Tính toán phân bố liều trong sản phẩm chiếu xạ và tính toán an toàn đối với máy gia tốc uerl 10 15s2

Chương 2: Tương tác electron với vật chất, chương trình MCNP4C2; trình bày về tương tác của electron, các cơ chế electron đề lại năng lượng và bị hấp thụ trong vật chất chiếu xạ.. Chươn

PD IH CQU CGIATHANH PH H_ CHI MINH

CAO VAN CHUNG

TINH TOAN PHANB LI UTRONGS N

PH MCHI UX VA TINH TOAN AN TOAN

LOI CAM ON

Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

- Ban Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ đã

khuyến khích, tạo điều kiện cho tác giả hoàn tất chương trình Cao học;

- TS Trần Văn Hùng đã định hướng cho tác giả hoàn thành luận văn này;

- Các Thay/C6 thuộc bộ môn Vật lý Hạt nhân, các Thầy/Cô thỉnh giảng đã

cung cấp những kiến thức quý báu cho tác giả trong quá trình học Cao học;

- Các Thầy/Cô trong Hội đồng chấm luận văn đã đóng góp những ý kiến quý

báu giúp luận văn được hoàn thiện hơn;

-CN Nguyễn Anh Tuấn đã cùng tác giả thực hiện các tính toán được trình bay trong luận văn này;

- Gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã động viên tác giả trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận văn

Không có những nguồn động viên, giúp đỡ trên tác giả khó hoàn thành được luận văn cũng như hoàn tất các học phần thuộc chương trình Cao học Vật lý Hạt nhân, Nguyên tử và Năng lượng cao K17

Xin chân thành cảm ơn

Cao Văn Chung

1.1 Giới thiệu máy gia tốc UERL-10-15S2 [5] [6] . - 3

1.2 Các thành phần chính của máy gia tốc UERL-10-15§2 [5] [6] 3

1.3 HH6T CHECHEN DUCR IÌ] [6] ccowszbasssegsoauadaoagnilsyensseasgoasiÐ

14 Ong gia 166 [57 [67 [9] cssemancnccnumannanaenmanmnenanmamann 8

1.5 Hệ thống quét chim tia [5]

LO KIVSHOH [S][1G) sessed 0

TƯƠNG TÁC ELECTRON VỚI VẬT CHẤT CHƯƠNG TRÌNH MCNP(4C2) 12

2.1 Tương tác electron với vật HẤY [fÏ ssarisstriotittitS00050011200830031030301080100030đ080 12

2.1.1 Sự mat nang lugng do ion héa

2.1.2 Su mất mát HANS NONE dO DURE cacsvdiiiiiiisGdiinodiadaddadiaaadaveasaaeo 2.2 Chương trình MCNP(4C2) [4]_ c555555ccccccsrrsrerrrr , TỔ

2.2.1 Giới thiệu về chương trình MCNP

2.2.2 Các đặc trưng cơ bản của chương trình MCNP .- 17

3.2 D6 bat đồng đều về liều nhận được trong đối tượng chiếu xạ

3.3 Giới hạn chiều dày của đối tượng chiếu xạ, chiều dày tối ưu 32

3.4 Sử dụng bộ lọc nhằm mở rộng giới hạn chiều dày đối tượng 33 3.5 Hiện tượng phân bố liều giảm tại biên đối tượng chiếu 3Ñ :avrbouisiiaensguogi

3.6 Các phương pháp hạn chế hiện tượng liều giảm tại biên 36

3.6.1 Thay đổi chiều rộng đối tượng chiếu xạ

8:6.2:B8b?0ớI.đồiTƯữHE GHIẾH RE eve err son serrenen riers ren numer ST

DANH GIA AN TOAN CAC THIET KE CHE CHAN CUA THIET BI] UERL-10-

4.2 Kha nang phat bic xa ham cua chim electron phat từ thiệt bi

4.3 Che chắn nguồn photon phát ra qua quá trình phát bức xa ham [6] .40 4.3.1 Che chắn các photon từ nguồn phát electron 10 MeV 41 4.3.2 Che chắn photon tán xạ trong khối che chắn . - 42 4.4 Kết quả tính toán chiều dày cho khối bê tông che chắn thiết bị chiếu xạ [6] 45

4.4.1 Suất liều giới hạn tại các vị trí làm việc -ccccccccccccrrrercer 45 4.4.2 Suất liều tại vị trí Ö cv he 46

4.4.3 Cấu trúc che chắn của máy gia tốc c::©ccccccccccccccvee 46

4.5.4 Tính toán với trường hợp nguồn electron 10 MeV

4.6 Tính toán an toàn cho khu dân cư xung quanh Trung tâm 6Š 4,6.1 Tính toán phố photon trần nhà chiếu xạ -: 65

4:6.2:T18B †öáñi SKỷ-SHIŠ: go xoncGag1G1063g0000306ÿ000)0ã3g00.300xÿggöng 68

KẾT TUẦN totbsuagbaltGgubisobeilittcathiGuitatistitGät6eiiuxquauadaaul 70 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH

ÁN :EIỆU'THANM KHẢO susaenoaasotiesoieidglostdtosgilivbogipiseautisassaspoff

PHIDỰ ttotdteetnetaterhgttitittgDdGGH-DR+GHHENGNIGSIG2.g0 E0 018000gp,ssergesrrj05I

DANH MUC CAC BANG

Trang

Chuong |

Bang 1.1: Théng số chính của hệ băng chuyền của máy gia tốc UERL-10-15S2

Bang 1.2: Các thông số cơ bản của máy ƯERL-10-15§2 cccccc5vvccc Š

Bang 1.3: Danh mục các thiết bị của máy gia tốc UERL-10-15§2 - 5

Bảng 3.2: Tỷ số Dynax/Dmin Va hiéu suất sử dụng chùm tia của đối tượng chiêu

xạ có chiều dày 20cm, tỷ trọng 0,4 g/cmỶ với các chiều rộng khác nhau 36

Bảng 3.3: Ảnh hưởng bao gói đến hiện tượng liều giảm tại biên, đối với

đối tượng có tỷ trọng 0,4 g/€HỶ cv 38 Chương 4

Bảng 4.1; Giá trị TVL cho các photon tắn Xạ à cà etereetrrrrrrerrrrrrrrrrrir 45

Bang 4.2: Suất liều giới hạn cho các vị trị

Bảng 4.3: Các điểm tính toán ứng với từng nhóm làm việc khác nhau

Bảng 4.4: Chiều dày bê tông che chắn các photon truyền qua Š2 Bang 4.5: Suất liều giới hạn và chiều dày bê tông che chắn các photon truyền qua sau khi tán xạ trong kết cầu của nhà chiều xạ S3

Bảng 4.10: phổ photon tại tầng trên nhà chiếu xạ ¿c: 5222vvcc222cvvzsrrrrrrrr 66

Bảng 4.11: Kết quá tính toán sky-shine 5222 tri 69

Hình 1.5; Câu trúc bê tông tầng 1 của khối che chắn

Hình 1.6: Cấu trúc bê tông tầng trệt và tầng 1 của khối che chắn a

Hình 1.7: Cấu trúc một ống gia tốc dùng sóng RF

Hình 1.8: Cơ cấu gia tốc hạt p trong ống gia tốc sử dụng sóng RE 8

Hinh 1.9: Hệ thống quét chùm tỉa

Hình 1.10: Cấu trúc của THÔ KÍY SH TT cái 1505 08810 s404867612đ1ag84a13516733201406510142 3683 Il

Chương 3

Hình 3.1: Vết của electron khi đi vào một số chất - ¿ cc: cvcccvccvcccccvz 28

Hình 3.2: Đồ thị phân bố liều theo chiều sâu các tỷ trọng, electron 10 MeV 30 Hình 3.3: Độ bắt đồng đều về liều theo các tỷ trọng của đối tượng

chiếu xạ trên máy UERL-10-15S2

Hình 3.4 : Độ bất đồng đều liều chiếu xạ trong sản phâm theo tỷ trọng mặt

li đối TựdHfð GHIỆN Xu gi ng kg 10 Giả kg tia s60 1/04 1g ng 220066011024008008° 32

Hình 3.5: Vị trí lớp nhôm được thêm vào giữa đối tượng và đầu quét G8 HH ĐTR Ế Göoocgios nhĩ Ho DO OHHIHỊAgHRGHGUGQỌHISGHEIGEiSGttG.ĐEnxgiaEtg 34

Hình 3.6: Phân bố liều theo chiều quét chủm tịa -c5555svvscccc.cee 39

- viii -

Hình 3.7: Tương tac ctia electron trong vat Chat ccscsscessssssessseesesseessssseeersvensseve 35

Hình 3.8: Phân bó liều trong đối tượng chiếu xạ, (a) kích thước 20x20,

(b) kích thước 20x60 chiều xạ trên cấu Hình máy gia tốc UERL-10-15S2

Hình 3.9: Việc bao gói bằng thùng nhôm làm tăng giá trị Du¿, 38

Chương 4

Hình 4.1: Vi tri Ry, va Ry cia electron trong vật chat có ty trong | giemẺ 39

Hình 4.2: Phổ photon sinh ra trong quá trình chiếu xạ

Hình 4.3: Các giá trị TVL của các vật liệu a: bê tông, b: thép, c chì Đường nét

là các giá trị của lớp thứ nhất, đường liền là cho các lớp hấp thụ tiếp theo 4l Hình 4.4: Đường suy giảm theo chiều dày bê tông che chắn của các nguồn

electron don nang : 1-0,1 MeV; 2-0,24 MeV; 3-0,4 MeV; 4-0,5 MeV; 5-I,0

MeV; 7-2.0 MeV; 9-3,0 MeV; 10-4,0 MeV; 11-6,0 MeV; 12-10 MeV, 6-nguồn Nore

Hình 4.5: Sơ đồ tính toán tán xạ trong lối đi của hệ che chắn nguồn bức x:

Hình 4.6: Hệ số albeldo ứng với các mức năng lượng của bức xạ hãm theo

năng lượng với các góc ©, cho bê tông (mật độ 2,3 g/cm`) -crccee 43

Hình 4.7: Năng lượng photon sau tắn xạ qua các góc của photon tới khác nhau 44

Hình 4.8; Suất liều ứng với các góc sinh ra bởi bức xạ hãm cc.vy 46 Hình 4.9: Mặt cắt doc tầng trệt nhà chiều xạ -cccccccccerrrssecccce.- 47 Hình 4.10: Mặt cắt đọc tầng 1 nhà chiếu xạ -. ccocccoccecerrrseeeeeeeee 47

Hinh 4.18: Mặt cắt Oxy nha chiếu xạ tại vị trí z = 400 Các điểm tương ứng

các vị trí tính tốn liều an tồn - ¿22-2222 22215221127112121 11115 1E1.ccrrerrve $6

Hình 4.19: mặt cắt Oyz nhà chiếu xạ tại vị trí x = 0 Các điểm tương ứng cá

vị trí tính tốn liều an tồn

Hinh 4.20: Phé photon sinh ra khi electron nang lurong 10 MeV bi ham trong

đối tượng và băng chuyền của thiẾt bị, 2c 22222222211 21212227211122212 21111

Hình 4.21: Chiều dày bê tơng tính theo điểm số 6 c cc55cc-cccccccc Ờ

Hình 4.22: Vị trí thùng hàng và băng chuyển thêm vào

Hình 4.23 : Mơ Hình tính tốn suất liều tại vị trí I (số trong các ơ vuơng là

số thứ tự các cell trong files input) -:-ccccvvccceeceerrersrrrrrrrrrr e ƠSỶ

Hình 4.24:Mơ Hình tính suất liều sau tán xạ tại các điểm 6 và 13 63

MO DAU

Sử dụng Công nghệ Bức xạ (CNBX) trong xử lý và bảo quản thực phẩm có nhiều tính ưu việt và công nghệ xử lý thực phẩm bằng CNBX ở Việt Nam cũng đang phát triển rất mạnh Hiện nay, cả nước có 5 năm cơ sở ứng dụng CNBX bao gồm: Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ (Vinagamma), Công

ty An Phú - Bình Dương, Công ty Chiếu xạ Thái Sơn - Cần Thơ, Công ty CP Sơn

Sơn và Trung tâm chiếu xạ Hà Nội, ngoài ra còn có một số cơ sở khác đang lập dự

án xây dựng Trong số các cơ sở chiếu xạ trên, chỉ có Công ty Sơn Sơn sử dụng

máy gia tốc chim electron có bộ chuyển đồi tia X, còn hầu hết các cơ sở khác đều

sử dụng nguồn Co, Như chúng ta đã biết, nguồn Co”? có ưu điểm là khả năng xuyên sâu của tia gamma phát ra là rất tốt; tuy nhiên, việc sử dụng nguồn Co'” có

nhược điểm là định kỳ phải bổ sung thêm nguồn và đẻ lại chất thải phóng xạ Một

°° đó là máy gia tốc Thong

thay thế tốt để giải quyết các khuyết điểm của máy Co

thường máy gia tốc sử dụng trong chiếu xạ thực phẩm sử dụng chùm electron; có

hoặc không có bộ chuyền đổi tia X

Tại Vinagamma đang chuẩn bị đưa vào khai thác máy gia tốc UERL-10-

15S2 sử dụng trực tiếp chùm tia electron có năng lượng 10 MeV, công suất 15 kW

trong quý 3/2010 Tuy nhiên việc chiếu xạ bằng máy gia tốc UERL-10-15S2 gặp

một số khó khăn là hiện nay trong nước có quá ít các tài liệu đề cập về vấn đề chiếu

xạ thực phẩm va dung cu y tế sử dụng chum tia electron; cac tài liệu nước ngoài

cũng chỉ có những kiến thức chung và không nói về một máy gia tốc cụ thể nào

Van dé về an toàn liều lượng cho nhân viên vận hành cũng như khu vực dân

cư xung quanh vị trí lắp đặt máy cũng cần được đánh giá trước khi thiết bị được đưa

vào hoạt động

Trên cơ sở đó, luận văn đã tiền hành tính toán phân bố liều chiếu của các đối

tượng, các điều kiện chiếu xạ, các giới hạn chiếu xạ và tiễn hành tính toán, đánh giá

suất liều xung quanh nhà chiếu xạ phục vụ công tác vận hành thiết bị UERL-10-

1552 tai Vinagamma.

Luận văn bao gồm 4 chương:

Chương I: Máy gia tốc chùm tia electron UERL-10-15S2; trình bày sơ lượt

những thông tin của máy gia tốc bao gồm: các thông số về năng lượng, công suất,

các thành phần của máy gia tốc

Chương 2: Tương tác electron với vật chất, chương trình MCNP(4C2); trình

bày về tương tác của electron, các cơ chế electron đề lại năng lượng và bị hấp thụ trong vật chất chiếu xạ Trong chương này cũng trình bày các kiến thức cơ bản để viết một input files của chương trình MCNP, các vấn đề giảm sai số và các ý nghĩa

kết quả của MCNP

Chương 3: Phân bố liều trong đối tượng chiếu xạ bằng máy gia tốc UERL-

10-15S2, trình bày các tính toán về phân bó liều chiếu, tỷ số bất đồng đều về liều

chiếu xạ, các giới hạn chiếu xạ và hiện tượng liều giảm tại biên đối tượng chiếu xạ

bằng chương trình MCNP và đưa ra một số phương pháp hạn chế các hiện tượng này

Chương 4: Đánh giá an toàn các thiết kế che chắn của thiết bị UERL-10-

152, trình bày các tính toán che chắn của thiết bị bằng lý thuyết và sử dụng MCNP

tính toán lại phân bố liều, đồng thời tính toán hiệu ứng sky-shine cho khu dân cư

xung quanh thiết bị

Chuong 1

MAY GIA TOC CHUM TIA DIEN TU UERL-10-15S2

1.1 Giới thiệu máy gia tốc UERL-10-15S2 [5| [6]

Máy gia tốc electron tuyến tính UERL-10-15§2 lắp đặt tại Vinagamma thuộc

loại Linac được cung cap boi CORAD Service Co.Ltd Máy gia tốc UERL-10-15S2

là một hệ thống bao gồm: hệ thống che chắn bức xạ, hệ thống gia tốc, hệ băng

chuyên, nguồn cao thé thiét bi chiéu Xạ có công suất 15kW, gia tốc chim electron

đạt năng lượng 10 MeV UERL-10-15S2 sử dụng ống gia tốc cộng hưởng để gia tốc

electron bằng sóng cao tần cung cấp bởi klystron Để đáp ứng nhu cầu chiếu xạ,

máy có thiết kế đặc biệt gồm 2 đầu phát đối diện nhau cho phép đồng thời chiếu xạ

sản phẩm trên cả hai mặt Ông gia tốc và đầu quét của khối gia tốc được đưa ra trong Hình 1.1

1.2 Các thành phần chính của máy gia tốc UERL-10-15S2 [5] [6]

Các thành phần chính của máy gia tốc bao gồm:

— Khối che chắn bức xạ;

— Hệ băng chuyền;

— Ông gia tốc;

— Hệ thống quét chùm tỉa;

— Klystron;

— Nguồn và khối điều khiển

Trong đó, khối chiếu xạ (1), klystron (10) và hai hệ thống làm lạnh được đặt

trong khối che chắn phóng xạ ở tầng I Thiết bị tạo xung cho klystron (7) được đặt

ngoài khối che phóng xạ và nối với klystron bằng 4 sợi cáp Bầu đựng khi SF, để

bơm vào hệ thống dẫn sóng (8), bơm nước tản nhiệt (9) và hệ thống làm lạnh tuần hoàn bên ngoài (15) cũng được đặt tại tầng 1 (Hình 1.2)

Các thiết bị khác của máy gia tốc được đặt tại phòng điều khiển tại tầng trệt bao gồm: khối nguồn (4), khối điều khiển (5), tổng đài chính (3) và hệ thống điều

khiển băng chuyền (2) (Hình 1.3)

Hinh 1.2: So do lap dat tang 1 Hinh 1.3: So do lap adit tang trét

Các thông số chỉnh của thiết bị được đưa ra trong các Bang 1.1, 1.2 va 1.3.

Bảng 1.1: Thông số chính của hệ băng chuyền của máy gia tốc UERL-10-15S2

Chiều cao cực đại của thùng hàng 300 mm

Trọng lượng cực đại của thùng hàng 25kg

chính của khối che chắn bức xạ là bê tông (tỷ trọng 2,3 g/cm”) Kích thước và hình

đạng khối che chắn được tính toán sao cho suất liều chiếu xạ cho nhân viên vận

hành và dân cư xung quanh vị trí lắp đặt máy đạt dưới mức cho phép Sơ đồ khối

che chắn được cho trong Hình 1.4, 1.5, 1.6

Hình 1.4: Cấu trúc bê tông tằng trệt của khối che chắn

1.4 Ông gia tốc [5| [6] [9]

Máy gia tốc UERL-10-15S2 sử dụng sóng cao tan (RF) dé gia tốc electron

Ống gia tốc là một hệ thống các hốc cộng hưởng (resonant cavity), thực chất mỗi

hóc cộng hưởng là một thể tích cách điện hoặc chân không được giới hạn bởi vật

liệu dẫn điện Óng gia tốc dùng sóng RF có dạng như trong Hình 1.7

Điều kiện đồng bộ của điện trường gia tốc với hạt được gia tốc yêu cầu hạt đi

qua một hốc cộng hưởng trong một thời gian đúng bằng 7ạz⁄2, chiều dài của một

hốc được tính bằng:

Hạt chuyên động càng chậm thì chiều đài hốc cộng hưởng càng nhỏ

Trong quá trình gia tốc, electron được nhóm lại, thời gian giữa hai nhóm

electron bằng Tz„„=nTp (n=1,2.3 ) Thời gian giữa hai nhóm electron duge gia

tốc bằng một số nguyên lần chu kỳ RF của mỗi hốc cộng hưởng

Ví dụ với fuu=350 MHz (Tuu=2,86 ns) yêu cầu hốc cộng hưởng phải có

f=350 Mhz (Tạy—2,86 ns) hay ƒ=700 Mhz (Tạ:=1.43 ng) hay /=1050 Mhz (Tyy=0,95

-10-

1.5 Hệ thống quét chùm tỉa [5]

Electron sau khi ra khỏi ống gia tốc có năng lượng 10 MeV được đưa qua hệ

quét tia (scanning horn) có dạng Hình tam giác, từ trường trong hệ quét sẽ làm thay

đổi hướng của chùm electron tạo thành một chủm tia Hình rẽ quạt (Hình 1.9),

“Từ trường quét

Cita sé titan ⁄⁄j

Hình 1.9: Hệ thống quét chùm tia

Tần số quét của hệ bằng 50, 100, 200, 300 Hz; chiều dài quét cực đại của hệ

là 60 em Máy gia tốc UERL-10-15S2 có hai hệ quét tia bố trí đối xứng qua hệ băng

tải để thực hiện chiếu xạ hai mặt của đối tượng cùng một lúc

1.6 Klystron [5][10]

Klystron là thiết bị cung cấp song RF cho quá trình gia tốc tại Ống gia tốc

Hệ thống Klystron của máy gia tốc UERL-10-15S2 sử dụng thuộc mẫu Klystron

TH2158 Ngược lại với ống gia tốc, cơ chế hoạt động của klystron là dựa vào hiện tượng cộng hưởng dé tước phần năng lượng của chùm electron và biến đổi thành đạng sống (RF) cung cấp cho ống gia tốc như sau: Nguồn eleetron của klystron

được gia tốc trước khi được đưa qua cấu trúc cộng hưởng; tại cấu trúc ống cộng

hưởng này, một sóng RF cung cấp từ một hệ bán dẫn cũng được đưa vào Trong cấu trúc ông cộng hưởng, electron sẽ mất dần năng lượng qua quá trình cộng hướng với sóng RF và trao phần năng lượng này song RF ban đầu Sau khi mất phần lớn năng

lượng, electron được hấp thụ qua bộ phan hap thụ, sóng RF có năng lượng cao được

Hình 1.10: Cầu trúc của một klystron

= [=

Chương 2

TƯƠNG TÁC ELECTRON VỚI VẬT CHÁT

CHƯƠNG TRÌNH MCNP(4C2)

2.1 Tương tác electron với vật chất [1]

2.1.1 Sự mắt năng lượng đo ion hóa

Khi có sự va chạm của electron này với electron khác, electron có thê mắt đi

một phần năng lượng đáng kể (trung bình đến 1/2) Nhưng nếu electron sơ cấp có

năng lượng lớn hơn năng lượng electron giật lùi thì sự mắt năng lượng trung bình là

1⁄4 Sự mắt năng lượng trên đơn vị đường đi của electron cũng được tính bởi công

thức Bethe dang tong quát:

(2.1)

Ở đây, T, là động năng tương đối của electron, n, là mat d6 electron trong

môi trường, và ô là số hạng hiệu chỉnh hiệu ứng mật độ

e là cơ số của log neper Sau va cham, chim electron đơn năng sẽ mắt năng lượng

va nang long cia chim electron qua tim vat chất sẽ phân bố trong khoảng

nangluong nao dé phy thudc vào bề day của vật liệu

Mặt khác, hạt electron vào có khối lượng bằng khối lượng electron trong

nguyên tử nên va chạm giữa chúng làm hạt electron chuyển động lệch khỏi hướng

ban đâu Khi đó hạt electron chuyên động theo đường cong khúc khuỷ sau nhiều va

sis

chạm trong môi trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng đề ion

hóa

2.1.2 Sự mắt mát năng lượng do bức xạ

Khi hat electron đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đôi

đột ngột hướng bay ban đầu tức là chuyển động có gia tốc, và mất năng lượng bằng cách phát ra bức xạ điện từ, mà thường gọi là bức xạ hăm hay bremstrahlung Năng

lượng bức xạ hăm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại E¿ của động năng hạt electron vào Sự mat năng lượng của hạt electron trong trường hợp này gọi là mat

năng lượng do bức xạ Cường độ bức xạ hăm W là lượng năng lượng bức xạ trong ] giây Đối với hạt có gia tốc đ -< trong trường hợp không tương đối và không lượng tử hóa bằng:

với binh phương điện tích của tâm tán xạ Như vậy, sự mat năng lượng do bức xạ

chí có giá trị đáng kế đối với hạt electron chứ không quan trọng đối với hạt nặng

tích điện Chẳng hạn, độ mat năng lượng do bức xạ của hạt proton vào khoảng

=] ~3.10°lần nhỏ hơn đối với electron Ngoài ra sự mất năng lượng do bức xạ

mM

đối với hạt eleetron chủ yếu do tương tác với hạt nhân chứ không phải do tương tác

với các electron quỹ đạo,

-14-

Thật vậy, cường độ bức xạ hăm của hạt electron với hạt nhân lớn hơn Z? lần

so với tương tác của electron với electron quỹ đạo trong lúc số eleetron quỹ đạo chỉ

lớn hơn Z lần so với hạt nhân

Nếu biết được tiết diện ø{(T,v) phát photon có tần số v khi có sự tương tác

giữa electron có năng lượng T với nguyên tử của môi trường thì sự giảm năng lượng riêng phần do bức xạ hãm có đạng sau:

(-$) = nf” hy.o(T,v av (2.5)

vad

Ở đây n là số nguyên tử trong đơn vị thê tích của môi trường, còn w⁄„„ = T/h

là tần số cực đại của photon Khoảng cách mà ở đó năng lượng của electron giảm đi

e lan, được gọi là chiều dài bức xa Xo, ta c6:

(2.6)

Chiều dài bức xạ Xọ thay đổi từ 5,8 g/cm” đối với chì, đến 85 g/cm” đối với

Heli

Xác suất phát photon của bức xạ hãm trong trường hạt nhân nguyên tử và

trong trường electron hầu như tí lệ với đại lượng w', bởi vì sự suy giảm năng lượng

do bức xạ hãm gần như tỉ lệ với năng lượng của electron Rất tiện lợi cho việc miêu

tả sự mất năng lượng của bức xạ hãm bởi việc đưa vào tiết diện hiệu dụng ơ,„„, mà

thực tế không phụ thuộc vào năng lượng của eleetron Khi đó tích phân trên sẽ là:

dT

Su mat năng lượng do bức xạ hãm của electron được thực hiện bởi Bethe và

Heiler Họ đã chỉ ra rằng Sự mat năng lượng bức xạ của electron nhanh phụ thuộc

* Đối với eleetron có động năng T << mạ.” (trường hợp không tương đổi), n

là mật độ nguyên tử, Z là điện tích hạt nhân và r, = e’/m,c’, ta cd

> Gag = I3? 4In zm ay

Từ các phương trình (2.8), (2.9) và (2.10) sự mắt năng lượng do bức xạ hãm

thì tỉ lệ với bình phương điện tích Z của hạt nhân môi trường, với mật độ nguyên tử

môi trường n và động năng T của electron

-16-

Chúng ta hãy so sánh sự mắt năng lượng do ion hóa với sự mất năng lượng

do bức xạ Sự mất năng lượng do ion hóa khi v ~ e tỉ lệ với Z và logarit năng lượng,

còn sự giảm năng lượng do bức xạ tỉ lệ với Z2 Vì vậy, ở năng lượng cao sự mắt

năng lượng do bức xạ chiếm ưu thế Khi sự mất năng lượng do ion hóa và do bức xạ

là bằng nhau ta có năng lượng tới hạn Ở năng lượng thấp, sự mất năng lượng do

ion hóa là chủ yếu

Từ công thức (2.1) và (2.11), Bethe và Geiger đưa ra hệ thức gần đúng giữa

sự mắt năng lượng do bức xạ và ion hóa là:

2.2.1 Giới thiệu về chương trình MCNP

MCNP (Monte Carlo N-Particle) là phần mềm ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với nơtron, photon và electron

mang tính chất thống kê (các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa hạt nhân với

vật chất, tính thông lượng photon, tính thông lượng electron ) MCNP sử dụng các

thư viện số liệu hạt nhân của các quá trình tính toán, gieo số ngẫu nhiên tuân theo

các qui luật phân bố, ghỉ lại sự kiện lịch sử của một hạt phát ra từ nguồn đến hết

thời gian sống của nó Sự phức tạp của tương tác photon cũng được xử lý trong chương trình MCNP Chương trình điều khiển các quá trình này bằng cách gieo số theo qui luật thống kê cho trước và mô phỏng được thực hiện trên máy tính vì số lần thử cần thiết thường rất lớn Độ chính xác của kết quả càng cao nếu ta gieo càng

nhiều biến ngẫu nhiên

MCNP ban đầu được phát triển bởi nhóm Monte Carlo và sau này bởi nhóm Radiation Transport (nhóm X-6) của phòng Vật Lý Lý Thuyết Ứng Dụng ở Phòng

thí nghiệm quốc gia Los Alamos (Mỹ) Nhóm X-6 cải tiến MCNP và cứ hai hoặc ba

siớ:

năm họ lại cho ra một phiên bản mới MCNP được cung cấp tới người dùng thông qua Trung tâm che chắn bức xạ (RSICC) ở Oak Ridge, Tennessee (Mỹ) và ngân hàng dữ liệu OECD/NEA ở Pari (Pháp)

Chương trình có nhiều ứng dụng như: thiết kế lò phán ứng, an toàn tới hạn,

che chắn và bảo vệ, phân tích và thiết kế đầu dò, vật lý trị liệu, nghiên cứu khí

quyền, nhiệt phát quang do phóng xạ, chụp ảnh bằng phóng xạ

2.2.2 Các đặc trưng cơ bản của chương trình MCNP

~ Dữ liệu hạt nhân

Các Bảng dữ liệu bạt nhân là những phần không thể thiếu trong MCNP

Ngoài việc sử dụng các Bảng dữ liệu có sẵn trong MCNP, người dùng còn có thê sử

dụng các đữ liệu được tái tạo từ các đữ liệu gốc bên ngoài thông qua một chương

trình chuyên đối chẳng hạn như NIOY hay là các dữ liệu mới được đưa vào trong

MCNP bởi chính bản thân người dùng Nguồn các số liệu hạt nhân có sẵn trong MCNP được lấy từ chương trình hồ sơ số liệu hạt nhân ENDF-Evaluated Nuclear

Data File, thư viện ENDL-Evaluated Nuclear Data Library và thư viện ACTL-

Activation Library của các phòng thí nghiệm hạt nhân ở Mỹ Livermore và Los Alamos

Các Bảng số liệu hạt nhân bao gồm: Tương tác hạt nhân, tương tác photon được tạo ra do neutron, tương tác neutron, phép đo liều hay kích hoạt neutron và tán

xạ nhiệt S(ø, đ)

Các Bảng số liệu dùng cho chương trình MCNP được liệt kê trong file

XSDIR Người sử dụng có thể chọn các Bảng cụ thể nhở vào số nhận dạng chúng

ZAIDS Các số nhận dạng bao gồm điện tích Z, số khối A và chỉ số của thư viện ID

Có hơn 500 Bảng tương tác của neutron cho gần 100 đồng vị và nguyên tố dùng cho chương trình MCNP

Các Bảng tương tác photon được xây dựng đối với tất cả các nguyên tố từ Z

= ] đến Z = 94 các số liệu trong các Bảng tương tác photon cho phép MCNP chú ý

= [R=

đến tán xạ kết hop và không kết hợp, hấp thụ quang điện với khả năng phát huỳnh quang và tạo cặp Các phân bố góc tán xạ được điều chính bằng các thừa số dạng nguyên tử và các hàm tán xạ không đàn hỏi

Các tiết diện đối với gần 2000 phản ứng kích hoạt liên quan tới gần 400 hạt nhân bia ở các trạng thái cơ bản và kích thích là một phần của bó các số liệu

MCNP Những tiết diện này có thể được dùng như các hàm đặc trưng phụ thuộc

năng lượng để xác định các tốc độ phản ứng nhưng không thể được dùng như

những tiết diện vận chuyền

Các Bảng số liệu nhiệt thích hợp để sử dụng với xử lý tán xạ nhiệt

S(z./Ø) trong MCNP Các số liệu bao hàm các hiệu ứng liên kết hóa học ( phân tử )

và tinh thể - những hiệu ứng quan trong khi năng lượng của neutron trở nên đủ nhỏ

Đối với nước nhẹ và nước nặng, kim loại berillium, benzene, graphite, ziconium và

hydrogen trong hydride zireonium có các số liệu ở nhiệt độ khác nhau

Các dữ liệu hạt nhân được đưa vào trong MƠCNP qua phần khai báo ở thẻ vật

ligu (material card)

Với một kết quả tốt thì R tỷ lệ với 7 voi N là số lịch sử đã định Như vậy muốn

giảm R ta phải tăng N

Sai số tương đôi R được dùng để xác định khoảng tin cậy của trị trung bình Theo định lý giới hạn trung tâm khi N—› œ thì có 68% cơ hội giá trị thật nằm trong

khoảng x+#) và 95% cơ hội giá trị thật nằm trong khoảng x(I+2#).Tuy nhiên

-19-

đây là độ chính xác của bản thân phương pháp Monte-Carlo chứ không phải là độ

chính xác của kết quả mô phỏng so với kết quả thực nghiệm

Đối với phương pháp Monte-Carlo có ba yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác

của kết quả so với giá trị thực: Chương trình tính, mô Hình bài toán và người sử

dụng Các yếu tố trong chương trình gồm: Các đặc trưng vật lý trong tính toán, các

mô Hình toán học, tính chính xác của các số liệu sử dụng như, tiết điện phản ứng,

số Avogdro Chất lượng của việc mô tả các tiết diện vi phân theo năng lượng, theo góc Mô Hình bài toán có ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của kết quả

Nhiều bài toán cho kết quả xấu là do mô Hình bài toán chưa tốt, không mô tả đầy

đủ Hai yếu tô của mô Hình bài toán ảnh hưởng đến kết quả bài toán là; Những mô

tả Hình học và những đặc trưng vật lý của vật liệu có trong bải toán Yếu tố con

người ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả có thể là lỗi trong khi đưa số liệu, lỗi

trong các chương trình con Nhiều trường hợp quá lạm dụng các kỹ thuật giảm sai

số nên đã gây ra những thiếu hụt về đóng gói vào kết quả Người sử đụng cần hiểu

rõ chương trình để không tạo nên những đóng góp về sai số mà lẽ ra tránh được

Bảng 2.1: Ý nghĩa của giá trị thực R

- 20 -

Dé théng báo cho người sử dụng biết chất lượng bài toán, chương trình MCNP

đưa ra chỉ số chất lượng FOM được định nghĩa:

FOM= = với T là thời gian tính (2.14)

Hiệu suất tính càng lớn nếu FOM càng lớn #? tỉ lệ với Xi T tỉ lệ với N, do

đó FOM gần như không đồi

Như vậy một kết quả tốt nêu FOM gân như hằng só

Trong thực tế thời gian T là hạn chế và phụ thuộc vào khá năng của máy tính

Do đó MCNP lựa chọn cách thứ hai Hằng số C phụ thuộc vào cách lấy mẫu và lựa

chọn kết quả truy xuất

Có bốn công cụ giảm sai số

Phương pháp cắt cụt là phương pháp đơn giản nhất nhằm tăng tốc độ tính

toán Bao gồm: Cắt không gian, cắt năng lượng và cắt thời gian

Phương pháp kiểm soát mật độ sử dụng kỹ thuật tách đề kiểm soát số mẫu lấy trong các miền khác nhau của không gian pha Lấy nhiều mẫu có trọng số thấp trong miền quan trọng, trong khi đó chỉ lấy ít mẫu có trong số cao trong miền không quan trọng Việc điều chỉnh trọng số cần thực hiện tốt để không làm thay đổi nghiệm bài toán

=2t=

Phương pháp lấy mẫu có sửa đổi là phương pháp có thay đổi cách lấy mẫu nhằm tăng thêm sự chính xác của kết quả Các phương pháp lay mẫu có sửa đổi bao

gồm: Phép biến đổi theo hàm mũ, bắt hạt dạng ân, va chạm bất buộc, dịch chuyển

thông số nguồn và dịch chuyền quá trình tạo photon

Phương pháp tắt định từng phân là phương pháp phức tạp nhất Bằng phương, pháp này người ta thay đối các quá trình vận chuyền ngẫu nhiên thông thường của

hạt

Tóm lại các kỹ thuật giảm sai số nếu sử dụng đúng làm cho việc tính toán có hiệu quả cao, nhưng ngược lại nếu sứ dụng không đúng sẽ gây ra những sai lầm Tuy nhiên không quá lạm dụng kỹ thuật này, đối với từng bài toán cụ thể mà ta lựa chọn những phương pháp phù hợp nhất

- Kết quá tính toán

Ngoài các thông tin về kết quả, MCNP còn đưa ra những thông tin giúp cho người

sử dụng biết về hoạt động của chương trình, làm sáng tỏ những vấn đề vật lý của bài toán và sự thích ứng của phương pháp Monte Carlo Nếu có sai trong khi chạy, chương trình sẽ ín ra chỉ tiết để người dùng biết khắc phục

2.2.3 Cầu trúc một file input trong MCNP

Việc đưa vào các mô tả Hình học, mô tả nguồn, yêu cầu tính toán đưa ra kết

qua (Tally ) được gọi là z;pz cho chương trình MCNP

M6t file input có dang sau:

Tiêu đề thông tin về input file (néu can)

- Cac the 6 (Cell Cards)

=20=

- Dong trong kết thúc

Các dòng không được vượt quá 80 cột Các thẻ ô, mặt và số liệu phải được

viết bắt đầu từ 1 trong 5 cột đầu tiên Các số liệu đưa vào cách nhau ít nhất bởi một

khoảng trồng Các thẻ số liệu gồm các loại sau:

- MODE

- ModeN Chỉ tính toán cho neutron

- ModeN,P Tính neutron và photon tạo bởi neutron

- ModeP Chỉ tính cho photon

- Mode E Chi tinh cho electron

- Mode P, E Tinh cho photon va electron

- Mode N, E, P Tinh cho neutron, electron va photon tao béi neutron

~ Thẻ độ quan trong (importance card ): Thẻ độ quan trong được ký hiệu bằng imp

“

tiếp theo là dấu “: '*, tiếp đến là các chữ P hoặc N hoặc E, P Cuối cùng là số quan

trọng đối với hạt cần tính Số quan trọng là các số 1,2,3 Mức độ quan trọng tăng

khi số quan trọng tăng

- Thé đưa ra kết quả (tally card )

MCNP đưa ra 7 mức tính toán neutron, 6 mức tính cho photon và 4 mức tính

Ký hiệu tính toán Mô tả

FI:N hoặc FI:P hoặc Fl:E Dòng phân tích trên bề mặt

F2:N hoặc F2:P hoặc F2:E Thông lượng mặt trung bình

F4:N hoặc F4:P hoặc F4:E Thông lượng ô trung bình

sis

FS:N hoặc F5:P Thông lượng điềm hay đầu dò

F6:N hoặc F6:N,P hoặc F6:P Năng lượng để lại trung bình trong ô

F§:N hoặc F8§:P hoặc F§:E hoặc F8§:P, | Phân bố tạo xung trong đầu dò, F8:E cho

E điện tích giải phóng

~ Thẻ vật liệu ( material card- Mm )

Thẻ vật liệu chứa số của vật liệu, tiếp theo là các số nhận dạng nguyên tố (

bao gồm số khối A và electron Z) cùng với thành phần phần trăm của nguyên tố đó

-CELL =số Số của ô quy định là nguồn trong mô tả ô

- ERG =năng lượng Năng lượng của nguồn

- WGT=trong số Trọng số của nguồn

- TME=thời gian Thời gian tính cho nguồn

- PAR=loại hạt phátra n,np,npe,p,pe,e

Ví dụ:

SDEF POS=0-45 CELLE=I WGT=l TME=60 PAR=p

- Thẻ kết thúc tính toán

Có hai cách kết thúc: Kết thúc bằng cách đặt trước số lịch sử trong thẻ NPS,

hoặc kết thúc bằng cách đặt thời gian (tính bằng phút ) đặt trước trong thẻ CTME

-24-

2.2.4 Mô tả Hình học trong MCNP

Hình học trong bai toán giải bằng MCNP được mô tả trong không gian 3

chiều MCNP có một chương trình dựng sẵn để kiểm tra lỗi của dữ liệu đầu vào

Hơn nữa, khả năng vẽ Hình học của MCNP cũng giúp người dùng kiểm tra các lỗi Hình học Khi mô tả Hình học người sử dụng phải định nghĩa các mặt (Surface) các

ô (Cell) được bao bởi các mặt vả mô tả vật liệu chứa trong các cell Các cell được

mô tả bởi các toán tử giao (Intersention), hợp (Union) và phần bù (Complement)

~ Mô tả ô ( Cell Card )

Căn cứ trên hệ tọa độ Decart, MCNP lấy các mặt biên của một khối vật chất

để mô tả, được gọi là cell Cell được xác định bởi:

~ Toán tử giao (không gian),

-_ Toán tử hợp (:)

Cú pháp: j m d goem params

- Phan bi cac ving không gian tạo bởi các mặt (#)

Mỗi cell được định nghĩa như sau

- Cu phap: j md goem params

- Hoặc j like n but list

Trong đó j; chỉ số ô

-_m: số của vật liệu chứa trong ô, m= 0 chỉ ô trống

-_ d: mật độ vật chất chứa trong 6, mật độ dương tính bằng atom/cmỶ, mật độ

-25-

- Mô tả mặt (Surfaces cards)

Surface card được xác định bằng cách cung cấp các hệ số của các phương trình mặt giải tích hay các thông tin về các điểm đã biết trên mặt MCNP cung cấp

các dạng mặt cơ bản được mô tả bởi các phương trình trong Bảng 2.3

Bảng 2.3: Phương trình mô tả các mặt cơ bản trong MCNP

song trục

OY

C/Y (x-x?+(z-z”-# =0

Song

= 2R=

Chuong 3

PHAN BO LIEU TRONG DOI TUONG CHIEU XA BANG

MAY GIA TÓC UERL-10-15S2 3.1 Phân bố liều trên đường đi của chùm electron trong vật chất

Khi electron xuyên qua vật chất chúng mất dần năng lượng qua tương tác Coulomb với nguyên tử, electron của nguyên tử và hạt nhân cho đến khi mắt hết năng lượng và bị hấp thụ Ngoài ra khi tương tác với hạt nhân qua tán xạ đàn hồi chúng còn sinh ra tia X năng lượng cao hoặc phát bức xạ hãm, Hình 3.1 mô tá lại

vết của electron trong một số vật liệu

Với j.t 1 s6 electron di qua thé tich chiéu xạ, don vị tính liều hấp thụ là kGy

(1 kGy=1 kJ/kg) hoe rad (1 rad= 10° Gy)

Đặc điểm của đường phân bố liều chiếu xạ boi chim electron là luôn có một dinh, sau đó liều giảm tuyến tính theo độ sâu, tuy nhiên không trực tiếp giảm về

-29-

không Khả năng xuyên sâu của electron gần như tăng tuyến tính với năng lượng

của chùm electron Ngược lại, chiều cao của đỉnh lại tỷ lệ nghịch với năng lượng

của electron vào

Theo tính toán bằng code TIGER [1], năng lượng mà electron 10 MeV để lại tại bề mặt đối tượng chiếu xạ (gọi tắt là đối tượng) là 1,84 MeVg/enm? và tăng đến 2,48 MeVgicm? tại độ sâu 2,75 g/cm”, phân bố năng lượng trong sản phẩm được mô

tả bởi phương trình [3]:

= 2,48exp(-0,27x-2,75|°”) ,2,5<x<6,5 (g/em”) (3.2)

Tích phân toàn phần (3.2) sẽ nhận được tổng năng lượng hấp thụ là 9,61

MeV/electron (phan năng lượng còn lại được xem như mất mát qua việc phát bức

xạ hãm)

Với đối tượng được chiếu xạ hai mặt củng một chùm electron như nhau

(trường hợp của máy gia tốc UERL-10-15S2) thì phân bố liều hấp thụ trong sản

phẩm được tính theo phương trình [3]:

Với T là chiều dày đối tượng chiếu xạ, x là độ sâu sản phẩm xác định từ một

mặt cố định, AW(x) liều tương ứng với trường hợp chiếu một mặt Như vậy, trong trường hợp chiếu hai mặt, phân bố liều gần như đối xứng với mặt phẳng giữa của

sản phẩm

Đồ thị phân bó liều theo chiều sâu (depth dose-profiles) trong sản phẩm các

tỷ trọng khác nhau tính toán bằng chương trình MCNP được thê hiện qua Hình 3.2

(với vận tốc băng chuyền 1 cm/s, cường độ dòng electron 1,5 mA)

Hình 3.2: Đồ thị phân bố liễu theo chiều sâu các tỷ trọng, electron 10 MeV

Suất liều trung bình mà đối tượng nhận được có thể tính như sau:

Với công suất I kW, thiết bị có khả năng xử lý trong 1 giây với vận tốc băng

chuyén v (cm/s), chiều rộng thùng hàng 60 cm, chiều dày 8,6/p (cm), tỷ trọng p

(g/cm”) một khối lượng:

p

Liều trung bình mà đối tượng nhận được với công suất của máy gia tốc 15kW

và hiệu suất sử dụng chùm tỉa rị (%) sẽ được tinh theo công thức sau:

_ lŠn 29/07y

® ` 05l6 ov (kGy) (3.5)

Tinh toan trén hang chiéu xa tai Vinagamma cho thay, 77 (%) ~ 55%

3.2 Độ bất đồng đều về liều nhận được trong đối tượng chiếu xạ

Do năng lượng của electron dé lai trong vật chất thay đổi theo độ sâu, nên

trong đối tượng được chiếu xạ sẽ có vị trí nhận liều nhỏ nhất (Dynin) Va CO Vi tri liều

lớn nhất (D„„¿) Tỷ số D„/Є„„ biểu diễn độ bất đồng đều về liều mà đối tượng