nghiên cứu sử dụng bộ lọc để giảm độ bất đồng đều liều trong sản phẩm chiếu xạ trên máy gia tốc chùm tia điện tử uerl-10-15s2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Các ký hiệuTe Động năng tương đối của electron T Động năng của electron Năng lượng ion hóa trung bình của nguyên tử môi trường p Động lượng c

hoàn thành tốt khóa luận em đã nhận được sự quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ và độngviên của quý thầy cô, gia đình, bạn bè….

Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Ban Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ đã tạođiều kiện cho em hoàn thành khóa luận

Thầy hướng dẫn TS Trần Văn Hùng đã tận tình hướng dẫn em trong quá trìnhthực hiện nghiên cứu và hoàn thành tốt khóa luận

Trưởng bộ môn Vật lý Hạt nhân PGS.TS Châu Văn Tạo đã tạo điều khiện cho

em học tập và thực hiện khóa luận

Thạc sĩ Cao Văn Chung là người thầy đầu tiên truyền đạt cho em những kiếnthức về CODE MCNP và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho khóa luận

Quý thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã giảng dạy cho em trong suốt quátrình học tập

Các bạn lớp 10vlhn đã quan tâm động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trìnhhọc tập và thực hiện khóa luận

Cuối cùng, xin khắc sâu công ơn của cha mẹ, gia đình đã luôn sát cánh bên emtrong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện khóa luận, luôn động viên và ủng hộ

để em hoàn thành khóa luận này trong điều kiện tốt nhất

TP Hồ Chí Minh tháng 7 năm 2014

Sinh Viên

Nguyễn Vũ Diệu Linh

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Các ký hiệu

Te Động năng tương đối của electron

T Động năng của electron

Năng lượng ion hóa trung bình của nguyên tử môi trường

p Động lượng của hạt

Epart Năng lượng của bức xạ điện từ

Emax Năng lượng cực đại của electron

E(d) Năng lượng trung bình của electron sau khi qua bề dày d

E0 Năng lượng ban đầu của electron

f Phần năng lượng electron chuyển thành photon

WF Năng lượng electron để lại trong vật chất

ηb Năng lượng hữu ích

W Cường độ bức xạ hãm

η Hiệu suất chùm tia

∆m Khối lượng vật chất chiếu xạ

me Khối lượng electron

mp Khối lượng proton

mn Khối lượng neutron

e Điện tích electron

c Vận tốc ánh sáng

v Vận tốc của hạt electron bắn tới

υ Vận tốc băng chuyền

σrad Tiết diện hiệu dụng

σ(T,ν) Tiết diện phát photon

D Liều hấp thụ

Dtb Liều trung bình

DS Liều tổng

Pht Suất liều hấp thụ

d Chiều dày đối tượng chiếu xạ

dopt Chiều dày tối ưu

X0 Chiều dài bức xạ

re Bán kính cổ điển của electron

Các chữ cái viết tắt

MCNP Monte Carlo N-Particle

Chương trình mô phỏng vận chuyển hạt N của nhóm J.F.Briesmeister

ENDF Evaluated Nuclear Data File Thư viện số liệu hạt nhân

ENDL Evaluated Nuclear Data

ACTL ACTivation Library Thư viện kích hoạt từ LivemoreADN Acid Deoxyribo Nucleic Axit Deoxyribo Nucleic

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

Chiếu xạ thực phẩm là một công nghệ đảm bảo an toàn về mặt vệ sinh thựcphẩm và rất kinh tế Hiện nay trên thế giới có nhiều nước sử dụng công nghệ này để xử

lý và bảo quản các loại thực phẩm khác nhau bao gồm trái cây, rau củ, gia cầm

Các cá thể sinh vật đầu tiên liên quan trực tiếp đến sự giữ gìn và bảo quản thựcphẩm bao gồm: vi khuẩn, men giấm, nấm mốc, vi rút, các ký sinh trùng khác và cácloại sâu bọ

Để giữ thực phẩm được lâu và an toàn khi sử dụng, ta dùng các bức xạ ion hóagây ra những biến đổi về mặt sinh hóa nhằm ngăn chặn quá trình sao chép của AND,gây chết các tế bào vi khuẩn, côn trùng…

So sánh phương pháp chiếu xạ với phương pháp bảo quản thực phẩm khác nhưđông lạnh hay dùng hóa chất thì phương pháp chiếu xạ an toàn và mang tính kinh tếhơn rất nhiều Các ảnh hưởng của việc chiếu xạ lên thực phẩm và lên người ăn thựcphẩm chiếu xạ đã được nghiên cứu rộng rãi và lâu dài tại Mỹ cũng như các nước tiêntiến khác Những nghiên cứu này cho thấy thực phẩm chiếu xạ có những lợi ích sau:

Thứ nhất, chiếu xạ với liều thích hợp sẽ tiêu diệt được các vi khuẩn và vi sinhvật gây bệnh như E coli, Trichina, Salmonella có trong thịt và gia cầm hay các loạithực phẩm khác, ngăn chặn sự nảy mầm của khoai tây và tỏi, làm chậm quá trình chíncủa trái cây

Thứ hai, thực phẩm chiếu xạ không tiếp xúc với chất phóng xạ mà chỉ bị chiếubởi chùm tia điện tử phát ra từ máy gia tốc, do đó nó không bị nhiễm phóng xạ

Thứ ba, sau khi chiếu xạ, thực phẩm không xuất hiện bất kỳ độc tố nào vàkhông có sự thay đổi các thành phần hóa học gây ảnh hưởng bất lợi đến sức khỏe conngười

Thứ tư, chiếu xạ không làm giảm giá trị dinh dưỡng cũng như các vitamin trongthực phẩm, ngoài ra cũng không có thay đổi nào của acid amin và acid béo

Thứ năm, các nhà máy sử dụng công nghệ chiếu xạ thực phẩm vận hành theo đúng

qui trình an toàn sẽ không gây hại gì đến môi trường xung quanh cũng như không gây ảnhhưởng bất lợi về sức khỏe của nhân viên làm việc

Chính vì những lợi ích trên mà công nghệ chiếu xạ thực phẩm ngày càng được ápdụng rộng rãi Tại Việt Nam, công nghệ chiếu xạ thực phẩm cũng đang được ứng dụng tạimột số cơ sở Hiện nay Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ đang tiếnhành chiếu xạ các loại thực phẩm xuất khẩu và dụng cụ y tế sử dụng máy gia tốc chùm tiađiện tử UERL-10-15S2

Thực tế để hoàn tất một quy trình chiếu xạ đạt hiệu quả tối ưu không phải đơn giản

Do khả năng xuyên sâu của chùm tia điện tử không cao nên tỉ số bất đồng đều về liều khálớn Dmax Dmin > 2 Vì vậy ta cần lắp rắp thêm bộ lọc để có Dmax Dmin < 2 Khóa luậnnày nghiên cứu thiết kế độ dày, hình dạng, chất liệu làm bộ lọc và sử dụng chương trìnhMCNP (Monte Carlo N-Particle) tính toán phân bố liều trong thùng hàng được chiếu xạtrên máy gia tốc chùm tia điện tử UELR-10-15S2 Để quá trình chiếu xạ được an toàn, đơngiản, ít tốn kém hơn và nâng cao hiệu suất chiếu xạ

Khóa luận được chia thành 3 chương:

Chương 1: Quá trình truyền năng lượng của electron trong vật chất: Trình bày quátrình mất năng lượng do ion hóa, mất năng lượng do bức xạ, mất năng lượng do bức xạSynchrotron, mất năng lượng do bức xạ Cherenkov

Chương 2: Cơ sở khái niệm bộ lọc và chương trình MCNP: Trình bày cơ sở lýthuyết cho các tính toán chiều dày bộ lọc và năng lượng electron giảm khi đi qua bộ lọc,xem xét và lựa chọn vật liệu tối ưu làm bộ lọc, giới thiệu tổng quan về chương trìnhMCNP; mô tả sự phân bố chùm tia qua bộ lọc bằng MCNP

Chương 3: Cải tiến bộ lọc và kết quả tính toán: Kiểm tra kết quả của bài báo khoahọc [6] bằng MCNP; trình bày phương pháp cải tiến và thiết kế bộ lọc tối ưu cho quá trìnhchiếu xạ dùng nguồn electron 6 MeV và 10MeV; kết quả tính toán phân bố liều theo độsâu trong thùng hàng bằng chương trình MCNP

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON

TRONG VẬT CHẤT

1.1 Sự mất năng lượng do ion hóa

Khi có sự va chạm của electron này với electron khác, electron có thể mất đimột phần năng lượng đáng kể (trung bình đến một nửa năng lượng) Nhưng nếuelectron sơ cấp có năng lượng lớn hơn năng lượng electron giật lùi thì năng lượngtrung bình mất đi là một phần tư Sự mất năng lượng trên đơn vị đường đi của electroncũng được tính bởi công thức Bethe dạng tổng quát [4]:

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 đầu Khi

đó hạt electron chuyển động theo đường cong gấp khúc sau nhiều va chạm trong môitrường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng để ion hóa.

1.2 Sự mất năng lượng do bức xạ

Khi hạt electron đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi độtngột hướng bay ban đầu, tức là chuyển động có gia tốc và mất năng lượng bằng cáchphát ra bức xạ điện từ, mà thường gọi là bức xạ hãm (Bremsstrahlung) Năng lượngbức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại E của năng lượng hạt electron0vào Sự mất năng lượng của hạt electron trong trường hợp này gọi là mất năng lượng

do bức xạ Cường độ bức xạ hãm W là lượng năng lượng bức xạ trong một giây Đối

với hạt có gia tốc

dv

a = dt

rr

trong trường hợp không tương đối và không lượng tử hóa thìcường độ bức xạ hãm bằng:

2 2 23

hạn, độ mất năng lượng do bức xạ của hạt proton vào khoảng

Nếu biết được tiết diện σ(T, ν) phát photon có tần số ν, khi có sự tương tác giữaelectron có năng lượng T với nguyên tử của môi trường thì sự giảm năng lượng riêngphần do bức xạ hãm [4] có dạng như công thức (1.5):

( )

max

ν 0 rad

0 rad

Chiều dài bức xạ X0 thay đổi từ 5,8 g/cm2 (đối với chì), đến 85 g/cm2 (đối với heli)

Xác suất phát photon của bức xạ hãm trong trường hạt nhân nguyên tử và trongtrường electron hầu như tỉ lệ với đại lượng ν-1, bởi vì sự suy giảm năng lượng do bức

xạ hãm gần như tỉ lệ với năng lượng của electron Việc miêu tả sự mất năng lượng củabức xạ hãm khi đưa vào tiết diện hiệu dụngσrad mà thực tế không phụ thuộc vào năng

lượng của electron là khá tiện lợi Khi đó tích phân ở công thức (1.6) sẽ là:

rad rad

* Đối với electron có động năng T=m ce 2 (trường hợp không tương đối), n là

mật độ nguyên tử, z là điện tích hạt nhân và r = e m c , ta có:e 2 e 2

2 2 e rad

Z r16

1 3 rad

2 2 e

2 rad

Sự mất năng lượng do ion hóa khi v c ≈ 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 mất 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 (1.1) và (1.11), Bethe và Geiger đưa ra hệ thức gần đúng giữa sựmất năng lượng do bức xạ và ion hóa là:

rad

2 e ion

1.3 Sự mất năng lượng do bức xạ Synchrotron

Một electron di chuyển theo quỹ đạo cong, tức là có gia tốc thì bị bức xạ Thựcnghiệm đã chỉ ra rằng electron chuyển động trên quỹ đạo cong phát bức xạ điện từ trênmột khoảng tần số rộng (từ tần số radio đến bức xạ gamma mềm) Bức xạ này đượckhám phá trong quan sát thiên văn, và sau đó được phát hiện trong những máy gia tốcvòng (synchrotron), do đó nó được gọi là bức xạ synchrotron

Bức xạ synchrotron được phát ra theo phương tiếp tuyến của quỹ đạo electrontương đối trong hình nón hẹp với góc một nửa θ thỏa [4]:

2 e e

Trục hình nón được hướng dọc theo tiếp tuyến chùm electron Điều này đúng cho bất

kỳ điểm nào trên quỹ đạo của electron Do đó bức xạ synchrotron được tập trung trongvòng mỏng trong mặt phẳng quỹ đạo Bức xạ liên tục và có tần số cực đại

-6 2

H tính bằng gauss và T tính bằng electron-volt Đối với những electron có năng lượnge

cao thì tần số này lớn hơn tần số quay của electron trong synchrotron (107 Hz) Đối với

H =104 G và T = 100 MeV, bức xạ synchrotron được phát ra trong hình nón có θ = 17´e

và ν = 4,6×10 Hz, tương ứng với ánh sáng khả kiến màu đỏ Ở 0 14 T = 20 BeV, bức xạe

synchrotron là tia X cứng có chiều hướng về phía trước với θ = 5˝

Bức xạ synchrotron bị phân cực và cường độ điện trường E thì luôn luôn songsong với mặt phẳng quỹ đạo Năng lượng mất đi do bức xạ synchrotron gia tăng theonăng lượng bằng quy luật γ Ngoài máy phát synchrotron, những vòng chứa electron4

cũng có thể được dùng để có được bức xạ synchrotron Bức xạ synchrotron có phổ liêntục, do đó trong thực tế người ta dùng máy đơn sắc (gồm gương và cách tử nhiễu xạ làkhối thạch anh hoặc silicon đơn tinh thể trong miền tia X) để thu các bức xạ đơn sắc.Với máy đơn sắc tinh thể, người ta có thể cô lập được bức xạ có tần số bất kỳ với sai số

tương đối có bậc

-6

ΔE = 10

E từ phổ liên tục Cường độ còn lại sau khi được đơn sắchóa thì vẫn còn gấp 10 - 102 3lần cường độ của ống phóng tia X bất kỳ Với cường độcao, khoảng năng lượng rộng, có thể đơn sắc hóa và có khả năng phân cực cũng như cóbản chất xung của bức xạ synchrotron, nó là loại bức xạ rất tốt trong việc áp dụng đểnghiên cứu cấu trúc của vật liệu và giải quyết nhiều vấn đề thực tế quan trọng như:nghiên cứu sự hấp thụ bức xạ điện từ bởi các chất khí, nghiên cứu hiện tượng huỳnhquang để xác định thời gian sống và các kiểu phân rã đối với các trạng thái kích thích,nghiên cứu cấu trúc chất rắn thông qua phổ của nó, nghiên cứu thiên văn và phóng xạthiên văn, nghiên cứu cấu trúc của những mẫu sinh vật

1.4 Sự mất năng lượng do bức xạ Cherenkov

Vào năm 1934, Cherenkov nghiên cứu sự phát quang của muối u-ran dưới tácđộng của những tia gamma phát ra từ radium Ông đã khám phá ra một loại phát quangmới mà không thể giải thích theo cơ chế huỳnh quang bình thường

Chúng ta biết rằng hiện tượng huỳnh quang là do sự chuyển dời giữa hai mứckích thích của nguyên tử hay phân tử Khoảng thời gian của sự phát huỳnh quang

-10

τ > 10 s và xác suất chuyển dời phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu và nhiệt độ.Bức xạ Cherenkov có những tính chất sau:

• Sự phân cực của sự phát quang thay đổi rất rõ khi có từ trường Điều này có nghĩa là

sự phát quang gây ra do hạt tích điện hơn là bởi lượng tử gamma Những hạt này có thể

là các electron được tạo bởi sự tương tác của lượng tử gamma với môi trường do hiệuứng quang điện hoặc hiệu ứng Compton

• Cường độ bức xạ độc lập với điện tích Z của môi trường, do đó nó không thể có nguồngốc từ bức xạ

• Sự bức xạ ở góc xác định với chiều chuyển động của hạt tích điện

Sự bức xạ Cherenkov được giải thích vào năm 1937 bởi Frank và Tamm trên cơ

sở điện động lực cổ điển Họ thấy rằng việc phát biểu: “Hạt tích điện chuyển động

thẳng đều trong chân không thì không có khả năng mất năng lượng bởi bức xạ”, sẽkhông còn đúng nữa khi khảo sát trong những môi trường có chiết suất n > 1 Nhữngkết luận của Frank và Tamm được đưa ra dựa trên định luật bảo toàn năng lượng vàđộng lượng.

Giả sử rằng hạt tích điện chuyển động thẳng đều có thể mất năng lượng và độnglượng thông qua bức xạ [4], trong trường hợp này phương trình theo sau phải thỏa:

Phương trình (1.14) không thể thỏa trong chân không, nhưng có thể có giá trị đối với

môi trường có n > 1 Thật vậy, năng lượng toàn phần E của hạt có khối lượng m ≠ 0 và

di chuyển tự do trong chân không với động lượng p (vận tốc v) là

vận tốc v của hạt trong môi trường không những bằng với vận tốc của ánh sáng c’trong môi trường mà còn có thể vượt qua nó.

những sóng cầu phát ra trên đường đi của hạt từ điểm x = 0 đến x Bán kính của sóng ở

vị trí x = 0 tại thời điểm t là R = c'×t , trong khoảng thời gian này bán kính ở vị trí0

  tức là bán kính của sóng giảm tuyến tính theo sự gia

tăng của x´ Ta thấy mặt phủ là hình nón với góc ở đỉnh là 2φ, với:

Chiều truyền của bức xạ Cherenkov được xác định bởi góc θ theo phương vuông góc

với mặt sóng.

Thực tế để quá trình chiếu xạ đạt hiệu quả tối ưu không phải đơn giản Do khảnăng xuyên sâu của chùm tia điện tử không cao nên trong thùng hàng liều phân bốkhông đồng đều, hình 2.1 Chính vì thế, tỷ số bất đồng đều liều khá lớn Dmax Dmin > 2.

Tại những điểm dưới liều, vi khuẩn không bị tiêu diệt Muốn diệt hết vi khuẩn ta phảicung cấp thêm liều Điều này dẫn đến, chất lượng hàng hóa được chiếu xạ ngày càngxấu đi đồng thời mất hiệu quả chùm tia

Phương pháp tăng sự đồng đều liều trong khắp chiều sâu của thùng hàng là sửdụng các vật liệu hấp thụ (được gọi là bộ lọc) [6] Sau khi đi qua bộ lọc hạt mất dầnnăng lượng và thâm nhập vào đối tượng chiếu xạ làm thay đổi sự phân bố liều theochiều sâu

Hình 2.1 Phân bố liều trong thùng hàng khi không sử dụng bộ lọc

Biểu đồ hình 2.1 cho thấy đường phân bố liều không đồng đều tại mọi độ sâucủa thùng hàng D0 là liều bề mặt, Dmax

là liều tối đa tại độ sâu X , WUs (đánh dấu 2)mkhu vực trong thùng hàng liều đồng nhất, XU là độ sâu tối đa để xử lý lên đến liều D0,WEOD (đánh dấu 1) khu vực quá liều, WL (đánh dấu 3) khu vực dưới liều (liều không đủlớn để tiêu diệt vi khuẩn)

Mục đích của khóa luận là kiểm tra kết quả của nghiên cứu khoa học trước đó [6]bằng chương trình MCNP và phát triển chi tiết bộ lọc, bao gồm việc lựa chọn độ dày,hình dạng, vật liệu thích hợp làm bộ lọc, tính toán tỉ lệ chùm tia điện tử thâm nhập vàothùng hàng để đảm bảo liều phân bố đồng đều trong khắp chiều sâu của đối tượngchiếu xạ

2.1.2 Cơ sở lý thuyết

Chương 2 sẽ cung cấp các công cụ tính toán cụ thể bề dày bộ lọc tương ứng vớicác mức năng lượng electron nhằm thiết kế một bộ lọc hoàn chỉnh

Electron năng lượng cao xuyên qua vật chất, chúng mất dần năng lượng quatương tác Coulomb với nguyên tử, electron của nguyên tử và hạt nhân Chùm tiaelectron sau khi đi qua chất hấp thụ có bề dày d, tổng liều để lại trong chất thụ đượctính theo công thức [6] (Phụ lục 2).

D D x,E ,d dx - D x,E ×D x,E ,d dx

hệ:

trong đó WF là phần năng lượng của electron bị hấp thụ trong bộ lọc Từ công thức

(2.5) ta thấy năng lượng hữu ích η càng cao khi b χ càng nhỏ.b

Năng lượng trung bình của electron sau khi đi qua bộ lọc được biểu diễn bởicông thức (2.6) [8]:

E d = E  S + S ×exp - d×S E - S  S

(2.6)trong đó E0 là năng lượng chùm tia sơ cấp, SC và SR lần lượt là mất năng lượng doion hóa và mất năng lượng do bức xạ được tính bởi công thức (2.7) và (2.8) [4]:

* Sự mất năng lượng do ion hóa S :C

2 2

E từ công thức (2.6) ta có thể suy ra mối quan hệ đơn giản cho độ

dày d và năng lượng trung bình E d( ) sau khi qua bộ lọc

R d C 0

d = - ln

1 + S

Phần năng lượng của hạt bị hấp thụ trong bộ lọc W có thể được biểu diễn dướiF

dạng của ed và η b

F 0 d d

trong đó η là hệ số truyền qua [9].b

Bảng 2.1 trình bày đặc trưng của các vật liệu hấp thụ làm bộ lọc, tất cả các vậtliệu đều làm giảm năng lượng chùm tia điện tử từ E0 = 6 MeV đến E(d) = 3 MeV XR(g/cm2) là tỷ trọng mặt của bộ lọc

Bảng 2.1 Các thông số đặc trưng của vật liệu hấp thụ

2.1.3 Lựa chọn vật liệu tối ưu cho bộ lọc

Tuy khả năng xuyên sâu của chùm electron là rất hạn chế, nhưng trong quá trìnhion hóa vật chất chúng sẽ sinh ra các photon có năng lượng cao qua quá trình phát bức

xạ hãm Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng côngthức gần đúng sau đây [1]:

4 max

trong đó f (MeV) là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon, Z là bậc số nguyên

tử của chất hấp thụ và Emax (MeV) là năng lượng cực đại của electron.

Công thức (2.11) cho thấy khả năng phát bức xạ hãm của electron tỷ lệ thuậnvới bậc số nguyên tử Z của chất hấp thụ, với mật độ nguyên tử môi trường n và nănglượng cực đại của electron.

Từ bảng 2.1 ta thấy, phần năng lượng của hạt bị bộ lọc hấp thụ WF tăng khi bậc

số nguyên tử tăng Điều này có nghĩa là cần chọn vật liệu có bậc số nguyên tử nhỏ đểlàm bộ lọc

Ngoài ra vật liệu được chọn làm bộ lọc phải đảm bảo các yêu cầu: bền với bức

xạ, không bị oxy hóa, độ bền cơ học cao, gia công dễ dàng, tản nhiệt tốt Do đó, nhôm

là vật liệu được ưu tiên chọn lựa vì đáp ứng tốt tất cả yêu cầu trên

2.2 Tổng quan về chương trình MCNP

2.2.1 Giới thiệu

MCNP (Monte Carlo N-Particle) là phần mềm ứng dụng phương pháp MonteCarlo để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon và electronmang tính chất thống kê (các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa hạt nhân vớivật chất, tính thông lượng photon, tính thông lượng electron ) MCNP sử dụng các thưviện số liệu hạt nhân của các quá trình tính toán, gieo số ngẫu nhiên tuân theo các quyluật phân bố, ghi lại sự kiện lịch sử của một hạt phát ra từ nguồn đến hết thời gian sốngcủa 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 quy luật thống kêcho trước và mô phỏng được thực hiện trên máy tính vì số lần thử cần thiết thường rấtlớn 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 nhómRadiation Transport (nhóm X-6) của phòng Vật Lý Lý Thuyết Ứng Dụng ở Phòng thínghiệm quốc gia Los Alamos (Mỹ) Nhóm X-6 cải tiến MCNP và cứ hai hoặc ba 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 dữliệu OECD/NEA ở Pari (Pháp).

Chương trình có nhiều ứng dụng như: thiết kế lò phản ứng, an toàn tới hạn, chechắn và bảo vệ, phân tích và thiết kế đầu dò, vật lý trị liệu, nghiên cứu khí quyển, nhiệtphát quang do phóng xạ, chụp ảnh bằng phóng xạ

Là ngôn ngữ lập trình, MCNP đòi hỏi người sử dụng phải xây dựng một chươngtrình chuẩn về cú pháp Để viết một chương trình có thể chạy và cho kết quả tốt, taphải cung cấp đầy đủ những thành phần chuẩn và lựa chọn chính xác các phép tính(Phụ lục 3)

Các bảng số liệu hạt nhân bao gồm: Tương tác hạt nhân, tương tác photon đượctạo ra do neutron, tương tác neutron, phép đo liều hay kích hoạt neutron và tán xạ nhiệtS(α,β)

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 nhờ 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 Các dữ liệu hạtnhân được đưa vào trong MCNP qua phần khai báo ở thẻ vật liệu (material card) (phụlục 3)

2.2.3 Mô tả sự phân bố chùm tia qua thùng hành bằng MCNP

Chương trình MCNP chỉ mô tả được các trạng thái dừng, trong khi đó chùm tiaphát ra từ máy gia tốc được quét vuông góc với thùng hàng bằng hệ thống từ trường(tần số quét từ 0,5 10 Hz) Do đó, chùm tia được mô tả tương đương nguồn phẳng cókích thước bằng cửa sổ quét Với ý tưởng đó ta đã đưa bài toán quét phức tạp của chùmtia về bài toán dừng với nguồn electron đẳng hướng

Vì các thùng hàng dịch chuyển từng cm trong một đơn vị thời gian qua hai đầuquét, mà MCNP lại không thể mô tả trạng thái chuyển động của các thùng hàng Tổngliều hấp thụ mà thùng hàng nhận được khi nó chuyển động qua hai đầu quét là sự tổnghợp liều tại rất nhiều vị trí dừng dọc theo băng tải Chính vì thế ta tính liều tại từng vịtrí dừng sau đó cộng lại để có liều hấp thụ của thùng hàng Để thuận tiện trong việc mô

tả và tính toán ta có thể xem như thùng hàng đứng yên còn nguồn dịch chuyển với vậntốc l cm/s dọc theo chiều dài của thùng hàng

Khi tính liều tại những điểm nằm trên mặt phẳng đi qua tâm của thùng hàng ta

phải tính tổng liều chiếu khi cho nguồn dịch chuyển từ vị trí

opt

d2

chiếu xạ hai mặt nên độ xuyên sâu của chùm electron theo một chiều là

opt

d

2

CHƯƠNG 3 CẢI TIẾN BỘ LỌC VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN PHÂN BỐ

LIỀU BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP

3.1 Mô tả bài toán bằng chương trình MCNP

Thùng hàng (dummy) được mô tả có kích thước 20x20x6 cm, (thành phần phầntrăm các nguyên tố được thể hiện trong bảng 3.1), tỷ trọng được cho bằng 1,0 g/cm3

Bộ lọc làm bằng nhôm, tỷ trọng 2,7 g/cm3 bố trí phía trên thùng hàng có kích thước20x20 cm và cách thùng hàng 2 cm Mặt phẳng nguồn được mô tả phía trên cùng Để

mô tả bài toán bằng chương trình MCNP, cần phải xác định tọa độ các cell, các mặttheo một hệ tọa độ chọn trước Hệ tọa độ được chọn với gốc tọa độ trùng với tâm mặtphẳng đáy của thùng hàng, trục Oz hướng thẳng đứng lên trên, trục Oy trùng với chiềudịch chuyển của thùng hàng Tâm mặt đáy bộ lọc nằm trên trục Oz và cách gốc tọa độ

8 cm, mặt phẳng nguồn song song và cách mặt phẳng đáy của thùng hàng 35 cm Mô tảnày là phù hợp cho máy gia tốc chùm tia điện tử UERL-10-15S2 (Phụ lục 1)

Bảng 3.1 Thành phần phần trăm khối lượng của các nguyên tố có trong dummy.

Bậc số nguyên tử (Z) Tên nguyên tố Thành phần phần trăm (%)

Phân bố liều theo chiều sâu (depth dose profiles) xác định qua 30 cell hình đĩa

có đường kính 10 cm, chiều dày 0,2 cm bên trong thùng hàng Kích thước các đĩa đượcchọn nhằm giảm các ảnh hưởng của các hiệu ứng đến giá trị tính toán cũng như giảm

giá trị sai số, giảm thời gian chạy máy mà vẫn đảm bảo độ tin cậy của kết quả nhậnđược Tally F4 được sử dụng để xác định thông lượng electron qua các cell, giá trị liềulượng được quy đổi qua hệ số thông lượng – liều lượng (DE-DF).

Hình 3.1 Mô hình bài toán được vẽ bởi MCNP 3.2 Kiểm tra kết quả bài báo [6] bằng chương trình MCNP

Bài báo [6] khẳng định độ dày bộ lọc nhôm khi chiếu xạ bằng nguồn electronnăng lượng E0 = 6 MeV là 0,6 cm Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệBức xạ đã vận dụng kết quả bài toán để tiến hành chiếu xạ thực phẩm trên máy gia tốcchùm tia điện tử UERL-10-15S2 Kết quả thực nghiệm cho thấy đường phân bố liềukhông được làm phẳng Do đó, khóa luận này dùng chương trình MCNP để kiểm trakết quả bài báo Để thấy được ảnh hưởng của bộ lọc đến phân bố liều trong đối tượngchiếu xạ, cần xem xét sự phân bố liều hấp thụ trong thùng hàng khi sử dụng và không

sử dụng bộ lọc bằng chương trình MCNP cho kết quả được trình bày trong bảng 3.2;3.3 và hình 3.2 (File input của tính toán này được mô tả trong Phụ lục 6) Các kết quảtính toán trong khóa luận này có sai số tương đối R < 0,1 %

Bảng 3.2 Kết quả tính toán phân bố liều trong thùng hàng được chiếu xạ bằng nguồn

electron 6 MeV khi không sử dụng bộ lọc

Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy)

Bảng 3.3 Kết quả tính toán phân bố liều trong thùng hàng được chiếu xạ bằng nguồn

electron 6 MeV khi sử dụng bộ lọc làm bằng nhôm dày 0,6 cm

Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy)

Hình 3.2 Phân bố liều trong thùng hàng được chiếu xạ bởi nguồn electron 6 MeV

Sử dụng chương trình MCNP để mô phỏng kiểm tra kết quả của bài báo với cácđiều kiện đầu của bài toán được bài báo đề xuất Từ bảng 3.2; 3.3 và hình 3.2 nhậnthấy bộ lọc bằng nhôm có độ dày 0,6 cm không làm bằng phẳng đường phân bố liều

mà còn làm đường phân bố liều dịch chuyển nhiều về bên trái Vì thế, kết quả bài báođưa ra là không đáng tin cậy

Để tăng thêm độ tin cậy của khóa luận, hàng loạt bộ lọc phẳng có độ dày khácnhau đã được mô phỏng bằng chương trình MCNP Điển hình là ba bộ lọc có độ dàylần lượt là 0,3; 0,1; 0,06 cm được trình bày trong mục 3.3

3.3 Phân bố liều trong thùng hàng được chiếu xạ bởi nguồn electron 6 MeV sử dụng bộ lọc có độ dày cố định

Xem xét khả năng làm phẳng liều của bộ lọc có chiều dày cố định Tiến hành khảo sát các bộ lọc có chiều dày khác nhau 0,3; 0,1; 0,06 cm bằng MCNP Kết quả phân bố liều được trình bày trong bảng 3.4; 3.5; 3.6 và hình 3.3

Bảng 3.4 Kết quả tính toán phân bố liều trong thùng hàng sử dụng bộ lọc dày 0,3 cm

Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy)

Bảng 3.5 Kết quả tính toán phân bố liều trong thùng hàng sử dụng bộ lọc dày 0,1 cm

Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy)

Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy)

Hình 3.3 Phân bố liều trong thùng hàng sử dụng bộ lọc có chiều dày cố định được

chiếu xạ bởi nguồn electron 6 MeV

3.4 Tính toán tỷ lệ năng lượng chùm tia để làm phẳng đường phân bố liều

Qua quá trình thử rất nhiều bộ lọc có bề dày khác nhau có thể khẳng định, bộlọc có chiều dày cố định không thể làm phẳng đường phân bố liều mà còn làm giảmnăng lượng hữu ích của chùm tia điện tử Mặt khác, liều để lại trong chất hấp thụ củacác electron có năng lượng khác nhau là khác nhau (electron có năng lượng càng lớn,

liều để lại càng cao) Với đặc điểm này, có thể ứng dụng chùm electron có nhiều mứcnăng lượng để làm phẳng đường phân bố liều trong đối tượng chiếu xạ Do đó, cần tínhtoán tỷ lệ các chùm electron đơn năng (năng lượng 1; 2; 3; 4; 5; 6 MeV) để có thể làmphân bố liều đồng đều hơn.

Chương trình MCNP được dùng để mô phỏng phân bố liều của chùm electronđơn năng sau khi đi vào đối tượng chiếu xạ Xét sáu mức đơn năng lượng 1; 2; 3; 4; 5;

6 MeV có sáu đường phân bố liều được thể hiện qua hình 3.4

Hình 3.4 Phân bố liều trong thùng hàng của sáu mức đơn năng lượng

không sử dụng bộ lọcCộng sáu đường phân bố liều theo nhiều tỉ lệ khác nhau Nhận thấy với tỉ lệ 1-1-1-1-1-9 lần lượt ứng với các mức năng lượng 1-2-3-4-5-6 MeV thì đường phân bố liềutổng có kết quả tốt nhất (bằng phẳng nhất)

Thực hiện mô phỏng theo tỷ lệ năng lượng trên khi không có bộ lọc ta thu đượcgiá trị liều theo độ sâu cho trong bảng 3.7 và hình 3.5

Bảng 3.7 Kết quả tính toán phân bố liều trong thùng hàng được chiếu xạ bởi nguồn

không đơn năng (1-2-3-4-5-6 MeV theo tỷ lệ 1-1-1-1-1-9)

Độ sâu (cm) Liều (kGy) Độ sâu(cm) Liều (kGy) Độ sâu (cm) Liều (kGy)

Để thiết kế chi tiết bộ lọc, cần phải xác định mối tương quan giữa độ dày bộ lọc

và năng lượng của electron sau khi đi qua bộ lọc: (Đã được nói rõ trong mục 2.1.2)

R d C 0

d= - ln

1 + S

Bảng 3.8 Mối tương quan độ dày và năng lượng electron sau khi qua bộ lọc

Vì vậy, bộ lọc có kích thước 20x20 cm được chia thành 400 ô vuông như hình3.6 Mỗi ô có diện tích mặt đáy 1x1 cm và độ dày thay đổi từ 0,010 cm đến 1,016 cmhình 3.7 Dựa vào kết quả tính toán tỷ lệ độ dày bộ lọc - năng lượng electron sau khixuyên qua bộ lọc, được trình bày trong bảng 3.8 và mục 3.4 Tỷ lệ độ dày - diện tíchmặt đáy của một ô trong 400 ô được cho trong bảng 3.9.

Bảng 3.9 Tỷ lệ độ dày - diện tích mặt đáy của một ô

Tỷ lệ Độ dày (cm) Diện tích mặt đáy (cm2)

Hình 3.6 Hình dạng của bộ lọc làm bằng nhôm

Hình 3.7 Hình dạng chi tiết 1 ô trong 400 ô của bộ lọc làm bằng nhôm đối với nguồn

electron 6 MeV

3.5.2 Chiếu xạ một mặt

Kết quả tính toán phân bố liều trong thùng hàng chiếu xạ một mặt bằng MCNP

có sử dụng bộ lọc như thiết kế được trình bày trong bảng 3.10 và hình 3.8 (File inputcủa tính toán này được mô tả trong Phụ lục 4)