Xác định tương đương liều bức xạ nơtron bằng phổ kế cầu bonner

Mặc dầu đã tồn tại một số các phương pháp như xoắn phổ liều hấp thụ theo hệ số phẩm chất hay sử dụng các đầu dò có hàm đáp ứng giống như hàm chuyển đổi, phổ kế nơtron vẫn được xem như là

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các thiết kế thí nghiệm, các kết quả đo đạc thực nghiệm được thể hiện trong bản luận văn này đều

do chính tác giả làm và hoàn toàn không sao chép từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào Nếu không đúng như đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về luận văn của mình

Hà Nội, ngày 18 tháng 10 năm 2017

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

CHU VŨ LONG

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản luận văn này, trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới

TS Trần Ngọc Toàn, người đã hướng cho tôi đến với lĩnh vực nghiên cứu này, đã chỉ bảo rất tận tình trong thời gian tôi làm luận văn tốt nghiệp Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Trần Kim Tuấn và các thầy, cô khác ở Viện Kỹ thuật Hạt nhân - Vật lý Môi trường - nơi tôi học tập - đã ủng hộ, nhiệt tình truyền đạt những kiến thức cơ bản và quý báu về chuyên môn cho chúng tôi Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành khóa học, hoàn thành bản luận văn

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 1

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 2

Danh mục các bảng 5

MỞ ĐẦU 7 Chương I Tổng quan về phổ kế nơtron và vai trò của phổ kế nơtron trong liều lượng an toàn bức xạ 9

1.1 Các thuật ngữ, định nghĩa và đại lượng cơ bản được sử dụng trong liều lượng nơtron 9

1.1.1 Các đại lượng vật lý đặc trưng cho liều lượng trường bức xạ 9

1.1.2 Các đại lượng thao tác 10

1.1.3 Các thuật ngữ 13

1.2 Kỹ thuật phổ kế nơtron ……… 15

1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển 15

1.2.2 Phổ kế nơtron và các kỹ thuật chính trong phổ kế nơtron 16

1.2.3 Vai trò của phổ kế nơtron trong liều lượng an toàn bức xạ …… 23

Chương II Kỹ thuật phổ kế cầu Bonner 26

2.1 Phương pháp làm chậm và ghi nhận 27

2.2 Số lượng các quả cầu và hàm đáp ứng 29

2.3 Lựa chọn đầu dò nhiệt cho phổ kế cầu Bonner 34

2.4 Nguyên lý xác định tương đương liều bằng kỹ thuật phổ kế nơtron 37

2.5 Phương pháp tách phổ ……… 38

2.5.1 Tổng quan về phương pháp tách phổ 38

2.5.2 Phần mềm tách phổ NSDUAZ6LiI 40

2.6 Kỹ thuật trường tự do ……… 44

2.7 Kỹ thuật loại trừ tán xạ ……… 44

2.7.1 Phương pháp côn che chắn 45

2.7.2 Phương pháp xác định đáp ứng tổng 46

Chương III: Xác định phổ, tương đương liều trong trường bức xạ nơtron bằng kỹ thuật phổ kế 50

3.1 Đặt vấn đề 50

3.2 Thiết bị và công cụ được sử dụng 50

3.2.1 Hệ chiếu xạ nơtron 241 Am-Be 50

3.2.2 Nguồn bức xạ nơtron 241 Am-Be 51

3.2.3 Hệ phổ kế cầu Bonner 52

3.3 Phổ thông lượng, tương đương liều trong trường tự do 54

3.3.1 Khoảng cách 115 cm từ nguồn 54

3.3.2 Khoảng cách 135 cm từ nguồn 54

3.3.3 Khoảng cách 155 cm từ nguồn 55

3.3.4 Khoảng cách 175 cm từ nguồn 56

3.3.5 Khoảng cách 195 cm từ nguồn 57

3.3.6 Khoảng cách 215 cm từ nguồn 57

3.3.7 Khoảng cách 235 cm từ nguồn 58

3.3.8 Khoảng cách 255 cm từ nguồn 59

3.3.9 Khoảng cách 275 cm từ nguồn 60

3.3.10 Khoảng cách 295 cm từ nguồn 60

3.3.11 Khoảng cách 315 cm từ nguồn 61

3.3.12 Khoảng cách 335 cm từ nguồn 62

3.3.13 Khoảng cách 355 cm từ nguồn 63

3.3.14 Khoảng cách 375 cm từ nguồn 64

3.3.15 Khoảng cách 395 cm từ nguồn 64

3.3.16 Tổng hợp kết quả và thảo luận 65

3.4 Phổ thông lượng, tương đương liều được đo trong trường tổng 241Am-Be 70

3.4.1 Khoảng cách 115 cm từ nguồn 70

3.4.2 Khoảng cách 135 cm từ nguồn 71

3.4.3 Khoảng cách 155 cm từ nguồn 72

3.4.4 Khoảng cách 175 cm từ nguồn 72

3.4.5 Khoảng cách 195 cm từ nguồn 73

3.4.6 Khoảng cách 215 cm từ nguồn 74

3.4.7 Tổng hợp kết quả và thảo luận 74

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tên tiếng Anh/Pháp Tên tiếng Việt

BIPM Bureau International des Poids et

BSS Basic Safety Standards Các tiêu chuẩn an toàn cơ bản

IAEA International Atomic Energy

ICRU International Commission on

Radiation Units & Measurements

Ủy ban quốc tế về Đo lường và Đơn vị Bức xạ

IEC International Electrotechnical

INST Institute for Nuclear Science and

LET Linear Energy Transfer Năng lượng truyền tuyến tính

NIST US National Institute for

Standards and Technology

Viện Công nghệ và Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ

NPL National Physics Laboratory (UK) Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc

gia Anh WHO World Health Organization Tổ chức Y tế thế giới

2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.1 Mối quan hệ giữa trường bức xạ chuẩn với các đại lượng ………… 11

1.2 Định nghĩa của H*(d) trong trường mở rộng và đẳng hướng ……… 12

1.3 Đầu dò bán dẫn kiểu sandwich ……… 19

1.4 Telescope proton giật lùi ……… … 20

1.5 Đầu dò chất nhấp nháy hữu cơ NE213 ……… 21

1.6 Hàm đáp ứng của ống đếm 3He với chín quả cầu có kích thước khác nhau ……… ……

22 1.7 Sự phụ thuộc năng lượng của hệ số chuyển đổi từ Kerma sang tương đương liều xung quanh ……… 24

1.8 Sự phụ thuộc năng lượng của hệ số chuyển đổi từ thông lượng sang tương đương liều ……… … 24

1.9 Sự không đồng nhất giữa hàm đáp ứng và hệ số chuyển đổi ……… 25

2.1 Tiết diện tương tác của nơtron với hydro ……… 28

2.2 Tiết diện tương tác của nơtron với cacbon ……… 28

2.3 Các quá trình có thể của nơtron khi tương tác với cầu Bonner …… 29

2.4 Hàm đáp ứng của cầu Bonner theo các kích thước khác nhau … 30

2.5 Sự biến đổi số đọc cầu Bonner theo kích thước cho ba trường bức xạ nơtron khác nhau ……… …… 31

2.6 Cầu Bonner với các vỏ kim loại bên trong để đo nơtron năng lượng cao 32

2.7 Ma trận đáp ứng của phổ kế cầu Bonner ……… 34

2.8 Sơ đồ cấu tạo của đầu dò 6LiI(Eu) ……… 35

2.9 Phổ cao độ xung của đầu dò 6LiI(Eu) ……… 36

2.10 Phổ năng lượng của nơtron và phổ cao độ xung ……… 39

3

2.11 Thuật toán của phương pháp lặp ……… 41

2.12 Giao diện của phần mềm NSDUAZ ……… 42

2.13 Một file dữ liệu đầu vào cho NSDUAZ ……… 43

2.14 Kết quả tách phổ ……… … 43

2.15 Kích thước và cấu trúc của côn che chắn ……… 45

2.16 Làm khớp bán thực nghiệm với rem-counter Aloka ……… 48

2.17 Làm khớp đa thức cho các quả cầu Bonner có kích thước 8 và 10 inch ……… 49

3.1 Hệ chiếu xạ N40-1-E ……… 50

3.2 Nguồn bức xạ nơtron 241Am-Be kiểu X14 ……… 51

3.3 Phổ bức xạ nơtron của nguồn 241Am-Be theo ISO 8529-1 ……… 51

3.4 Hệ phổ kế cầu Bonner với đầu dò chủ động 6LiI(Eu) ……… 52

3.5 Hệ phân tích đa kênh để ghi, đo tín hiệu ……… 53

3.6 Giao diện chính của phần mềm xử lý phổ Genie 2000 ………… 53

3.7 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 115 cm ………… 54

3.8 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 135 cm ………… 54

3.9 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 155 cm ………… 55

3.10 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 175 cm ………… 56

3.11 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 195 cm ………… 57

3.12 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 215 cm ………… 57

3.13 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 235 cm ………… 58

3.14 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 255 cm ………… 59

3.15 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 275 cm ………… 60

3.16 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 295 cm ………… 61

4

3.17 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 315 cm ………… 61 3.18 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 335 cm ………… 62 3.19 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 355 cm ………… 63 3.20 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 375 cm ………… 64 3.21 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 395 cm ………… 64

3.22 So sánh phổ nơtron tách được ở khoảng cách 95 cm và phổ chuẩn

5

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Các phản ứng có thể của nơtron với nguyên tố H, C theo năng lượng ………

29

2.2 Kích thước của các côn tại phòng chuẩn bức xạ nơtron ……… 46 3.1 Các giá trị đo được ở khoảng cách 115 cm trong trường tự do …… 54 3.2 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 115 cm trong trường tự do 54 3.3 Các giá trị đo được ở khoảng cách 135 cm trong trường tự do …… 55 3.4 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 135 cm trong trường tự do 55 3.5 Các giá trị đo được ở khoảng cách 155 cm trong trường tự do …… 55 3.6 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 155 cm trong trường tự do 56 3.7 Các giá trị đo được ở khoảng cách 175 cm trong trường tự do …… 56 3.8 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 175 cm trong trường tự do 56 3.9 Các giá trị đo được ở khoảng cách 195 cm trong trường tự do …… 57 3.10 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 195 cm trong trường tự do 57 3.11 Các giá trị đo được ở khoảng cách 215 cm trong trường tự do …… 58 3.12 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 215 cm trong trường tự do 58 3.13 Các giá trị đo được ở khoảng cách 235 cm trong trường tự do …… 58 3.14 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 235 cm trong trường tự do 59 3.15 Các giá trị đo được ở khoảng cách 255 cm trong trường tự do …… 59 3.16 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 255 cm trong trường tự do 59 3.17 Các giá trị đo được ở khoảng cách 275 cm trong trường tự do …… 60 3.18 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 275 cm trong trường tự do 60 3.19 Các giá trị đo được ở khoảng cách 295 cm trong trường tự do …… 61 3.20 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 295 cm trong trường tự do 61 3.21 Các giá trị đo được ở khoảng cách 315 cm trong trường tự do …… 62 3.22 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 315 cm trong trường tự do 62 3.23 Các giá trị đo được ở khoảng cách 335 cm trong trường tự do …… 62 3.24 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 335 cm trong trường tự do 63

6

3.25 Các giá trị đo được ở khoảng cách 355 cm trong trường tự do …… 63 3.26 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 355 cm trong trường tự do 63 3.27 Các giá trị đo được ở khoảng cách 375 cm trong trường tự do …… 64 3.28 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 375 cm trong trường tự do 64 3.29 Các giá trị đo được ở khoảng cách 395 cm trong trường tự do …… 65 3.30 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 395 cm trong trường tự do 65 3.31 So sánh giá trị suất thông lượng trong trường tự do và bằng phương

3.32 So sánh giá trị suất tương đương liều trong trường tự do và bằng phương pháp tách phổ ……… …… 67 3.33 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 115 cm … 70 3.34 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 115 cm ……… 71 3.35 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 135 cm … 71 3.36 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 135 cm ……… 71 3.37 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 155 cm … 72 3.38 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 155 cm ……… 72 3.39 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 175 cm … 73 3.40 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 175 cm ……… 73 3.41 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 195 cm … 73 3.42 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 195 cm ……… 74 3.43 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 215 cm … 74 3.44 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 215 cm ……… 74 3.45 Hệ số chuẩn của Rem-Counter Aloka ……… 75 3.46 So sánh giá trị suất tương đương liều trong trường tổng bằng

phương pháp tách phổ và rem-counter Aloka ……… 76

7

MỞ ĐẦU

Ứng dụng của bức xạ ion hóa càng ngày càng tăng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

từ nghiên cứu khoa học cho đến y tế, công nghiệp, nông nghiệp và các nghành kinh

tế quốc dân khác Điều này dẫn đến nhu cầu và yêu cầu của việc đòi hỏi công tác kiểm soát, xác định các đại lượng liều lượng bức xạ ion hóa ngày càng phải tin cậy

từ nhiệt tới hàng trăm MeV Do đó việc xác định chính xác phụ thuộc vào hiểu biết

về phổ thông lượng nơtron để lựa chọn thiết bị đo phù hợp, các điều kiện chuẩn thích hợp và xác định các hệ số hiệu chỉnh tính đến sự sai lệch giữa trường chuẩn và trường bức xạ hoạt động Mặc dầu đã tồn tại một số các phương pháp như xoắn phổ liều hấp thụ theo hệ số phẩm chất hay sử dụng các đầu dò có hàm đáp ứng giống như hàm chuyển đổi, phổ kế nơtron vẫn được xem như là phương pháp chuẩn để đánh giá điều kiện an toàn bức xạ ở trường hoạt động Mỗi một lần phổ thông lượng được xác định

ta có thể xác định được các đại lượng thao tác nhờ việc áp dụng các hệ số chuyển đổi Phổ kế nơtron là một chủ đề rất lớn và phức tạp Lịch sử phát triển của nó tính từ khi Chadwick khám phá ra nơtron năm 1932 đến nay đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau với nhiều phương pháp khác nhau đã ra đời và được ứng dụng để đo phân bố thông lượng của nơtron Trước năm 1960 có thể kể đến các phương pháp phổ kế sau: nhũ tương hạt nhân, ống đếm tỷ lệ, buồng mây, ống đếm tỷ lệ 3He và chất nhấp nháy

6LiI (Eu) Năm 1960, một bước phát triển quan trọng trong kỹ thuật đo ra đời, khi Bramblett giới thiệu hệ phổ kế đa quả cầu còn được gọi là phổ kế cầu Bonner với một đầu dò nơtron nhiệt 6LiI(Eu) được đặt ở tâm của một quả cầu bằng vật liệu polyethylene với các đường kính khác nhau Dựa trên số đọc của phổ kế với các quả

8

cầu khác nhau và sử dụng phương pháp tách người ta có thể xác định được phổ của nơtron Từ những năm 80 của thế kỷ trước cùng với sự phát triển của kỹ thuật máy tính thì phương pháp này càng trở nên quan trọng cho việc xác định hàm đáp ứng của đầu dò và tách phổ nơtron, chủ yếu sử dụng các code của phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Kể từ năm 2013, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã chủ trì một dự án “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật đo liều nơtron”, trong đó có phát triển một phòng chuẩn nơtron với nguồn đồng vị phóng xạ 241Am-Be, đi kèm với hệ đo phổ kế cầu Bonner sử dụng đầu dò nơtron nhiệt 6LiI(Eu) Trên cơ sở phân tích và thực tiễn nêu trên, trong luận

văn này chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu: “Xác định tương đương liều bức xạ nơtron

bằng phổ kế cầu Bonner”

Luận văn trình bày việc khảo sát, đo đạc đánh giá, tính toán các hệ số hiệu chỉnh,

sử dụng code tách phổ để xác định phổ thông lượng nơtron trong trường tự do Từ đó xác định tương đương liều bức xạ thông qua hệ số chuyển đổi Luận văn cũng trình bày việc đo đạc, xác định phổ, tương đương liều nơtron trong trường tổng 241Am-Be

Cấu trúc của luận văn gồm:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về phổ kế nơtron và vai trò của phổ kế nơtron trong liều

lượng an toàn bức xạ

Chương 2: Kỹ thuật phổ kế cầu Bonner

Chương 3: Xác định phổ, tương đương liều trong trường bức xạ nơtron bằng kỹ

thuật phổ kế cầu Bonner

Kết luận

Tài liệu tham khảo

9

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ PHỔ KẾ NƠTRON VÀ VAI TRÒ CỦA PHỔ KẾ

NƠTRON TRONG LIỀU LƯỢNG AN TOÀN BỨC XẠ

1.1 Các thuật ngữ, định nghĩa và đại lượng cơ bản được sử dụng trong liều lượng nơtron

1.1.1 Các đại lượng vật lý đặc trưng cho liều lượng trường bức xạ

1.1.1.1 Thông lượng ɸ:

Thông lượng ɸ là tỷ số của dN trên da, trong đó dN là số hạt nơtron đến hình cầu

có tiết diện cắt là da:

ɸ = 𝑑𝑁

𝑑𝑎 (1.1) Đơn vị là: m-2, thường được sử dụng là: cm-2

1.1.1.2 Suất thông lượng :

Suất thông lượng  là tỷ số của 𝑑ɸ trên 𝑑𝑡, trong đó 𝑑ɸ là số gia của thông lượng nơtron trong khoảng thời gian 𝑑𝑡:

𝜑 = 𝑑ɸ

𝑑𝑡 =

𝑑2𝑁

𝑑𝑎 𝑑𝑡 (1.2) Đơn vị là: m-2.s-1

1.1.1.3 Phổ thông lượng nơtron (phân bố thông lượng theo năng lượng) ɸ E :

Phổ thông lượng nơtron ɸE là tỷ số của 𝑑ɸ trên 𝑑𝐸, trong đó 𝑑ɸ là số gia của thông lượng nơtron trong khoảng năng lượng 𝐸 và 𝐸 + 𝑑𝐸:

ɸ𝐸 = 𝑑ɸ

𝑑𝐸 (1.3) Đơn vị là: m-2.J-1, thường được sử dụng là: cm-2.eV-1

1.1.1.4 Phổ suất thông lượng nơtron E :

Phổ suất thông lượng nơtron E là tỷ số của 𝑑ɸ𝐸 trên 𝑑𝑡, trong đó 𝑑ɸ𝐸 là số gia của phổ thông lượng nơtron trong khoảng thời gian 𝑑𝑡:

𝐸= 𝑑ɸ𝐸

𝑑𝑡 =

𝑑2ɸ

𝑑𝐸 𝑑𝑡 (1.4) Đơn vị là: m-2.s-1.J-1, thường được sử dụng là: cm-2.s-1.eV-1

Năm 1991, ICRP đã đưa ra một hệ thống các khuyến cáo về giới hạn liều cho mục đích an toàn bức xạ Các khuyến cáo này đã được IAEA đưa vào trong bộ các tiêu chuẩn an toàn cơ bản (BSS)

Hệ thống giới hạn liều này dựa trên các đại lượng an toàn được định nghĩa trong

mô, tổ chức sống của cơ thể người Đây là các đại lượng không thể đo đạc được, chỉ

có thể được đánh giá thông qua các đại lượng thao tác cho kiểm soát môi trường và kiểm soát cá nhân Các đại lượng này có thể đo đạc được, có thể dẫn suất được theo các chuẩn đo lường bằng cách xác định trực tiếp từ các đại lượng vật lý và hệ số chuyển đổi Do đó chúng cung cấp một đánh giá hợp lý cho các đại lượng an toàn Bảng 1.1 dưới đây đưa ra tổng kết về các đại lượng thao tác cho bức xạ đâm xuyên yếu và đâm xuyên mạnh

Hình 1.1 minh họa mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất liều lượng của trường bức xạ chuẩn và các đại lượng thao tác được sử dụng cho mục đích chuẩn và kiểm tra kiểu Việc thiết lập các trường bức xạ chuẩn đã được ISO hướng dẫn trong các tài liệu đã xuất bản Dựa trên việc xác định các đại lượng vật lý đặc trưng cho trường bức xạ chuẩn bằng thiết bị chuẩn, ta có thể xác định được các đại lượng thao tác khi nhân với các hệ số chuyển đổi thích hợp

xuyên mạnh Liều hiệu dụng 𝐻∗(10) 𝐻𝑝(10)

Bức xạ đâm

xuyên yếu

Liều da 𝐻,(0.07, Ω) 𝐻𝑝(0.07) Liều thủy tinh thể

a) Tương đương liều 𝐻:

Tương đương liều 𝐻 tại một điểm trong mô được định nghĩa là tích của 𝑄 và 𝐷, trong đó 𝐷 là liều hấp thụ và 𝑄 là hệ số chất lượng của bức xạ ở điểm quan tâm:

𝐻 = 𝑄 𝐷 (1.7) Đơn vị là: J.kg-1 Tên đặc biệt là Sievert: Sv

Trường bức xạ chuẩn

Đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất liều lượng của trường

bức xạ chuẩn:

Thông lượng ɸ(𝐸, Ω) Kerma trong mô 𝐾𝑇; Kerma trong không khí 𝐾𝑎

Liều hấp thụ trong mô 𝐷𝑇; Liều hấp thụ trong không khí 𝐷𝑎

Đại lượng thao tác được sử dụng cho mục đích chuẩn:

Tương đương liều xung quanh 𝐻∗(d) Tương đương liều định hướng 𝐻′(𝑑, Ω) Tương đương liều cá nhân 𝐻𝑝(𝑑)

Hình 1.1 Mối quan hệ giữa trường bức xạ chuẩn với các đại lượng đo

12

b) Suất tương đương liều 𝐻̇:

Suất tương đương liều 𝐻̇ là tỷ số của 𝑑𝐻 trên 𝑑𝑡, trong đó 𝑑𝐻 là số gia của tương đương liều trong khoảng thời gian 𝑑𝑡 :

𝐻̇ = 𝑑𝐻

𝑑𝑡 (1.8) Đơn vị là: J.kg-1.s-1 Tên đặc biệt là: Sv.s-1

1.1.2.1 Kiểm soát môi trường:

Một định nghĩa quan trọng liên quan đến các đại lượng thao tác đó là khối cầu ICRU Khối cầu ICRU là khối cầu có đường kính 30 cm làm bằng vật liệu tương đương mô có tỷ trọng riêng bằng 1g/cm3 và thành phần khối lượng như sau: 76,2% ôxy, 11,1% carbon, 10,1% hydro, 2,6% nitơ

a) Tương đương liều xung quanh, 𝐻∗(d):

Tương đương liều xung quanh 𝐻∗(d) tại một điểm trong trường bức xạ là tương đương liều được sinh ra bởi một trường bức xạ mở rộng và định hướng trong khối cầu ICRU tại độ sâu d trên bán kính ngược hướng với hướng của trường xạ Khi nói đến tương đương liều xung quanh cần phải chỉ rõ độ sâu d (mm) Đối với bức xạ đâm xuyên mạnh, d = 10 mm Còn đối với bức xạ đâm xuyên yếu, d = 3 mm cho thủy tinh thể của mắt và d =0.07 mm cho da Trường bức xạ mở rộng và định hướng là trường bức xạ trong đó sự phân bố năng lượng, thông lượng là giống như ở điểm đo nhưng phân bố góc là đơn hướng Người ta giả thiết rằng giá trị của 𝐻∗(𝑑) được tính ở điểm

P là đại diện cho liều hiệu dụng Hình 1.2 minh họa định nghĩa 𝐻∗(𝑑) trong trường

bức xạ mở rộng và định hướng

Hình 1.2 Định nghĩa của 𝐻∗(𝑑) trong trường mở rộng và định hướng theo ICRU

13

b) Tương đương liều định hướng, 𝐻′(𝑑, Ω):

Tương đương liều định hướng 𝐻′(𝑑, Ω) tại một điểm trong trường bức xạ là tương đương liều được sinh ra bởi một trường bức xạ mở rộng trong khối cầu ICRU tại độ sâu d trên bán kính ở một hướng nhất định

Tương tự như trên d cũng có thể nhận các giá trị sau: 0,07; 3 và 10 mm

1.1.2.2 Kiểm soát cá nhân:

Tương đương liều cá nhân 𝐻𝑝(𝑑) là tương đương liều trong mô ở độ sâu d tại một điểm xác định trong cơ thể Khác với 𝐻∗(d), 𝐻𝑝(𝑑) được định nghĩa trong cơ thể người Đối với bức xạ đâm xuyên mạnh như photon và nơtron, d = 10 mm Còn đối với bức xạ đâm xuyên yếu, d = 3 mm cho thủy tinh thể của mắt và d =0,07 mm cho da Để tính toán hệ số chuyển đổi người ta phải sử dụng các phantom Phantom được khuyến cáo là phantom khối có kích thước 30 cm x 30 cm x 15 cm với vật liệu,

tỷ trọng và thành phần khối lượng như khối cầu ICRU Hệ số chuyển đổi cho 𝐻𝑝(𝑑) đối với bức xạ photon và nơtron có thể được tìm thấy trong các tài liệu đã phát hành như ICRU 57, ICRP 74 Vì định nghĩa của 𝐻𝑝(𝑑) phụ thuộc vào góc của bức xạ tới nên hệ số chuyển đổi cũng được xem như là hàm của cả năng lượng và góc của bức

14

1.1.3.2 Hệ số chuyển đổi:

Được định nghĩa như là tỷ số giữa đại lượng thao tác cần xác định với đại lượng vật lý đặc trưng cho trường bức xạ Trong phạm vi của luận văn này ta chỉ quan tâm đến hệ số chuyển đổi từ thông lượng sang tương đương liều áp dụng cho trường bức

xạ nơtron

ℎɸ = 𝐻

ɸ (1.11) Tương tự như hàm đáp ứng, hệ số chuyển đổi cũng phụ thuộc vào phân bố năng lượng và góc của bức xạ tới nên hệ số chuyển đổi còn được xem như là hàm của hai đại lượng kể trên ℎ(𝐸, Ω)

1.1.3.3 Cường độ nguồn nơtron 𝐵:

Cường độ nguồn nơtron 𝐵 tại một thời điểm là tỷ số của 𝑑𝑁∗ trên 𝑑𝑡, trong đó

𝑑𝑁∗ là số các nơtron được phát ra bởi nguồn trong khoảng thời gian 𝑑𝑡:

𝐵 =𝑑𝑁

∗

𝑑𝑡 (1.12) Đơn vị là: s-1

1.1.3.4 Phân bố góc của cường độ nguồn 𝐵Ω:

Phân bố góc của cường độ nguồn nơtron 𝐵Ω tại một thời điểm là tỷ số của 𝑑𝐵 trên 𝑑Ω, trong đó 𝑑𝐵 là số các nơtron phát ra trong một khoảng thời gian, được lan truyền theo một hướng nhất định trong góc khối 𝑑Ω:

𝐵Ω =𝑑𝐵

𝑑Ω (1.13) Đơn vị là: s-1.sr-1

1.1.3.5 Phổ của cường độ nguồn (phân bố cường độ nguồn theo năng lượng):

Phổ của cường độ nguồn 𝐵𝐸 là tỷ số của 𝑑𝐵 trên 𝑑𝐸, trong đó 𝑑𝐵 là số gia của cường độ nguồn trong khoảng năng lượng 𝐸 và 𝐸 + 𝑑𝐸:

𝐵𝐸 =𝑑𝐵

𝑑𝐸 (1.14) Đơn vị là: s-1.J-1, đơn vị thường dùng là: s-1.eV-1

1.1.3.6 Năng lượng nơtron trung bình thông lượng 𝐸̅:

1.1.3.7 Năng lượng nơtron trung bình tương đương liều 𝐸̅:

Là năng lượng nơtron được tính trung bình trên toàn bộ phổ tương đương liều:

𝐸̅ = 1

𝐻∫ 𝐸ℎɸ(𝐸)ɸ𝐸𝑑𝐸 (1.16)

∝ 0

Từ công thức (1.16) ta tính được tương đương liều theo công thức sau:

𝐻 = ∫ ℎɸ(𝐸)ɸ𝐸𝑑𝐸 (1.17)

∝ 0

1.2 Kỹ thuật phổ kế nơtron

1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Từ năm 1932, phổ kế nơtron có đóng góp rất nhiều vào sự phát triển của vật lý hạt nhân và trở thành một công cụ quan trọng trong một vài lĩnh vực khác như công nghệ hạt nhân, xạ trị và an toàn bức xạ Chúng ta có thể chia sự phát triển của phổ kế nơtron thành 03 giai đoạn kể từ năm 1932 đến nay, giai đoạn 1 từ 1932-1959, giai đoạn 2 từ 1960-1979 và giai đoạn 3 từ 1980 đến nay

- Giai đoạn 1: Phần lớn các phổ kế nơtron đang được sử dụng hiện nay hoạt động dựa trên các phương pháp được giới thiệu trong giai đoạn này Phổ kế giật lùi có thể kể đến: buồng ion hóa, ống đếm tỷ lệ, buồng mây, nhũ tương hạt nhân, chất nhấp nháy hữu cơ, telescope giật lùi Phổ kế dựa trên việc đo năng lượng của các hạt mang điện là kết quả của phản ứng hạt nhân với nơtron gồm: ống đếm tỷ lệ

3He, đầu dò nhấp nháy 6LiI(Eu) Phương pháp thời gian bay, đầu dò ngưỡng cũng phát triển trong giai đoạn này

- Giai đoạn 2: Trong giai đoạn này đáng kể nhất là việc giới thiệu phương pháp cầu Bonner và những tiến bộ có được với kỹ thuật phổ kế dựa trên đầu dò nhấp nháy, đầu dò ion hóa khí Một sự phát triển đi kèm là sự ra đời của phương pháp tách phổ nhằm xác định phổ nơtron từ các phép đo đa kênh hoặc đơn kênh Ngoài ra

có thể kể đến việc ứng dụng đầu dò bán dẫn vào phổ kế nơtron và việc giới thiệu đầu dò giọt quá nhiệt

16

- Giai đoạn 3: Giai đoạn này cũng mang đến những tiến bộ công nghệ đáng kể nhưng chủ yếu là những tác động đến từ công nghệ máy tính Phổ nơtron đạt được như là kết quả của một sự tính toán toàn diện: đầu tiên người ta xác định hàm đáp ứng của đầu dò bằng tính toán hoặc mô phỏng, sau đó sử dụng phương pháp tách

để nhận được phổ từ các số đọc của hệ phổ kế Quá trình tách phổ phải dựa trên

ma trận đáp ứng đã được xác lập, đó là tập hợp các hàm đáp ứng của đầu dò theo năng lượng và góc của nơtron đến Hiện nay, người ta đã phát triển nhiều code máy tính để thực hiện quá trình này

1.2.2 Phổ kế nơtron và các kỹ thuật chính trong phổ kế nơtron

Bức xạ nơtron giống như bức xạ gamma ở điểm: cả hai đều không là bức xạ ion hóa trực tiếp Năng lượng của chúng cần được truyền cho các hạt ion hóa trực tiếp, sau đó tiến hành đo năng lượng của các hạt này ta mới xác định được phổ bức xạ Tia gamma tương tác chủ yếu với các electron thông qua ba hiệu ứng, trong đó hiệu ứng quang điện đóng vai trò quan trọng trong phổ kế gamma, vì nó cung cấp một phương thức để truyền toàn bộ năng lượng của tia gamma cho một electron Năng lượng này sau đó được đo bằng một đầu dò nhấp nháy NaI hay một đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết Ge Ngược lại, nơtron tương tác với hạt nhân hơn là với các electron Nếu xảy

ra phản ứng hạt nhân sẽ sinh ra các hạt mang điện dẫn đến năng lượng nơtron được chia cho các hạt mang điện này Một quá trình phổ biến nữa để đo phổ nơtron là tán

xạ nơtron - proton (n-p), trong đó một nơtron truyền năng lượng cho một proton bởi tán xạ từ một hạt nhân hydro Do tán xạ có thể xảy ra ở một dải các góc nên phần năng lượng được truyền là rất biến đổi Để nhận được phổ nơtron ta cần phải thực hiện một bước tách phổ cao độ xung thu được, bước này là một yêu cầu khá phổ biến trong phổ kế nơtron, có thể xem giống như việc tách phổ gamma ra khỏi nền Compton

Có hai khía cạnh khác trong phổ kế gamma luôn khác trong phổ kế nơtron đó là: phổ gamma, ví dụ từ các nguồn đồng vị phóng xạ thường xuất hiện dưới dạng một hoặc một vài vạch đơn năng Mặc dầu các vạch này có thể xuất hiện trên một nền phông cao nhưng số đếm của đỉnh hấp thụ toàn phần vẫn có thể nhận được bằng cách

17

loại trừ phông, cường độ tia gamma nhận được thông qua việc chuẩn đầu dò với một nguồn đồng vị bức xạ có hoạt độ biết trước Phổ nơtron khác với phổ gamma, chúng không xuất hiện dưới dạng các vạch luôn bao gồm các dải phân bố năng lượng Khía cạnh thứ hai, phổ nơtron bao trùm trên một dải năng lượng rộng từ năng lượng nhiệt tới MeV, trong trường hợp phổ nơtron tia vũ trụ trong khí quyển có thể đến GeV Có một kỹ thuật quan trọng chỉ áp dụng với nơtron mà không áp dụng với gamma đó là

kỹ thuật thời gian bay, nơi vận tốc của nơtron được xác định bằng cách đo thời gian của nơtron di chuyển trên một quãng đường cho trước

Phổ kế nơtron là một chủ đề rất lớn, do giới hạn không cho phép nên trong khuôn khổ của luận văn này chúng ta chỉ xem xét các phổ kế được sử dụng hoặc có thể được

sử dụng cho mục đích xác định liều lượng phục vụ công tác an toàn bức xạ Mặc dầu

có rất nhiều kiểu thiết bị khác nhau được sử dụng cho phổ kế nơtron, tuy vậy ta có thể phân loại thành 04 nhóm dựa trên 04 kỹ thuật đo được liệt kê dưới đây:

- Phương pháp thời gian bay (TOF)

- Phương pháp dựa trên phản ứng hạt nhân như: 3He(n,p)T và 6Li(n,α)T

- Phương pháp dựa trên hạt nhân lùi chủ yếu là tán xạ nơtron-proton

- Sử dụng các đầu dò tích phân như phổ kế cầu Bonner

a) Phương pháp thời gian bay (TOF):

Kỹ thuật này đòi hỏi việc đo thời gian nơtron đi qua một quãng đường cho trước

có thể một vài mét cho đến hàng trăm mét Hai tín hiệu thời gian cần đo là: một khi nơtron được tạo ra hoặc khi nơtron rời một điểm đã quy định, hai khi nơtron đến điểm cho trước Độ rộng của xung nói chung trong khoảng nano giây

Tín hiệu bắt đầu có thể nhận được từ:

- Nguồn xung: thường từ một máy gia tốc với khả năng tạo chùm xung

- Đo bức xạ đi kèm với việc tạo ra nơtron

- Đo tán xạ nơtron trong một đầu dò

Tín hiệu nhận được nhờ bất kỳ đầu dò nơtron nhanh thích hợp nào như đầu dò nhấp nháy lỏng hay plastic, đầu dò thủy tinh lithium

TOF cũng có thể áp dụng cho nơtron chậm, bao gồm cả nơtron lạnh Ở các phòng

18

thí nghiệm đo lường, TOF được sử dụng để đặc trưng tính chất của trường chuẩn Trong trường hợp của trường nơtron đơn năng nhằm để xác định nguồn gốc các thành phần nhiễm bẩn như tán xạ bia

Một vài điểm đáng lưu ý đối với kỹ thuật TOF:

- Cần phải biết trước hàm đáp ứng của đầu dò nơtron

- Đầu dò nơtron nên mỏng so với quãng đường bay Yếu tố này cần quan tâm trong trường hợp quãng đường bay ngắn

- Hệ điện tử đo thời gian là phức tạp hơn hệ điện tử thông thường

- Chất lượng của phổ như độ phân giải phụ thuộc vào: độ rộng của xung, chiều dài của quãng đường bay, bề dày của đầu dò trong trường hợp quãng đường bay ngắn

- Bởi vì hiệu suất ghi nơtron giảm nhanh theo quãng đường bay nên trong một

số trường hợp cần thiết phải dung hòa giữa độ phân giải và hiệu suất

- TOF chỉ đo thành phần trực tiếp của phổ không bao gồm các thành phần tán xạ

b) Phương pháp dựa trên phản ứng hạt nhân:

Do bản chất của nơtron là hạt không mang điện, không ion hóa trực tiếp nên dẫn đến khó khăn cho việc đo nơtron Để vượt qua khó khăn này, một trong các phương pháp là sử dụng phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng gây bởi nơtron để tạo ra các hạt mang điện, các hạt này sẽ dễ dàng đo được hơn Các phổ kế sử dụng phương pháp này thường là các thiết bị có độ phân giải cao Hai phản ứng thường được sử dụng là:

- 3H(n,p)T với Q = 764 keV

- 6Li(n,α)T với Q = 4783 keV

Giá trị Q dương ngụ ý các hạt mang điện tạo ra được nhận một năng lượng, năng lượng này giúp chúng ta tách chúng khỏi các nhiễu và bức xạ gamma luôn đi kèm trong trường bức xạ nơtron Để sử dụng được các phản ứng này, chúng ta cần quan tâm đến hai vấn đề sau:

- 3H hoặc 6Li phải được hợp nhất vào trong đầu dò, có nhiều cách khác nhau để đạt được điều này, do đó chúng ta có thể có các kiểu đầu dò: đầu dò nhấp nháy 3He hoặc 6Li, ống đếm tỷ lê hay buồng ion hóa 3He, đầu dò bán dẫn kiểu sandwich 3He

19

hoặc 6Li

- Tất cả năng lượng của hạt mang điện phải đo được

• Đầu dò bán dẫn kiểu sandwich:

Trong thiết kế này, một lớp mỏng khí 3He hoặc vật liệu chứa 6Li được kẹp giữa hai đầu dò hạt mang điện thường là đầu dò bán dẫn Do lớp giữa này mỏng nên hai hạt mang điện được tạo ra do phản ứng với nơtron bay theo hai hướng ngược chiều đều bị bắt bởi hai đầu dò Toàn bộ năng lượng là được ghi nhận, phương pháp này không đòi hỏi việc tách phổ nhưng cần biết hiệu suất ghi của đầu dò

Vì hệ điện tử đi kèm khá phức tạp và hiệu suất không cao nên các thiết bị kiểu này thường chỉ phù hợp cho công việc phòng thí nghiệm Tuy vậy nó có một ứng dụng khá thích hợp cho an toàn bức xạ đó là xác định phổ cho các nguồn chuẩn như

241Am-Be, các đặc trưng của trường chuẩn 241Am-Be đã được sử dụng trong ISO8529-1 Hình 1.3 minh họa nguyên lý làm việc của đầu dò bán dẫn kiểu sandwich

• Đầu dò nhấp nháy:

Các đầu dò nhấp nháy dựa trên phản ứng 3He(n,p)T và 6Li(n,α)T là các thiết bị không thể thiếu được của phòng thí nghiệm liều lượng nơtron

• Ống đếm tỷ lệ hay buồng ion hóa sử dụng hạt nhân lùi:

Ống đếm tỷ lệ hay buồng ion hóa chứa khí 3He có ưu điểm trong việc dễ dàng tách phổ cao độ xung Tuy nhiên do sự phụ thuộc mạnh của tiết diện tương tác vào năng lượng, tỷ lệ nghịch với vận tốc 1 𝜗⁄ Điều này ngụ ý là ở vùng năng lượng nhiệt tiết diện tương tác cao hơn đáng kể so với một số vùng năng lượng cao hơn Do đó

dễ gây ra hiện tượng chồng chập xung Các thiết bị kiểu này thường được dùng ở các

Hình 1.3 Đầu dò bán dẫn kiểu sandwich

LiF SiC diode

SiC diode

20

phòng thí nghiệm nơtron có tán xạ thấp để xác định đặc trưng phổ của các nguồn đồng vị phóng xạ

c) Phương pháp hạt nhân lùi:

Phương pháp này được áp dụng phổ biến hơn trong phổ kể nơtron độ phân giải cao so với các phương pháp đề cập ở trên Nơtron bị tán xạ trên các hạt nhân nhẹ như đồng vị hydro, heli Nơtron truyền năng lượng cho các hạt nhân lùi, các năng lượng

sẽ được ghi nhận trong các ống đếm tỷ lệ, chất nhấp nháy, đầu dò bán dẫn hay telescope Năng lượng của hạt nhân lùi nhận rất biến đổi phụ thuộc vào góc tán xạ Đối với tán xạ n-p, năng lượng proton giật lùi nhận được biến đổi từ 0 tới năng lượng nơtron đến Do đó, chúng ta thường nhận được một phổ cao độ xung rộng, thậm chí

kể cả khi bắn phá bằng một chùm nơtron đơn năng

• Telescope proton giật lùi:

Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý tán xạ n-p, sự phụ thuộc của năng lượng proton giật lùi vào góc tán xạ bị giới hạn nhờ một lớp mỏng vật liệu chứa hydro Phổ cao độ xung đo được cho ta phép đo trực tiếp phổ nơtron Tuy vậy hệ điện tử đi kèm

là phức tạp, đòi hỏi phải có sự trùng phùng do đó dẫn đến hiệu suất rất thấp Telescope proton giật lùi không được ứng dụng trong các phép đo an toàn bức xạ nhưng được ứng dụng trong các phép đo xác định đặc trưng của trường bức xạ nơtron

• Ống đếm tỷ lệ hạt nhân lùi:

Ống đếm tỷ lệ hạt nhân lùi thường là hình trụ hoặc hình cầu Hình cầu được lựa

Hình 1.4 Telescope proton giật lùi

• Đầu dò chất nhấp nháy:

Chất nhấp nháy được sử dụng phổ biến nhất cho phổ kế nơtron là NE213, tên thương mại giờ được đổi là BC501A Mật độ của chất tán xạ càng lớn thì hiệu suất càng cao, độ hao năng lượng càng lớn thì dải năng lượng đo được càng rộng Sự xuất hiện của các nguyên tố khác hydro như cacbon trong chất nhấp nháy làm cho phổ cao

độ xung đo được và việc xác định hàm đáp ứng thêm phức tạp Do bản thân chất nhấp nháy cũng nhậy với bức xạ gamma nên đòi hỏi phải có sự tách thành phần này khỏi phổ cao độ xung đo được Hình 1.5 minh họa đầu dò chất nhấp nháy hữu cơ NE213

d) Đầu dò tích phân:

Có một vài hệ thống khác nhau dựa trên đầu dò tích phân được sử dụng cho phổ

kế nơtron Phổ biến nhất là hệ phổ kế cầu Bonner, ngoài ra còn có đầu dò ngưỡng, lá

dò kích hoạt, buồng bọt … Tất cả đều phụ thuộc vào hàm đáp ứng riêng của mỗi một đầu dò trong bộ đầu dò Hình 1.6 chỉ ra hàm đáp ứng của tổ hợp ống đếm 3He với chín quả cầu có kích thước khác nhau

Bức xạ n, 

Chất nhấp nháy NE213 Ống dẫn sáng

Ống nhân quang Đèn LED

Hình 1.5 Đầu dò chất nhấp nháy hữu cơ NE213

- 𝑟𝑖: là hàm đáp ứng của đầu dò thứ i

- ɸ(𝐸): thông lượng của nơtron theo năng lượng E

Với việc xác định hàm đáp ứng từ trước của mỗi một cấu hình ta thu được một bộ các giá trị của 𝑀𝑖, bằng kỹ thuật tách phổ ta thu được thông tin về phổ thông lượng của trường bức xạ nơtron ɸ(𝐸)

Phương trình 1.18 có thể được xấp xỉ bằng phương trình 1.19:

𝑀𝑖 = ∑ 𝑟𝑖𝑗ɸ𝑗 (1.19)

𝑛

𝑗 =1Với:

- ɸ𝑗: là thông lượng được lấy trung bình trên khoảng năng lượng từ 𝐸𝑗 tới 𝐸𝑗+1

- 𝑟𝑖𝑗: là hàm đáp ứng của cấu hình thứ 𝑖 được lấy trung bình trên khoảng năng lượng từ 𝐸𝑗 tới 𝐸𝑗+1

- 𝑛: là số khoảng năng lượng được chia để đạt được độ phân giải yêu cầu cho việc xác định thông tin về phổ

- 𝑖: cấu hình thứ 𝑖 trong bộ 𝑚 cấu hình của hệ đo

Hình 1.6 Hàm đáp ứng của ống đếm 3 He với chín quả cầu có kích thước khác nhau

Năng lượng (eV)

23

Trở ngại lớn nhất của phương pháp này là chỉ có một vài bộ đầu dò tích phân có một số lớn các đầu dò sở hữu các hàm đáp ứng khá khác nhau Như vậy không thể tránh khỏi số 𝑚 là nhỏ hơn rất nhiều số 𝑛 Điều này ngụ ý rằng về mặt toán học là không thể giải quyết được Một vài kỹ thuật tách phổ khác nhau đã được nghiên cứu, phát triển và so sánh với nhau trong một khoảng thời gian dài

1.2.3 Vai trò của phổ kế nơtron trong liều lượng an toàn bức xạ

Việc ghi nhận và đo đạc nơtron có thế được xem là phần việc khó khăn và phức tạp nhất trong đo lường bức xạ ion hóa Vì những nguyên nhân kể sau:

a) Nơtron là hạt không mang điện, nên không thể đo được trực tiếp phải thông qua các hạt mang điện thứ cấp là sản phẩm tương tác của nó với vật chất

b) Tiết diện tương tác của nơtron phụ thuộc lớn vào năng lượng của hạt Trong khi

đó, trường bức xạ nơtron thực tế xuất hiện trong một dải rộng các ứng dụng: từ lò phản ứng hạt nhân, cất giữ năng lượng hạt nhân, đến trong tia X năng lượng cao

và chùm xạ trị proton Mỗi một ứng dụng khác nhau có một phổ năng lương bức

xạ nơtron khác nhau và sự khác nhau này là tương đối lớn: Nơtron được tạo ra từ

lò phản ứng hạt nhân có năng lượng từ vài eV tới năng lượng cực đại xấp xỉ 17 MeV Nơtron được tạo ra từ các máy gia tốc ở các cơ sở xạ trị có năng lượng cực đại cỡ năng lượng cực đại của máy gia tốc 25 MeV Nơtron được tao ra bởi máy gia tốc proton năng lượng cao là có dải năng lượng lớn nhất từ 80 MeV đến 250 MeV

c) Trường bức xạ nơtron luôn đi kèm với bức xạ gamma, gây khó khăn cho việc đo đạc chính xác liều lượng nơtron

Điều này dẫn đến một thách thức, khó khăn cho việc chế tạo một thiết bị đo có hiệu suất ghi lớn và đáp ứng được trên một dải năng lượng rộng Hình 1.7 và 1.8 thể hiện sự phụ thuộc của hàm chuyển đổi theo năng lượng cho bức xạ gamma và nơtron Các nhà thiết kế đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để thay đổi hàm đáp ứng của thiết bị, ví dụ như sử dụng boron hay cadmium để giảm đáp ứng ở vùng năng lượng thấp do sự tăng việc hấp thụ nơtron nhiệt, sử dụng các kim loại nặng như chì

để tăng đáp ứng ở vùng năng lượng cao do việc tăng các nơtron năng lượng thấp đến

24

đầu do thông qua các phản ứng tán xạ đàn hồi (n, xn) trên kim loại nặng Rất nhiều các thiết bị đo liều cá nhân như TLD, liều kế albedo có đáp ứng tương đương liều biến đổi đáng kể theo năng lượng nơtron Một khía cạnh khác nữa cũng hết sức quan trọng đó là việc chuẩn thiết bị đo Thiết bị phải đáp ứng trên một dải năng lượng rộng,

đủ để bao phủ toàn bộ và phản ánh chính xác dải năng lượng của phổ nơtron ở nơi làm việc Nếu một thiết bị đo được chuẩn ở một trường nơtron khác với trường nơtron

ở nơi làm việc sẽ dẫn đến sự đánh giá không chính xác giá trị tương đương liều Điểm bất hợp lý ở chỗ, trong khi các thiết bị đo này phần lớn được sử dụng trong các trường bức xạ nơtron với năng lượng trải dài từ nhiệt đến vài MeV nhưng các trường chuẩn chủ yếu được tạo ra từ các nguồn đồng vị phóng xạ như 241Am-Be, 252Cf, điều này dẫn đến sự khác biệt về phổ bức xạ

Hình 1.7 Sự phụ thuộc năng lượng của hệ số chuyển đổi từ Kerma sang

tương đương liều xung quanh đối với bức xạ gamma và tia X (ICRP, 1996)

Hình 1.8 Sự phụ thuộc năng lượng của hệ số chuyển đổi từ thông lượng

sang tương đương liều xung quanh đối với bức xạ nơtron (ICRP, 1996)

Năng lượng photon (MeV)

Năng lượng nơtron (MeV)

25

Tuy vậy, hiện nay chỉ có một vài phòng chuẩn ở Châu Âu được trang bị các thiết

bị với trường bức xạ nơtron đáp ứng được tiêu chuẩn của ISO nhưng cũng chỉ mới ở mức năng lượng < 20 MeV, tức là chưa đáp ứng được trường bức xạ ở các máy gia tốc năng lượng cao

Kỹ thuật phổ kế nơtron là phương pháp xác định được đại lượng vật lý đặc trưng cho trường bức xạ Điều này là hết sức có ý nghĩa và cần thiết trong việc xác định các đại lượng, hệ số có tính chất phụ thuộc vào năng lượng nơtron, có thể kể đến như: hệ

số chất lượng, các đại lượng an toàn bức xạ Đây là các đại lượng không thể đo đạc được trong thực tế mà chỉ tính toán được vì nó được định nghĩa cho các tổ chức và

mô trong cơ thể con người Năm 1985, trong báo cáo ICRU 39 của mình Ủy ban quốc tế về đo lường và các đại lượng bức xạ đã đưa ra khái niệm về các đại lượng hoạt động cho cả kiểm soát cá nhân và môi trường Các đại lượng này có thể đo đạc được, có thể dẫn suất được theo các chuẩn đo lường bằng cách xác định trực tiếp từ các đại lượng vật lý và hệ số chuyển đổi Do đó chúng cung cấp một đánh giá hợp lý cho các đại lượng an toàn

Vì những lý do kể trên nên yêu cầu để biết về phân bố thông lượng của trường bức

xạ nơtron là hết sức quan trọng Điều này chỉ có thể đạt được bằng kỹ thuật phổ kế nơtron

Năng lượng nơtron (MeV)

Năng lượng nơtron (MeV)

Năng lượng nơtron (MeV)

Đáp ứng khuyến cáo của

ICRP21

Năng lượng nơtron (MeV)

Hình 1.9 Sự không đồng nhất giữa hàm đáp ứng và hệ số chuyển đổi

26

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT PHỔ KẾ CẦU BONNER

Kể từ khi Chadwick khám phá ra nơtron năm 1932 đã có nhiều phương pháp khác nhau được ứng dụng để đo phân bố thông lượng của nơtron Trước năm 1960 có thể

kể đến các phương pháp phổ kế sau: nhũ tương hạt nhân, ống đếm tỷ lệ, buồng mây, ống đếm tỷ lệ 3He và chất nhấp nháy 6LiI (Eu)

Năm 1960, một bước phát triển quan trọng trong kỹ thuật đo ra đời, khi Bramblett giới thiệu hệ phổ kế đa quả cầu còn được gọi là phổ kế cầu Bonner với một đầu dò nơtron nhiệt 6LiI(Eu) được đặt ở tâm của một quả cầu bằng vật liệu polyethylene với các đường kính khác nhau Dựa trên số đọc của phổ kế với các quả cầu khác nhau và

sử dụng phương pháp tách người ta có thể xác định được phổ của nơtron Từ những năm 80 của thế kỷ trước cùng với sự phát triển của kỹ thuật máy tính thì phương pháp này càng trở nên quan trọng cho việc xác định hàm đáp ứng của đầu dò và tách phổ nơtron, chủ yếu sử dụng code của phương pháp Monte Carlo

a) Các ưu điểm của phổ kế cầu Bonner:

- Dải năng lượng rộng: từ năng lượng nơtron nhiệt đến năng lượng MeV

- Có thể sử dụng được đa dạng các đầu dò nơtron nhiệt ở tâm của qua cầu: đầu

dò chủ động, đầu dò thụ động với độ nhậy với nơtron/photon khác nhau

- Thao tác dễ dàng

b) Các nhược điểm của phổ kế cầu Bonner:

- Nặng nề: đặc biệt khi sử dụng các quả cầu có chứa chì

- Thời gian chiếu xạ dài do phải chiếu liên tiếp nhiều quả cầu

- Đòi hỏi sự đồng đều của trường bức xạ khi chiếu xạ các quả cầu (để xác định

27

hàm đáp ứng)

- Độ phân giải năng lượng thấp

- Phương pháp tách phổ phức tạp đòi hỏi các chuyên gia nhiều kinh nghiệm

- Khó khăn trong việc đánh giá độ không đảm bảo đo

2.1 Phương pháp làm chậm và ghi nhận nơtron

Có rất nhiều đầu dò nơtron có độ nhậy cao với nơtron nhiệt nhưng độ nhậy rất thấp với nơtron có năng lượng cao hơn vì nói chung tiết diện tương tác của nơtron tỷ

lệ nghịch với vận tốc Do đó khi đo nơtron nhanh người ta không sử dụng trực tiếp các đầu dò kể trên vì hiệu suất ghi không cao, người ta phải làm chậm nơtron đến năng lượng mà ở đó có hiệu suất ghi cao Một cấu hình đo ra đời đó là sự kết hợp giữa: đầu dò nơtron nhiệt và chất làm chậm Để làm chậm nơtron, người ta hay sử dụng phản ứng tán xạ đàn hồi trên các hạt nhân nhẹ như hydro, do đó các vật liệu chứa nhiều hydro như polyethylenen và parrafin là các chất làm chậm phổ biến Đối với phổ kế cầu Bonner với các quả cầu làm bằng vật liệu polyethylenen, khi nơtron đến sẽ tương tác với cacbon và hydron trong chất làm chậm bao xung quanh đầu dò nơtron nhiệt chủ yếu thông qua:

- phản ứng tán xạ đàn hồi: H(n,n)H, C(n,n)C ở năng lượng thấp hơn 4 MeV

- ở các năng lượng cao hơn các phản ứng sau đóng vai trò quan trọng: C(n,n ’ 3) với ngưỡng phản ứng xấp xỉ 5 MeV, C(n, ) với ngưỡng phản ứng xấp xỉ 7 MeV, C(n,n ’ 3) với ngưỡng phản ứng xấp xỉ 8 MeV, C(n,p) với ngưỡng phản ứng xấp xỉ

15 MeV, C(n,d) với ngưỡng phản ứng xấp xỉ 15,5 MeV, C(n,n ’ p) với ngưỡng phản

ứng xấp xỉ 18 MeV Hình 2.1 và 2.2 thể hiện sự phụ thuộc tiết diện tương tác của nơtron với cacbon và hydro theo năng lượng

Khi nơtron bị mất năng lượng và bị nhiệt hóa khi tương tác với chất làm chậm chúng có thể trải qua 03 quá trình a, b, c như được minh họa ở hình 2.3:

a) Thoát ra khỏi chất làm chậm

b) Bị bắt ở đầu dò nơtron nhiệt thông qua phản ứng hấp thụ năng lượng nơtron nhiệt c) Bị hấp thụ trong chất làm chậm nhưng không đến được đầu dò nơtron nhiệt ở tâm của quả cầu

28

Đối với mỗi quả cầu nhất định có một giá trị năng lượng Emax mà ở đó xác suất nơtron bị bắt ở đầu dò là đạt giá trị cực đại Điều này tương ứng với điều kiện nhiệt hóa là tốt nhất Đối với các nơtron có năng lượng nhỏ hơn Emax có xu hướng xảy ra quá trình (c), đối với nơtron có năng lượng cao hơn có xu hướng xảy ra quá trình (a) Giá trị Emax chỉ phụ thuộc vào kích thước quả cầu hay nói cách khác là khối lượng của quả cầu

Hình 2.1 Tiết diện tương tác của nơtron với hydro

Hình 2.2 Tiết diện tương tác của nơtron với cacbon

29

Bảng 2.1 chỉ ra các phản ứng có thể và tiết diện tương tác tương ứng của nơtron với các nguyên tố Hydro, Carbon theo năng lượng

Bảng 2.1 Các phản ứng có thể của nơtron với nguyên tố H, C theo năng lượng

Dải năng lượng nơtron

2.2 Số lượng các quả cầu và hàm đáp ứng

Dữ liệu cầu Bonner không cung cấp trực tiếp cho chúng ta thông tin về phân bố phổ của chùm bức xạ nơtron Mỗi một tổ hợp của đầu dò và chất làm chậm chỉ cung

Hình 2.3 Các quá trình có thể của nơtron khi tương tác với cầu Bonner

Đầu dò

6 LiI(Eu)

n

30

cấp một đáp ứng đối với một phổ năng lượng nơtron Để xác định được thông tin về phổ của chùm bức xạ nơtron, người ta phải sử dụng một bộ các quả cầu có kích thước khác nhau Hình 2.4 chỉ ra hàm đáp ứng của cầu Bonner theo kích thước quả cầu Hàm đáp ứng của đầu dò nơtron nhiệt trong một quả cầu nhất định được định nghĩa là: số đếm của đầu dò trên một đơn vị thông lượng Hàm đáp ứng này chỉ phụ thuộc vào năng lượng bức xạ của nơtron đến

Hàm đáp ứng của quả cầu chỉ ra một đỉnh Emax, mà ở năng lượng đó hiệu suất ghi của hệ đo là tốt nhất Chúng tương ứng với các nơtron mang năng lượng đó thì được nhiệt hóa tốt nhất trong quả cầu Các nơtron mang năng lượng thấp hơn thì bị hấp thụ trong quả cầu và phát ra bức xạ gamma với năng lượng 2,2 MeV Trong khi các nơtron năng lượng cao hơn Emax sẽ thoát ra khỏi quả cầu Đỉnh năng lượng này phụ thuộc vào kích thước của quả cầu, nói chung chúng sẽ tăng theo sự tăng kích thước của quả cầu

Một câu hỏi được đặt ra khi xác định phổ nơtron bằng phổ kế cầu Bonner là: bao nhiêu quả cầu và đường kính là bao nhiêu cho phù hợp? Về nguyên tắc: càng nhiều

Hình 2.4 Hàm đáp ứng của cầu Bonner theo các kích thước khác nhau

Năng lượng (MeV)

31

càng tốt nhưng với điều kiện các quả cầu khác nhau với các đường kính khác nhau phải cung cấp các hàm đáp ứng có sự khác biệt nhau đáng kể Hình 2.4 chỉ ra sự tương tự về hình dạng và sự trùng lặp nên nhau đáng kể giữa các hàm đáp ứng của các quả cầu có đường kính lớn hơn 6 inch Bên cạnh đó khi tăng kích thước quả cầu

sẽ làm giảm hiệu suất ghi của hệ đo không những chỉ nơtron ở vùng năng lượng thấp

mà còn cả nơtron ở vùng năng lượng cao

Hình 2.5 chỉ ra sự biến đổi số đọc của cầu Bonner theo kích thước cho ba trường bức xạ nơtron khác nhau Đối với đường cong (a) chỉ sử dụng 06 quả cầu khác nhau

và rõ ràng chúng cần thiết cho việc xác định hàm đáp ứng Đối với trường hợp (b), các quả cầu 4; 4,5; 5 inch có đường kính rất gần nhau nhưng là cần thiết để định nghĩa đỉnh của hàm đáp ứng, trong khi đó các quả cầu 3, 5, 7 inch là không cần thiết Trường hợp (c), tất cả bốn quả cầu có đường kính từ 4÷7 inch là quan trọng, 3, 8, 10 là không quá quan trọng, 15 và 18 rất quan trọng để chỉ ra sự đóng góp từ nơtron năng lượng cao Đường kính của các quả cầu polyethylene thường trải dài cho đến 12 inch để bao trùm một dải năng lượng từ nơtron nhiệt cho đến nơtron mang năng lượng 20-30 MeV Dưới đây liệt kê bộ các quả cầu với đường kính tương ứng được sử dụng ở các Phòng thí nghiệm trên thế giới:

Hình 2.5 Sự biến đổi số đọc cầu Bonner theo các kích thước khác nhau

32

- PTB (Đức) thiết lập 14 cấu hình: Bare, Bare+Cd, 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 6; 7; 8; 10; 12;

15 và 18 inch

- NPL (UK) thiết lập 11 cấu hình: Bare, 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 5; 6; 8; 10; 12 inch

- IRSN (Pháp) thiết lập 13 cấu hình: 0; 2,5; 3; 3,5; 4,2; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11 và 12 inch Xuất phát từ nhu cầu cần thiết về thông tin phổ nơtron ở năng lượng cao: máy gia tốc hạt, bức xạ vũ trụ Một vài phòng thí nghiệm đã đưa vào thêm một số quả cầu mới với các vỏ kim loại bên trong để mở rộng dải năng lượng đến GeV như hình 2.6

Hàm đáp ứng của phổ kế cầu Bonner có thể được thiết lập trên một dải năng lượng

rộng nhờ vào hai phương pháp chính kể sau:

- Làm khớp dữ liệu thực nghiệm theo thể hiện đại số: thực nghiệm chuẩn trong các trường nơtron đơn năng

- Tính toán số các hàm đáp ứng: tính toán vận chuyển nơtron

Phương pháp thứ nhất bị giới hạn bởi các yếu tố:

- Chỉ tồn tại một số tương đối nhỏ các trường chuẩn bức xạ nơtron đơn năng

- Các trường chuẩn bức xạ nơtron có dải năng lượng bị giới hạn chưa đáp ứng được hết trường bức xạ thực tế

- Hiệu ứng tán xạ xuất hiện trong các trường chuẩn bức xạ nơtron: tán xạ phòng và tán xạ trong không khí

Để xác định hàm đáp ứng giữa hai điểm thực nghiệm, người ta thường áp dụng phương pháp: mô phỏng hệ thống, tính toán hàm đáp ứng và điều chỉnh kết quả với các điểm chuẩn thực nghiệm Việc tính toán hàm đáp ứng được thực hiện thông qua việc kiểm tra tất cả các tương tác có thể của nơtron với hệ phổ kế Một cách có thể đạt được điều này là dò theo quãng chạy của từng hạt khi vào hệ thống bằng cách áp dụng các quy luật tương tác của nơtron Cách tiếp cận này được sử dụng trong phương pháp Monte Carlo Đây là một phương pháp thống kế với việc dò theo một số lớn lịch

sử hạt để đạt được một kết quả có ý nghĩa thống kê, nó có ưu điểm có thể giải quyết được bài toán hình học ba chiều nhưng đòi hỏi một lượng thời gian tương đối lớn Một phương pháp thứ hai tương tự với phương pháp được sử dụng trong động học chất khí Người ta cân nhắc đến cư xử trung bình của hạt, xem dân số nơtron như một thực thể thống kế Cân bằng nơtron được thể hiện bởi phương trình vận chuyển hạt (phương trình Boltzmann), sự tạo thành và mất của nơtron theo thuật ngữ xác suất Phương pháp tọa độ rời rạc thường được sử dụng để giải phương trình vận chuyển nơtron, một số lớn các code máy tính là được dựa trên phương pháp này

Đáp ứng của hệ phổ kế với năng lượng nơtron đến 𝐸𝑛 được định nghĩa theo phương trình sau:

ɸ(𝐸𝑛) (2.1)

34

Để mô phỏng đáp ứng của hệ phổ kế trên máy tính, người ta giả thiết số các phản ứng 6Li(n,α)3H trong thể tích nhậy của đầu dò tỷ lệ với số đọc 𝑀 Do đó trong tất cả các tính toán, hàm đáp ứng được định nghĩa như là số phản ứng 6Li(n, α)3H xảy ra trên một nơtron được phát ra từ nguồn Hàm đáp ứng là một hàm phụ thuộc vào cả năng lượng và góc đến của bức xạ nơtron, do đó tập hợp các hàm đáp ứng theo năng lượng và góc được gọi là ma trận đáp ứng Đối với phổ kế cầu Bonner do sử dụng các vật liệu làm chậm có dạng khối cầu nên ma trận đáp ứng chỉ phụ thuộc theo năng lượng Hình 2.7 chỉ ra ma trận đáp ứng của phổ kế cầu Bonner

Trong khuôn khổ của luận văn này, tác giả sử dụng ma trận đáp ứng UTA4 cho phổ kế cầu Bonner với đầu dò 6LiI được phát triển bởi Hertel và Davidson, 1985 Ma trận đáp ứng này đã được tích hợp sẵn trong phần mềm tách phổ NSDUAZ6LiI.

2.3 Lựa chọn đầu dò nơtron nhiệt cho phổ kế cầu Bonner

Phổ kế cầu Bonner về nguyên thủy được thiết kế với đầu dò 6LiI(Eu), tuy nhiên ngày nay nó được sử dụng với một vài đầu dò nơtron nhiệt với 02 kiểu: chủ động và thụ động, việc lựa chọn kiểu đầu dò chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố đặc trưng cho trường bức xạ nơtron cần xác định:

- Cường độ của trường

- Cấu trúc thời gian của trường: dạng xung hay liên tục

Hình 2.7 Ma trận đáp ứng của phổ kế cầu Bonner

35

- Sự có mặt của trường điện từ

- Nhiễm bẩn photon: phần trăm đóng góp của bức xạ photon

a) Đầu dò chủ động:

Đầu dò chủ động là đầu dò luôn phải đi kèm với hệ điện tử, thường được sử dụng

ở những trường bức xạ có cường độ thấp vì nó có độ nhậy cao Tuy nhiên nó không thích hợp cho việc sử dụng trong trường xung (máy phát nơtron) hay nơi có mặt của trường điện từ (nhà máy điện) vì có thể làm nhiễu kết quả đo đạc Ngoài ra nó cũng không được sử dụng nơi có phông bức xạ gamma cao Các nơtron nhiệt được đo thông qua các hạt mang điện là sản phẩm tương tác của nó với đầu dò:

HN bia + nơtron → (hạt nhân lùi, hạt  hay proton, mảnh phân hạch)

Với các phản ứng tỏa nhiệt có Q>0 thì năng lượng này được chia cho 02 sản phẩm của phản ứng là: hạt  hoặc p và hạt nhân lui Có 03 phản ứng được sử dụng phổ biến là:

p H He n

Li

Li B

n

3 6

3 3

7

* 7 10

Các đầu dò chủ động sau đây thường được sử dụng:

- Ống đếm tỷ lệ chứa khí 3He: được phát triển vào những năm 80 của thế kỷ trước, tạo ra một đầu dò nhỏ, nhậy với nơtron nhiệt nhưng kém nhậy với bức xạ gamma,

độ nhậy với nơtron của đầu dò này gấp hai lần độ nhậy với nơtron của đầu dò nhấp nháy 6LiI (Eu)

- Đầu dò nhấp nháy 6LiI(Eu):

Q: 2,310 MeV Q: 2,792 MeV Q: 0,764 MeV Q: 4,78 MeV

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo của đầu dò 6 LiI(Eu)

Tinh thể chất nhấp nháy 6LiI(Eu), kích thước 4 mm x 4mm

ống dẫn sáng ống nhân quang