đánh giá an toàn bức xạ đối với máy gia tốc uerl 10 15s2

Trong đó thiết bị chiếu sử dụng máy gia tốc đã được Trung tâm đầu tư và đưa vào hoạt động sử dụng vào năm 2011 với năng lượng chùm tia là 10 MeV, công suất 15kW.. Bảng 1.3: Danh mục và t

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

ĐÁNH GIÁ AN TOÀN BỨC XẠ ĐỐI

Thành phố Hồ Chí Minh 2012

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

ĐÁNH GIÁ AN TOÀN BỨC XẠ ĐỐI

Chuyên ngành: V ẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HN & NLC

L ỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, trường Đại học Sư

Phạm TP.HCM, tôi đã được các thầy cô tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến

thức quý giá Cho tôi gửi lời biết ơn với tất cả các thầy cô đã giảng dạy tôi trong

suốt thời gian học tại trường

Xin tri ân đến thầy Trần Văn Hùng đã định hướng cho tôi lựa chọn đề tài này

và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn

Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến anh Cao Văn Chung đã có những ý kiến đóng góp, hướng dẫn quí báu và nhiệt tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin được phép gửi lời cám ơn đến quý Thầy/Cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và giúp tôi hoàn chỉnh luận văn

Cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, bạn bè luôn ủng hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

M ỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC UERL – 10 - 15S2 9

1.1 Giới thiệu máy gia tốc UERL – 10 – 15S2 [5] 9

1.2 Khối che chắn bức xạ [5] 13

1.3 Hệ thống chiếu xạ [4] [5] 15

1.4 Klystron [4] [5] 18

CHƯƠNG II:TƯƠNG TÁC ELECTRON VỚI VẬT CHẤT [1] 20

2.1 Sự mất năng lượng do ion hoá 20

2.2 Sự mất mát năng lượng do bức xạ 21

2.3 Sự mất năng lượng do bức xạ Synchrotron 23

2.4 Sự mất bức xạ do bức xạ Cherenkov 25

CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÁC THIẾT KẾ CHE CHẮN CỦA THIẾT BỊ UERL -10 – 15S2 28

3.1 Tầm của electron trong vật chất [2] 28

3.2 Khả năng phát bức xạ hãm của chùm electron phát từ thiết bị [4] 30

3.3 Tính toán cơ bản của thiết kế che chắn bức xạ cho hệ thống chùm electron [6].31 3.4 Kết quả tính toán phân bố liều bằng phương pháp mô phỏng dùng phần mềm MCNP (4C) 44

3.5 Kết quả thực nghiệm đo suất liều cho thiết kế che chắn UERL -10 – 15S2 59

KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 65

DANH M ỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các thông số cơ bản của máy gia tốc: 12

Bảng 1.2: Các thông số chính của hệ băng chuyền của máy gia tốc: 12

Bảng 1.3: Danh mục và thông số các thiết bị của máy gia tốc 13

Bảng 3.1: Suất liều giới hạn cho các vị trí 31

Bảng 3.2 : Các điểm tính toán ứng với từng nhóm làm việc khác nhau 32

Bảng 3.3: Kết quả tính toán lý thuyết cho che chắn bức xạ truyền qua 39

Bảng 3.4: Giá trị TVL cho các photon tán xạ 42

Bảng 3.5: Kết quả tính toán sự suy giảm bức xạ do tán xạ 43

Bảng 3.6: Phương trình mô tả các mặt cơ bản trong MCNP 47

Bảng 3.7: Các loại tally tính toán 50

Bảng 3.8: Ý nghĩa sai số tương đối R trong MCNP 52

Bảng 3.9: Hệ số DE/DF 55

Bảng 3.10: Kết quả tính toán suất liều sử dụng MCNP 57

Bảng 3.11: Kết quả tính toán suất liều cho hiệu ứng sky-shine 59

Bảng 3.12: Kết quả suất liều lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm 62

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Khối gia tốc của thiết bị chiếu xạ 9

Hình 1.2: Sơ đồ thiết kế hệ thống che chắn bức xạ 9

Hình 1.3: Sơ đồ lắp đặt tầng trệt 10

Hình 1.4: Sơ đồ lắp đặt tầng 1 10

Hình 1.5: Sơ đồ mặt cắt khối che chắn bức xạ 11

Hình 1.6: Cấu trúc bê tông tầng trệt của khối che chắn 14

Hình 1.7: Cấu trúc bê tông tầng 1 của khối che chắn 14

Hình 1.8: Cấu trúc của hệ thống chiếu xạ 15

Hình 1.9: Cấu trúc một ống gia tốc dùng sóng RF 16

Hình 1.10: Hệ thống quét chùm tia 18

Hình 1.11: Klystron TH2173F 18

Hình 1.12: Cấu trúc của một klystron 19

Hình 2.1: Bức xạ synchrotron 23

Hình 2.2: Mặt sóng của bức xạ Cherenkov 27

Hình 3.1: Tầm electron trong một số vật liệu ứng với giá trị năng lượng tới Eo 29

Hình 3.2 : Phổ photon sinh ra trong quá trình chiếu xạ 30

Hình 3.3: Suất liều ứng với các góc sinh ra bởi bức xạ hãm 32

Hình 3.4: Vị trí các điểm 1,2,3,4,5 33

Hình 3.5: Vị trí các điểm 7,8,9 33

Hình 3.6: Vị trí các điểm 7,10,11,12 34

Hình 3.7: Vị trí các điểm 5, 6, 13 và các mặt tán xạ S1, S2, S3 34

Hình 3.8: Vị trí các điểm 6, 13 và các mặt tán xạ S4, S5, S3 35

Hình 3.9: Các mặt tán xạ S6, S7 35

Hình 3.10: 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 37

Hình 3.11: Đường suy giảm theo chiều dày bê tông che chắn của các nguồn electron đơn năng: 1- 0.1 MeV; 2 - 0.24 MeV; 3 - 0 MeV 4; 4 - 0.5 MeV; 5 - 1.0 MeV;

7 - 2.0 MeV; 9 - 3.0 MeV; 10 - 4.0 MeV; 11 - 6.0 MeV; 12 - 10.0 MeV và 6 - nguồn 137Cs; 8-nguồn 60Co 38

Hình 3.12: Sơ đồ tính toán suất liều bức xạ trong lối đi của hệ che chắn bức xạ 40

Hình 3.13: Hệ số albeldo ứng với các mức năng lượng của bức xạ hãm theo năng lượng các góc Θscho bêtông (mật độ 2,3g/cm3 ) 41

Hình 3.14: Năng lượng tán xạ photon phụ thuộc vào góc tán xạ 41

Hình 3.15: Mặt cắt Oxy nhà chiếu xạ tại vị trí z = 60 54

Hình 3.16: Mặt cắt Oxy nhà chiếu xạ tại vị trí z = 300 54

Hình 3.17: Mặt cắt Oyz nhà chiếu xạ tại vị trí z = 0 55

Hình 3.18: Liều kế Ethanol-Chlorobenzene (ECB) 60

Hình 3.19: Máy đo liều MINI RAD-1000 61

Hình 3.20: Sử dụng máy đo liều MINI RAD-1000 đo suất liều tại các vị trí 61

M Ở ĐẦU

Ngày nay Công nghệ Bức xạ (CNBX) là một trong các lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả cao của ngành Năng lượng nguyên tử ở Việt Nam, cũng như nhiều nước trên thế giới Bức xạ ion hóa được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế - xã hội (KT-XH) như y tế, công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu Hiệu

quả KT-XH mà chúng đem lại không nhỏ và đã được xã hội thừa nhận Nhiều kỹ thuật bức xạ, hạt nhân là không thể thay thế và đã trở thành những công cụ, phương pháp hữu hiệu trong chẩn đoán và điều trị bệnh, bảo quản lương thực, thực phẩm, thăm dò và khai thác tài nguyên

Trước sự phát triển mạnh của CNBX, ngày càng nhiều cơ sở ứng dụng được hình thành Được thành lập từ năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, tên viết tắt là VINAGAMMA hiện đã đưa vào hoạt động 2 thiết

bị chiếu xạ công nghiệp: máy chiếu xạ nguồn Cobalt-60, SVST-Co60/B, và máy gia tốc chùm tia điện tử UELR-10-15S2 Trong đó thiết bị chiếu sử dụng máy gia tốc đã được Trung tâm đầu tư và đưa vào hoạt động sử dụng vào năm 2011 với năng lượng chùm tia là 10 MeV, công suất 15kW Thiết bị được sử dụng cho mục đích nghiên cứu ứng dụng Công nghệ Bức xạ trong công nghiệp, xử lý chất thải môi trường, khử trùng các vật phẩm y tế và thanh trùng hàng thực phẩm Đặc điểm nổi trội của máy gia tốc so với máy chiếu dùng nguồn cobalt đó là sự an toàn; bởi thiết bị sẽ ngừng phát tia khi tắt máy trong khí đó với máy cobalt thì đồng vị phóng xạ vẫn phân rã liên tục và phát tia khi không còn cần đến Ngoài ra máy cobalt còn đòi hỏi phải thay nguồn định kỳ do phân rã phóng xạ vì thế nguồn cũ khi không còn sử dụng cần phải xử lý để đảm bảo an toàn bức xạ

Tuy nhiên, dù đặc tính có an toàn hơn, nhiều ưu điểm hơn của các công nghệ bức xạ ngày càng phát triển, chúng ta cũng không thể chủ quan trong việc đánh giá mức độ an toàn của thiết bị bởi bức xạ ảnh hưởng đến các mô sống, đặc biệt ảnh hưởng trực tiếp đến con người Nếu bức xạ ion hoá đi vào các mô sống, các ion được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình thường Tiếp xúc với bất

kỳ loại nào trong số các loại bức xạ ion hoá, bức xạ alpha, beta, các tia gamma, tia

X và nơtron, đều có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ

Trên cơ sở đó, bài luận văn này nhằm mục đích trình bày việc khảo sát suất

liều ở các vị trí ảnh hưởng của thiết bị gia tốc UERL -10-15S2 bằng phép mô phỏng Monte-Carlo sử dụng chương trình MCNP(4C2) và kiểm chứng bằng phép đo thực nghiệm Từ đó đưa ra đánh giá về mức độ an toàn các thiết kế che chắn bức xạ của thiết bị gia tốc UERL -10-15S2

Luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu hệ thống chiếu xạ sử dụng máy gia tốc UERL – 10 – 15S2 gồm những thông số kỹ thuật của máy và cấu trúc che chắn bức xạ

Chương 2: Những tương tác của electron với vật chất bao gồm các quá trình

mất năng lượng của electron

Chương 3: Đánh giá an toàn của thiết kế che chắn thiết bị UERL -10 – 15S2 bao gồm trình bày các tính toán lý thuyết về thiết kế che chắn bức xạ do CORAD Service Co.Ltd cung cấp, các tính toán phân bố liều sử dụng chương trình mô phỏng MCNP (4C2) và kiểm chứng bằng phép đo thực nghiệm

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC UERL – 10 - 15S2

Máy gia tốc UERL – 10 – 15S2 thuộc loại Linac được cung cấp bởi CORAD Service Co.Ltd Hệ thống chiếu xạ này sử dụng chùm điện tử năng lượng cao được

lắp đặt tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ (Vinagamma), bao gồm máy gia tốc điện tử tuyến tính UERL-10-15S2 và khối băng chuyền đặt bên trong khối bêtông che chắn làm giảm tia bức xạ đến mức cho phép UERL-10-15S2 sử dụng ống gia tốc cộng hưởng để gia tốc electron bằng sóng cao tần cung

cấp bởi klystron Hệ thống đầu ra chùm tia có hai cửa nằm ở khoảng cách 1m do đó cho phép đồng thời chiếu xạ sản phẩm trên cả hai mặt

Hình 1.3: Sơ đồ lắp đặt tầng trệt

Hình 1.4: Sơ đồ lắp đặt tầng 1

Hình 1.5: Sơ đồ mặt cắt khối che chắn bức xạ

1 Khối băng chuyền

2 Khu vực chiếu xạ với hai chùm tia điện tử đối xứng

3 Khối chân không

4 Tổng đài chính

5 Khu điều khiển máy gia tốc và nguồn cung cấp năng lượng băng chuyền

6 Khu điều khiển băng chuyền

7 Khối điều khiển hệ thống an toàn

8 Khu vực gia tốc

9 Khối klystron với thiết bị tạo xung

10 Hệ thống làm mát cho máy gia tốc và klystron

Các thành ph ần chính của máy gia tốc UERL – 10 – 15S2

 Các thông số đặc trưng kỹ thuật của thiết bị:

Bảng 1.1: Các thông số cơ bản của máy gia tốc:

Bảng 1.2: Các thông số chính của hệ băng chuyền của máy gia tốc:

Bề rộng cực đại của thùng hàng 500

Chiều cao cực đại của thùng hàng 300

Trọng lượng cực đại của thùng hàng 25 kg

Chiều dài quét cực đại, mm 500

Công suất tiêu thụ, kW 110

Độ đồng đều liều theo chiều quét, % +/-5

Độ ổn định năng lượng,% +/-2,5

Độ ổn định công suất, % +/-2,5

Bảng 1.3: Danh mục và thông số các thiết bị của máy gia tốc

Hệ thống chiếu xạ sử dùng máy gia tốc UERL – 10 - 15S2 tại trung tâm VINAGAMMA được che chắn bởi thiết kế bằng vật liệu bê tông có tỷ trọng 2,3g/cm3 để đảm bảo tính chất an toàn bức xạ đối với nhân viên làm việc cũng như khu vực xung quanh Khối che chắn gồm 2 khu vực chính : khu vực được chiếu xạ

ở tầng trệt và khu vực đặt hệ thống máy gia tốc được bố trí ở tầng 1

Thiết bị Kích thước, mm lượng, Trọng

kg Dài Rộng Cao

Máy chiếu xạ 4880 1545 1590 3800

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

Hình 1.7: Cấu trúc bê tông tầng 1 của khối che chắn

6 Từ trường lái electron của đầu quét 2

7 Từ trường điều hướng dòng ra

8 Thùng hàng chiếu xạ

Máy gia tốc UERL-10-15S2 sử dụng sóng cao tần (RF) để gia tốc electron Ống gia tốc là hệ thống các hốc cộng hưởng (resonant cavity), thực chất mỗi hốc cộng hưởng là một thể tích cách điện hoặc chân không được giới hạn bởi vật dẫn điện

Hình 1.9: Cấu trúc một ống gia tốc dùng sóng RF

Trong ống gia tốc, hạt được gia tốc theo cơ chế cộng hưởng bởi sóng RF như sau: sóng RF được bơm vào trục của ống gia tốc, tạo nên một điện trường dọc theo trục này Điện trường này thay đổi theo thời gian với chu kỳ bằng chu kỳ của sóng

RF đã bơm vào Với f là tần số cộng hưởng, chu kỳ của sóng RF được xác định bằng:

v L

22

β

=

Hạt chuyển động càng chậm thì chiều dài hốc cộng hưởng càng nhỏ

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

RF beam nT

T = (n = 1, 2, 3 ) Tần số RF của mỗi hốc cộng hưởng bằng một số nguyên lần thời gian giữa hai nhóm electron được gia tốc

Khi đó năng lượng hạt nhận được qua mỗi hốc được xác định qua công thức:

dt v E q

Hình 1.10: 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 cm Máy gia tốc UERL-10-15S2 có hai hệ quét bố trí đối xứng nhau qua hệ băng chuyền để thực hiện chiếu xạ hai mặt của đối tượng cùng một lúc

1.4 Klystron [4] [5]

Hệ thống sóng cao tần cung cấp cho máy gia tốc UERL-10-15S2 gồm: klystron TH2173F, hệ tăng thế klystron, một đường ống kích thích và một đường ống dẫn sóng đồng trục được gắn kết với klystron và với cấu trúc gia tốc

Hình 1.11: Klystron TH2173F

Từ trường quét

Thành của hệ Chân không

Cửa sổ titan

Klystron là thiết bị khuếch đại sóng cao tần cung cấp cho ống gia tốc Gồm một súng điện tử ở bên dưới tạo ra một nhóm electron Xung điện tử này sau đó đi qua

buồng có cấu trúc cộng hưởng, tại buồng cộng hưởng này, sóng RF ổn định được bơm vào để gia tốc tần số mong muốn Sau đó các chùm tia đi qua buồng thứ hai,

đó cũng là buồng cộng hưởng gia tốc tần số Tại cấu trúc cộng hưởng này, electron

sẽ mất dần năng lượng qua quá trình cộng hưởng với sóng RF và trao phần năng lượng bị mất cho sóng RF ban đầu Sau khi mất phần năng lượng, electron được hấp

thụ qua bộ phận hấp thụ, sóng RF có năng lượng khuếch đại được dẫn ra ngoài và được đưa đến ống gia tốc qua một ống chứa khí SF6 Cấu trúc của một klystron cơ

bản được mô tả sau đây:

Hình 1.12: Cấu trúc của một klystron

CHƯƠNG II

TƯƠNG TÁC ELECTRON VỚI VẬT CHẤT [1]

Do electron là hạt mang điện nên cơ chế tương tác của nó với vật chất là tương tác tĩnh điện với các eletron quỹ đạo làm kích thích và ion hoá các nguyên tử Khi có sự va chạm của electron này với electron khác, nó có thể mất đi một phần năng lượng đáng kể (trung bình đến ½) Nhưng nếu xem rằng electron sơ cấp có năng lượng lớn hơn năng lượng giật lùi thì sự mất năng lượng trung bình là ¼, sự

mất mát năng lượng trên đơn vị đường đi của electron ( tốc độ mất năng lượng tuyến tính) cũng được tính bởi Bethe dạng tổng quát:

− + +

2 2

2 2 2

2

4

1 1 8

1 1

1 1

2 ln ) 1 ( 2 ln 2

I

T v m v

m

e n dx

e e e

2

2

e I

v m nZ v m

e dx

e e ion

π

Z, n là mật độ nguyên tử và bậc số nguyên tử của môi trường vật chất, e là cơ

số của log neper Sau va chạm chùm electron đơn năng sẽ mất năng lượng, và năng lượng của chùm electron qua tấm vật chất sẽ phân bố trong khoảng năng lượng nào

đó phụ thuộc vào bề dày của vật liệu

Do khối lượng electron có khối lượng bằng với electron quỹ đạo nên va

chạm giữa chúng làm electron chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu Do đó các hạt electron chuyển động theo đường cong khúc khuỷa sau nhiều va chạm trong môi trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng để ion hoá

2.2 S ự mất mát năng lượng do bức xạ

Trong các tương tác với hạt nhân hướng đi của electron có thể bị thay đổi hoàn toàn Điều này tương ứng với việc electron có một gia tốc rất lớn Theo điện động lực, khi đó electron sẽ phát ra bức xạ điện từ, gọi là bức xạ hãm (Bremstrahlung) Đây cũng là một cơ chế mất năng lượng quan trọng của electron, bên cạnh sự ion hóa và kích thích Bức xạ hãm có phổ liên tục Nếu biết được tiết

diện σ(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 dạng sau:

dv v T hv n dx

rad

),(.max

X0, ta có:

T dx

dT X

n X

T dx

dT

rad rad

rad

11

11

0 0

v , bởi vì sự suy giảm năng lượng

do bức xạ hãm gần như tỷ 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 σrad mà

thực tế không phụ thuộc vào năng lượng của electron, khi đó tích phân trên sẽ là:

rad rad

nT dx

cách hiệu dụng giữa electron bức xạ và hạt nhân Một số công thức tính sự mất năng lượng do bức xạ trên đơn vị chiều dài đối với electron có năng lượng khác nhau, sẽ được chỉ ra dưới đây:

Đối với electron có động năng 2

c m

T << e (trường hợp không tương đối), n là

mật độ nguyên tử, Z là điện tích hạt nhân và 22

c m

e r

e

e = , ta có:

1373

16137

3

rad e

rad

r Z r

Z nT dx

137 −

<<

<<T m c Z c

m e e (nếu bỏ qua hiệu ứng mà chắn), ta có:

ln 4

137 2

2 2

c m

T r

Z nT dx

dT

e e

ln4

2 2

c m

T r

Z

e

e rad

Đối với electron có động năng m e c Z−3 <<T

1 2

137 31

2 2

Z

r Z nT dx

137 31

2 2

Từ các phương trình (2.6), (2.7), (2.8) sự mất 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 với động năng T của electron

nT Z dx

So sánh sự mất năng lượng do sự ion hoá với sự mất năng lượng do bức xạ

Sự mất năng lượng ion hoá 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 Có thể đưa vào năng lượng tới hạn khi mà sự mất năng lượng

do ion và do bức xạ là bằng nhau Ở những năng lượng thấp, sự mất năng lượng do

sự ion hoá là chủ yếu, còn ở năng lượng cao sự mất năng lượng do bức xạ chiếm ưu

thế Từ (2.1) và (2.9) Bethe và Geiger đưa ra hệ thức gần đúng giữa sự mất năng lượng do bức xạ và ion hoá là:

2

1600m c TZ

dx dT dx dT

e ion

Một electron di chuyển theo quỹ đạo cong, tức là có gia tốc thì bị bức xạ

Thật vậy, thực nghiệm đã chỉ ra rằng electron chuyển động trên quỹ đạo cong phát bức xạ điện từ trên một khoảng tần số rộng (từ tần số radio đến bức xạ gamma mềm) Bức xạ này được khám phá trong quan sát thiên văn, và sau đó được phát hiện tring những máy gia tốc vòng (synchrotron), do đó nó được gọi là bức xạ synchrotron

(2.11) θ

Ở đây 2

1

1 1

6 ,

4 6 2

Với H tính bằng gauss và Te tính bằng electron-volt Đối với những electron

có năng lượng cao thì tần số này lớn hơn tần số quay của electron trong synchrotron (107Hz) Đối với H = 104

G và Te = 100MeV, bức xạ synchrotron được phát ra trong hình nón có θ = 17 ' và v0 = 4 , 6 1014(Hz), tương ứng với ánh sáng khả kiến màu đỏ

Ở Te = 20 BeV, bức xạ synchrotron là tia X cứng có chiều hướng về phía trước với

thể, người ta có thể cô lập được bức xa có tần số bất kỷ với sai số tương đối có bậc

6

10

/ = −

∆E E từ phổ liên tục Cường độ còn lại sau khi đơn sắc hoá thì vẫn còn gấp

102 – 103 lần cường độ của ống phóng tia X bất kỳ Với cường độ cao, khoảng năng lượng rộng, có thể đơn sắc hoá và có khả năng phân cực cũng như có bản chất xung

của bức xạ synchrotron, nó là loại bức xạ rất tốt trong việc áp dụng để nghiên cứu

cấu trúc của vật liệu và giải quyết nhiều vấn đề thực hiện quan trọng như: nghiên

cứu sự hấp thụ bức xạ điện từ bởi các chất khí, nghiên cứu hiện tượng huỳnh quang

để xác định thời gian sống và các kiểu phân rã đối với những trạng thái kích thích, nghiên cứu cấu trúc chất rắn thông qua phổ của nó, nghiên cứu thiên văn và phóng

xạ thiên văn, nghiên cứu cấu trúc của những mẫu sinh vật

2.4 S ự mất bức xạ do bức xạ Cherenkov

Vào năm 1934 Cherenkov nghiên cứu sự phát quang của muối U-ran dưới

tác động của những tia gamma phát ra từ radium Ông đã khám phá ra một loại phát quang mới mà không thể giải thích theo cơ chế phát huỳnh quang bình thường Chúng ta biết rằng hiện tượng huỳnh quang là do sự chuyển dời giữa hai mức kích thích của nguyên tử hay phân tử Khoảng thời gian của sự phát huỳnh quang

s

10

10−

>

τ , xác suất chuyển dời phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu, vào nhiệt

độ Trong khi 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 ra bởi sự tương tác của lượng tử gamma với môi trường do hiệu ứng quang điện hoặc hiệu ứng Compton

Cường độ bức xạ thì độc lập với điện tích Z của môi trường, do đó nó không

thể có nguồn gốc 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 đã thấy rằng, việc phát biểu: “Hạt tích điện di chuyển thẳng đều trong chân không, thì không có khả năng mất năng lượng bởi bức

xạ, là sẽ không còn đúng nữa khi khảo sát trong những môi trường có chiết suất n >

1 Những kết luận của Frank và Tamm được đưa ra dựa trên định luật bảo toàn năng lượng và động lượng

Giả sử rằng hạt tích điện chuyển động thẳng đều có thể mất năng lượng và động lượng thông qua bức xạ Trong trường hợp này, phương trình theo sau phải thoả:

rad part dp

dE dp

Dễ thấy rằng phương trình này không thể thoả mãn 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 2 4 2 2

c p c m

E part = + và do đó ta có:

v c E

pc dp

dE dp

Như thế theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng nó sẽ ngăn cấm

hạt tích điện chuyển động thẳng đều trong chân không phát ra bức xạ điện từ Tuy nhiên, giới hạn này sẽ được loại bỏ khi hạt chuyển động trong môi trường có chiết

suất n>1 Trong trường hợp này, vận tốc của ánh sáng trong môi trường là c’ = c/n

<c Khi đó 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

n

c c

luật bảo toàn cho phép một hạt tích điện chuyển động thẳng đều với vận tốc

n

c

c

v≥ ′ = mất phần năng lượng dE và động lượng dp của nó bằng cách phát ra dưới

dạng sóng điện từ truyền trong môi trường ở góc θ Chúng ta có thể sử dụng nguyên lý Huyghens để xây dựng mặt sóng đối với các sóng bức xạ Giả sử sau khoảng thời gian t hạt ở vị trí x = vt, chúng ta dựng mặt sóng bao 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 bằng Ro = c’t, trong khoảng thời gian này bán kính ở vi trí x là

R x' ' ' , tức là bán kính của sóng giảm tuyến tính theo sự gia tăng

của x’ Dễ thấy rằng mặt phủ là hình nón góc ở đỉnh 2ϕ với:

n

n vn

c v

c vt

t c x R

βθ

βϕ

1 cos

1 '

' sin 0

Những bàn luận dựa vào các định luật bảo toàn đưa ra ở trên, không cho ta

những công thức định lượng để tính sự mất năng lượng và động lượng của hạt Tuy nhiên nó đã chỉ ra quá trình bức xạ Cherenkov xảy ra trong những môi trường có chiết suất với n >1, mà không thể xảy ra trong chân không

Hình 2.2: Mặt sóng của bức xạ Cherenkov

CHƯƠNG III

ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÁC THIẾT KẾ CHE CHẮN CỦA THIẾT BỊ

UERL -10 – 15S2

Tầm của electron trong vật chất khó xác định hoàn toàn chính xác bởi có sự thăng giáng của các hạt mà trong đó do sự mất năng lượng của bức xạ hãm và sự thay đổi hướng do tán xạ Coulomb Tầm của electron được xác định bởi tốc độ năng lượng mất đi suốt theo quãng đường mà nó đi được

Sự mất năng lượng chỉ mang tính chất thống kê nên ta chỉ xét khái niệm quãng chạy trung bình R của hạt Về mặt lý thuyết, sự phụ thuộc quãng chạy R vào năng lượng E có thể xác định theo biểu thức:

∫

= 0 0

E

dx dE

dE

Các hạt tích điện khi va chạm với các electron của nguyên tử môi trường có thể bị lệch hướng Sự lệch hướng do tán xạ Coulomb đàn hồi của hạt tới với các hạt nhân đóng vai trò đáng kể và có khi lệch trên 900 (tán xạ ngược) Vì vậy khái niệm

“Quãng chạy thực” của hạt và bề dày hấp thụ hoàn toàn không đồng nhất với nhau Nhưng trong thực nghiệm chỉ xác định được bề dày hấp thụ và đại lượng đó gọi là quãng chạy

Hình 3.1: Tầm electron trong một số vật liệu ứng với giá trị năng lượng tới Eo

Tầm bay của electron được xác định dựa trên phân bố liều hấp thụ electron

để lại khi đi vào vật chất; tại điểm cuối ngoại suy Rp hay chân của đường phân bố

liều RM

Đối với miền năng lượng electron E > 2,5 MeV thì công thức biểu diễn sự

phụ thuộc quãng chạy theo đơn vị bề dày mật độ (mg/cm2) vào năng lượng của electron (MeV) [2]:

106

530 −

= E R

Quãng chạy của chùm electron ứng với năng lượng 10 MeV bằng 5,194 g/cm2 Như vậy ứng với chiều dày che chắn của không khí là 5,194/0,00129 = 4026

cm hay 40,26 m Trong cấu trúc che chắn của hệ thống máy gia tốc, vị trí gần nhất

của các điểm bên ngoài buồng chiếu đến đầu phát là 4,3 m do đó việc che chắn electron là rất cần thiết

Electron mang điện tích nên bị mất năng lượng do quá trình ion hoá nguyên

tử môi trường và sau một quãng chạy, nó bị dừng lại trong vật chất Như vậy vật

liệu với bề dày xác định có thể che chắn hoàn toàn electron Trong thiết kế che

chắn, vật liệu che chắn sử dụng là bê tông có mật độ là 2,3 g/cm3, khi đó bề dày của

bê tông che chắn là: 5,194/2,3=2,258 cm Trong cấu trúc của hệ thống máy gia tốc, chiều dày bê tông từ 42cm – 300cm Do đó với bề dày che chắn chùm electron hầu như không thể gây liều tại khu vực xung quanh

Chùm electron khi đi qua môi trường vật chất sinh ra các bức xạ hãm, hay

bức xạ Bremstrahlung nên tính toán che chắn phải che chắn cả tia bức xạ này Khả năng phát bức xạ hãm của electron phụ thuộc vào bình phương điện tích Z của hạt nhân môi trường, với mật độ nguyên tử môi trường n và động năng T của electron

Trên lý thuyết, năng lượng photon phát ra từ quá trình electron bị hãm trong

vật chất có năng lượng từ 0 đến 10 MeV Tuy nhiên, kết quả tính toán trọng số năng lượng photon sinh ra trong quá trình electron đi vào môi trường vật chất chiếu xạ thông thường bằng mô phỏng MCNP cho thấy: phổ photon sinh ra hầu như có năng lượng dưới 2,6 MeV.(tỷ lệ phát photon ở mức 2,6 MeV so với mức phát cực đại là 1/100), xác xuất phát bức xạ hãm là 2,639 10-3 photon/electron

Hình 3.2 : Phổ photon sinh ra trong quá trình chiếu xạ

3.3 Tính toán cơ bản thiết kế che chắn bức xạ cho hệ thống chùm electron [6]

3.3.1 Su ất liều giới hạn tại các vị trí làm việc

Suất liều cho phép bên ngoài khối che chắn bức xạ được tính toán theo công thức:

1700

*

*

* 2

*

103

n T

MPD

Trong đó 103

– giá trị quy đổi mSv qua µSv

MPD – giới hạn suất liều hàng năm cho phép ứng với từng nhóm cá thể (mSv/năm)

2 – hệ số an toàn

T – hệ số sử dụng phụ thuộc vào mục đích sử dụng của các phòng khác nhau [1,2,3]

n – số ca trực vận hành

1700 – thời gian máy vận hành trong một năm (phút)

Bảng 3.1 Suất liều giới hạn cho các vị trí

được phép tiếp cận trong thời gian ngắn 0,06 1 20 98

Hình 3.3: Suất liều ứng với các góc sinh ra bởi bức xạ hãm

3.3.3 Các v ị trí tính liều xác định trong thiết kế:

Các vị trí tính liều xác định cho từng nhóm đối tượng làm việc được cho trong Bảng 3.2 và trong các hình 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9

Bảng 3.2 : Các điểm tính toán ứng với từng nhóm làm việc khác nhau

tương ứng

Nhân viên vận hành 2,6,5,10,13,15 Dân cư xung quanh 3,1,4,11,12

Những người thỉnh thoảng làm việc tại hệ thống thông gió 7,8,9

Hình 3.4: Vị trí các điểm 1,2,3,4,5

Hình 3.5: Vị trí các điểm 7,8,9

Hình 3.6: Vị trí các điểm 7,10,11,12

Hình 3.7: Vị trí các điểm 5, 6, 13 và các mặt tán xạ S1, S2, S3

Hình 3.8: Vị trí các điểm 6, 13 và các mặt tán xạ S4, S5, S3

Hình 3.9: Các mặt tán xạ S6, S7

3.3.4 Che ch ắn nguồn photon phát ra qua quá trình phát bức xạ hãm:

Che chắn photon phát ra từ quá trình phát bức xạ hãm của chùm electron là khá phức tạp, trong bản thiết kế che chắn được cung cấp bởi Corad-Service (CR) cũng đã tính toán chiều dày bê tông thích hợp để che chắn bức xạ

Vật liệu che chắn bức xạ của thiết kế có kết cấu bêtông với mật độ 2,3g/cm3

để làm suy giảm bức xạ hãm đến suất liều cho phép Công thức cho sự suy giảm:

),( Θ

=

R P

Pg

Hệ số K có thể được thông qua TVL (bề dày 1/10) thể hiện việc bức xạ giảm

đi 10 lần khi đi qua bề dày che chắn

TVL X

Trong đó X – bề dày che chắn (cm)

TVL: số giảm suất liều từ giá trị P(R,Θ) đến dưới giá trị liều giới hạn

K

Bề dày che chắn bảo vệ được xác định:

n TVL

Với đặc trưng của tương tác bề mặt, thông thường giá trị TVL ở lớp thứ nhất khác với giá trị của các lớp che chắn tiếp theo Các giá trị TVL bề mặt và dành cho các lớp tiếp theo được cho trong Hình 3.10 Với năng lượng electron của thiết bị là

10 MeV, giá trị TVL tương ứng khoảng 40 cm

Hình 3.10: Các giá trị TVL của các vật liệu a: bê tông, b: thép, c chì Đường đứt nét

là các giá trị của lớp thứ nhất, đường liền là cho các lớp hấp thụ tiếp theo

Ngoài ra, để thuận tiện hơn ta có thể sử dụng đường cong suy giảm để tìm độ dày che chắn cần thiết, ví dụ như hình 3.11 hiển thị đường cong suy giảm cho vật

liệu bêtông:

Hình 3.11: Đường suy giảm theo chiều dày bê tông che chắn của các nguồn electron đơn năng: 1- 0.1 MeV; 2 - 0.24 MeV; 3 - 0 MeV 4; 4 - 0.5 MeV; 5 - 1.0 MeV; 7 - 2.0 MeV; 9 - 3.0 MeV; 10 - 4.0 MeV; 11 - 6.0 MeV; 12 - 10.0 MeV và 6 - nguồn

137

Cs; 8-nguồn 60

Co

Kết quả tính toán cho che chắn bức xạ bằng bêtông thường với mật độ 2,3g/cm3

được thể hiện trong bảng 3.3