Kết quả bước đầu trong nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị đo liều nơtron sử dụng đầu dò cấu trúc PRESCILA

KẾT QUẢ BƢỚC ĐẦU TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO LIỀU NƠTRON SỬ DỤNG ĐẦU DÒ CẤU TRÚC PRESCILA LƢƠNG THỊ HỒNG, NGUYỄN TIẾN PHONG, NGUYỄN ĐỨC HUYỀN, PHẠM THỊ BÍCH Trung tâm Đánh giá khơng phá hủy, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam 140 Nguyễn Tuân –Thanh Xuân – Hà Nội Email: Lahong@gmail.com NGUYỄN ĐỨC TUẤN Viện Khoa học Kỹ thuật hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam Hoàng Quốc Việt –Cầu Giấy – Hà Nội Tóm tắt: Kỹ thuật đo định liều nơtron sử dụng cấu trúc đầu dò PRESCILA đƣợc nghiên cứu đề xuất phịng thí nghiệm Los Alamos (Hoa Kỳ) cho thấy khả đáp ứng thiết bị đo liều nơtron đáp ứng đƣợc đo dải lƣợng rộng từ nhiệt đến 100 MeV phụ thuộc vào lƣợng Cấu trúc đầu dò kết hợp Tinh thể nhấp nháy ZnS(Ag) đo nơtron nhanh ZnS(Ag) liên kết 6LiF huỳnh quang đo nơtron nhiệt, cấu trúc đầu dò nhƣ đáp ứng khả ghi nhận lƣợng cao nhƣng lại có khối lƣợng thể tích nhỏ, khả loại trừ can nhiễu gamma gây lên tới mSv/h Trên sở đặc điểm trội đầu dị Prescila nhóm thực tìm hiểu, nghiên cứu cấu trúc đầu dị prescila, đồng thời thiết kế chế tạo khối điện tử thu nhận, xử lý tín hiệu đầu dị khối điện tử chức số chức đáp ứng thiết bị Sử dụng phƣơng pháp tính tóan ghi đo xạ nơtron, phƣơng pháp chuẩn liều sử dụng nguồn biết trƣớc thông số (Am241 – Be9) xây dựng đƣờng chuẩn cho thiết bị phòng thí nghiệm chuẩn thiết bị phịng chuẩn cấp II Bƣớc đầu nhóm nghiên cứu chế tạo đƣợc thiết bị đo liều nơtron hồn thiện có sẵn chức ứng dụng tích hợp là: đo suất liều nơtron liều tích lũy với độ nhạy, độ xác cao, đáp ứng lƣợng dải rộng (dải nơtron nhiệt đến dải nơtron lƣợng cao) có cấu trúc dƣới dạng xách tay nhỏ gọn Bài báo trình bày tóm tắt kết ban đầu việc nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị đo liều nơtron sử dụng đầu dò cấu trúc Prescila khuôn khổ thực đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm thiết bị đo liều nơtron nhằm kiểm soát liều lƣợng xạ nơtron sử dụng cơng nghiệp ” Từ khóa: Thiết bị đo liều nơtron, đầu dị cấu trúc Prescila, An tồn xạ MỞ ĐẦU Trong năm gần việc định liều xạ đƣợc đẩy mạnh nhằm hỗ trợ cho quản lý nhà nƣớc đảm bảo sức khỏe ngƣời q trình vận hành nguồn phóng xạ Với nguồn phóng xạ phát nơtron thiết bị đo liều sử dụng thiết bị nƣớc chủ yếu sử dụng thiết bị “rem metter” kiểu có khối làm chậm, khối lƣợng kích thƣớc lớn Việc nghiên cứu chế tạo thiết bị đo nơtron nƣớc chủ yếu hệ đo lƣờng, điều khiển, định liều phƣơng thức đo thụ động (liều kế nơtron) Năm 1960 Bramblett cộng thiết kế hệ thiết bị Rem meter sử dụng tinh thể nhấp nháy6LiI(Eu) với khối cầu Polyethilene bao xung quanh 12in (304mm) dùng để xác định liều tƣơng đƣơng với lƣợng giới hạn dải đo lƣợng nơtron hẹp Braun (1963), Leake (1966) Hankins (1967) sử dụng đầu dò BF3 3He để đo nơtron nhiệt Trong cấu hình kỹ thuật sử dụng khối làm chậm nhằm tăng cƣờng độ nhạy cho vùng nơtron nhanh, khối lƣợng thể tích thƣờng lớn, dải lƣợng đáp ứng hẹp Đây nguyên nhân chủ yếu dẫn đến thiết bị dạng “Rem metter’’thƣờng đắt phổ biến ngồi trƣờng đặc biệt ứng dụng đo lƣợng cao Năm 1990 Birattari cộng thêm kim loại nặng (Pb) sử dụng hiệu ứng (n,2n) để tăng cƣờng khả ghi nhận với dải lƣợng lớn (đến 8MeV) Tungsten đƣợc sử dụng vào năm 2000 (Olsher cộng sự) phịng thí nghiệm Los Alamos cho hai hiệu ứng hấp thụ làm chậm nơtron mở rộng khả đo thiết bị lên đến 5GeV Tuy nhiên, khối lƣợng đầu dò dạng lên đến 13.5kg Canberra Dineutron: Khối lƣợng 3,5 kg có độ xác cao nhƣng mức đáp ứng lƣợng đến 15MeV nhạy Thiết bị HPI Rem 500 Far West Technologylamos: Sử dụng ống đếm tỉ lệ tƣơng đƣơng mô kiểu Rossi (thành phần vật liệu tƣơng đƣơng mơ, sử dụng khí propare), thiết bị nhỏ nhƣng phù hợp với suất liều thấp lƣợng đáp ứng thực tế khoảng 10MeV, độ nhậy không cao 0,8cpm/µSv/h Kỹ thuật đo định liều nơtron sử dụng cấu trúc đầu dò PRESCILA đƣợc nghiên cứu đề xuất phịng thí nghiệm Los Alamos (Hoa Kỳ) cho thấy khả đáp ứng thiết bị đo liều nơtron đáp ứng đƣợc đo dải lƣợng rộng từ nhiệt đến 100 MeV phụ thuộc vào lƣợng Cấu trúc đầu dò kết hợp Tinh thể nhấp nháy ZnS(Ag) đo nơtron nhanh ZnS(Ag) liên kết 6LiF huỳnh quang đo nơtron nhiệt, cấu trúc đầu dị nhƣ đáp ứng khả ghi nhận lƣợng cao nhƣng lại có khối lƣợng thể tích nhỏ, khả loại trừ can nhiễu gamma gây lên tới mSv/h Trên sở đặc điểm trội đầu dị Prescila nhóm thực tìm hiểu, nghiên cứu cấu trúc đầu dò prescila, đồng thời thiết kế chế tạo khối điện tử thu nhận, xử lý tín hiệu đầu dị khối điện tử chức số chức đáp ứng thiết bị Bƣớc đầu nhóm nghiên cứu chế tạo đƣợc thiết bị đo liều nơtron hồn thiện có sẵn chức ứng dụng tích hợp là: đo suất liều nơtron liều tích lũy với độ nhạy, độ xác cao, đáp ứng lƣợng dải rộng (dải nơtron nhiệt đến dải nơtron lƣợng cao) có cấu trúc dƣới dạng xách tay nhỏ gọn NỘI DUNG Đối tƣợng phƣơng pháp: 2.1.1 Cấu tạo đầu dị Prescila: Về đặc tính đầu dị: Cấu tạo đầu dị đƣợc mơ tả hình 1, thơng tin thành phần cấu tạo lên đầu dò bao gồm [2,3]: Các đặc trƣng kỹ thuật đầu dị với cấu hình PRESCILA nhƣ sau: Cấu trúc đầu dò gồm 04 tinh thể ZnS(Ag) 01 tinh thể kép ZnS(Ag)+LiF đƣợc bố trí theo hình học nhƣ hình 1[2,3] Các thơng số kỹ thuật đầu dị bao gồm: kích thƣớc 25.7 x 10.8 x 10.8 cm, khối lƣợng khoảng 2,2kg, lƣợng đáp ứng: nhiệt đến 100MeV, chuẩn liều tƣơng đƣơng chiếu H*(10) dải lƣợng đến 20MeV, phân bố liều đo đƣợc nguồn nơtron theo góc khác nhau: sai lệch 15%, độ tuyến tính: đến 20mSv/h loại trừ ảnh hƣởng trƣờng gamma đến 1mSv/h Hình : Cấu trúc đầu dò PRESCILA (Proton Recoil Scintilator –Los Alamos) (11Khối dẫn sáng/ lightguide 11a- Lỗ trung tâm khối dẫn sáng; 12-13-14:Tấm Polyethylene pha B (5%) top, bottom, side plate; 12a: lỗ trung tâm trên/central aperture; 15- hốc trung tâm chứa tinh thể đo nơtron nhanh (ZnS(Ag)+plastic)/ central aperture for insertion of fast neutron cintillators; 16- Phin lọc Cd/cadmium filter; 17- Tinh thể ZnS(Ag)+6LiF/ Thermal nơtron scintillator; 18 – Tấm đệm platic/ plastic spacer; 19- PMT/Photomultiplier tube; 20- Vỏ bọc xách tay PMT/ PMT handle) Dạng tinh thể đo nơtron nhiệt ZnS(Ag)+LiF (BC720 SG) dựa nguyên tắc đo Proton giật lùi ( ) ( ) ( ) Hiệu suất ghi tinh thể lên tối đa đến 60% mức lƣợng 0.01eV Dạng tinh thể BC 702 SG dựa phản ứng (n,) với nguyên lý ghi nhận: ( ) ( ) ( ) Việc sử dụng tinh thể, cân đáp ứng lƣợng khối đầu dò đáp ứng yêu cầu đo liều nơtron Vấn đề đặt là: liều chiếu với lƣợng nơtron khác tạo liều tƣơng đƣơng H*(10) khác lƣợng khác Vì khó để đạt đƣợc độ xác phép định liều sau Giải pháp mặt ý tƣởng nhƣ sau: cần phải cân liều lƣợng vùng lƣợng nhằm đạt đƣợc hệ số chuẩn trung bình chấp nhận đƣợc Cách thức tiến hành nhƣ sau: Vùng ( nhiệt nhiệt, lƣợng neutron nhỏ 0,5eV): Thay sử dụng trọng số xạ WR=5, áp dụng hệ số WR=10 với giải pháp giảm số lƣợng neutron đến tinh thể ZnS(Ag)+6LiF (lý thuyết 02 lần) Giải pháp mặt kỹ thuật sử dụng phin lọc Cd (với chiều dày phù hợp đƣợc tính tốn mô chứng thực thực nghiệm) để giảm lƣợng neutron nhiệt đồng thời sử dụng Pb để che chắn gamma lƣợng thấp trƣớc tinh thể ZnS(Ag)+6LiF Vùng (0,5eV