở điểm cách nó một khoảng R khi không có lớp che chắn là [6] :

2

K CP

h.mC ] là hằng số gamma của chất phóng xạ được che trong phụ lục 1

2.2.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Xét trong hệ quy chiếu (Oxyz) Nguồn được đặt ở gốc tọa độ, ta tính suất liều tại điểm P có tọa độ : P = (a, b, h)

Hình 2.3 : Dạng nguồn điểm được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Vậy : -μx = -μd a + b + h2 2 2

b

D

-μx C

b

-μ x

e = e

2.3 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học dây thẳng

2.3.1 Trường hợp không che chắn

Nguồn có dạng đoạn dây AB = 2L, có độ phóng xạ toàn phần C phân bố đều trên dây với mật độ q C

Hình 2.4 : Dạng nguồn dây thẳng không che chắn

c Khi a = 0 và h = 0 (điểm P nằm trên giá của nguồn), ta xét hai trường hợp :

- Không tính đến sự tự hấp thụ của nguồn :

( )

( ) ( )

Hình 2.5 : Nguồn dạng dây thẳng, điểm khảo sát nằm trên giá của nguồn

P K q

R

−μ − γ

( ) ( )

μ +

( ) ( )

( ) s s s

2.3.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Xét trong hệ quy chiếu (Oxyz) Nguồn được đặt ở gốc tọa độ nằm dọc theo trục

Ox, ta tính suất liều tại điểm P có tọa độ : P = (a, b, h)

Trên nguồn ta lấy một phần tử vi cấp dl ta xem dl như một điểm có tọa độ :

d = (x, 0, 0)l

Xét điểm P = (a, b, h), ta có R = (a - x, b, h)ur

Tấm che được đặt hợp sao cho góc hợp bởi nguồn và tấm che là φ với 0 φ < 90≤ Góc φphải thỏa thêm điều kiện là điểm P nằm sau tấm che

Hình 2.6 : Dạng nguồn dây thẳng được che bởi tấm che có bề dầy d

( ) R.d (a - x - dsinφ + d.bcosφ)( ) (x - a sinφ + bcosφ)

Vậy : ( )

2 2 2-μd x - a + b + h-μx =

L γ

2 2 2-L

2 2 2 -μd x - a + b + h

Nếu tấm che song song với nguồn thì φ = 0

2.4 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học dây tròn

2.4.1 Trường hợp không che chắn

Hình 2.7 : Dạng nguồn dây tròn không che chắn

Nguồn phóng xạ có dạng vòng tròn bán kính r0 có độ phóng xạ toàn phần C phân bố đều trên dây, ta có suất liều chiếu tại điểm P [6, 9] :

( )2 2( )2 4

K CP

K CP

R r

γ

⇒ =

2.4.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Hình 2.8 : Dạng nguồn dây tròn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Xét trong hệ quy chiếu (Oxyz) Nguồn được đặt ở gốc tọa độ, ta tính suất liều tại điểm P có tọa độ : P = (a, b, h)

Lấy trên nguồn một phần tử vi cấp dl ta xem như một điểm có tọa độ :

2.5 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học đĩa

2.5.1 Trường hợp không che chắn

Hình 2.9 : Dạng nguồn đĩa không che chắn

Giả sử nguồn có dạng đĩa bán kính r0 có độ phóng xạ C, mật độ độ phóng xạ

0

r hC

2.5.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Hình 2.10 : Dạng nguồn đĩa được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Xét trong hệ quy chiếu (Oxyz) Nguồn có tâm ở gốc tọa độ, ta tính suất liều tại điểm P có tọa độ : P = (a, b, h)

Trên nguồn đĩa ta lấy một phần tử vi cấp diện tích dS, ta xem dS như một điểm

có tọa độ :

dS = (rcosφ, 0, rsinφ); R = (a - rcosφ, b, h - rsinφ)ur

Do tấm che vuông góc Oy nên d = (0, d, 0)r (b d > 0 ≥ )

b

i=1 0

2.6 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học cầu rỗng

2.6.1 Trường hợp không che chắn

Hình 2.11 : Dạng nguồn cầu rỗng không che chắn

Nguồn gamma có dạng cầu rỗng bán kính r0, độ phóng xạ toàn phần C, mật độ

độ phóng xạ mặt 2

0

C

σ = 4πr , suất liều tại điểm P [6] :

2.6.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Hình 2.12 : Dạng nguồn cầu rỗng được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Xét trong hệ quy chiếu (Oxyz) Tâm nguồn được đặt ở gốc tọa độ, ta tính suất liều tại điểm P có tọa độ : P = (a, b, h)

Trên nguồn cầu rỗng ta lấy một phần tử vi cấp diện tích dS, ta xem dS như một điểm có tọa độ :

2.7 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học cầu đặc

2.7.1 Trường hợp không che chắn

Nguồn bức xạ gamma có dạng hình cầu đặc bán kính r0, độ phóng xạ toàn phần

C phân bố đều với mật độ 2

Hình 2.13 : Nguồn cầu đặc không che chắn

Trong đó : cos r, R = sinφ.sinθ( )r r

Cuối cùng ta có biểu thức giải tích để tính suất liều tại P như sau :

2.7.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Xét trong hệ quy chiếu (Oxyz) Tâm nguồn được đặt ở gốc tọa độ, ta tính suất liều tại điểm P có tọa độ : P = (a, b, h)

Trên nguồn ta lấy một phần tử vi cấp thể tích dV, ta xem dV như một điểm có tọa độ :

dV = (rsinθcosφ, rsinθsinφ, rcosθ)

Hình 2.14 : Dạng nguồn cầu đặc được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

R = (a - rsinθcosφ, b - rsinθsinφ, h - rcosθ)

3 i=1 0

2.8 Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học trụ rỗng

2.8.1 Trường hợp không che chắn

Nguồn trụ rỗng có độ phóng xạ toàn phần C và mật độ

0

C

σ = 2πr HXét trong hệ quy chiếu (Oxyz) Tâm nguồn được đặt ở gốc tọa độ nguồn nằm dọc trục Oz, ta tính suất liều tại điểm P có tọa độ : P = (a, b, h)

Trên nguồn ta lấy một phần tử vi cấp diện tích dS, ta xem dS như một điểm có tọa độ :

0 0

dS = (r cosφ, r sinφ, z)

2 2 2 -H/2 0 0 0

P =

2.8.2 Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Xét trong hệ quy chiếu (Oxyz) Tâm nguồn được đặt ở gốc tọa độ, ta tính suất liều tại điểm P có tọa độ : P = (a, b, h)

Rur

Trên nguồn ta lấy một phần tử vi cấp diện tích dS, ta xem dS như một điểm có tọa độ :

Hình 2.16 : Dạng nguồn trụ rỗng được che chắn bởi tấm che có bề dầy d

Do tấm che vuông góc trục Oy nên d = (0, d, 0)r (b d + r > 0 ≥ 0 )

b - r sinφ

Rur