Nguyên lý làm việc của thiết bị điều khiển hạt nhân trong công nghiệp, an toàn bức xạ, diễn tập sự cố bức xạ

MỤC LỤC 1 I. Tổng quan về các thiết bị đo hạt nhân sử dụng trong công nghiệp 2 I.1 Định nghĩa đo hạt nhân 2 1.2 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống đo hạt nhân 2 I.3. Các nguyên lý cơ bản trong ghi đo hạt nhân 3 I.4. Phân loại đo hạt nhân 3 I.5 Các bộ phận của máy đo hạt nhân 6 I.6 Các loại thiết bị đo hạt nhân và các vấn đề an toàn, an ninh 9 II. Các vấn đề an toàn bức xạ liên quan trong sử dụng thiết bị ghi đo hạt nhân 25 II.1. Các vấn đề an toàn bức xạ cần lưu ý đối với hệ đo cố định 25 II.2. Các vấn đề an toàn bức xạ cần lưu ý đối với loại đo đi động 25 III. Tóm tắt bài giảng và các lưu ý: 26

CÔNG TY TNHH THI ẾT BỊ VÀ DỊCH VỤ KHOA HỌC AE

NGUYÊN LÝ LÀM VI ỆC CỦA THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN

AN TOÀN B ỨC XẠ LIÊN QUAN

Hà N ội – 2018

1

M ỤC LỤC

M ỤC LỤC 1

I T ổng quan về các thiết bị đo hạt nhân sử dụng trong công nghiệp 2

I.1 Định nghĩa đo hạt nhân 2

1.2 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống đo hạt nhân 2

I.3 Các nguyên lý c ơ bản trong ghi đo hạt nhân 3

I.4 Phân lo ại đo hạt nhân 3

I.5 Các b ộ phận của máy đo hạt nhân 6

I.6 Các lo ại thiết bị đo hạt nhân và các vấn đề an toàn, an ninh 9

II Các v ấn đề an toàn bức xạ liên quan trong sử dụng thiết bị ghi đo hạt nhân 25

II.1 Các v ấn đề an toàn bức xạ cần lưu ý đối với hệ đo cố định 25

II.2 Các v ấn đề an toàn bức xạ cần lưu ý đối với loại đo đi động 25

III Tóm t ắt bài giảng và các lưu ý: 26

2

I T ổng quan về các thiết bị đo hạt nhân sử dụng trong công nghiệp

I.1 Định nghĩa đo hạt nhân

Đo hạt nhân là một công nghệ sử dụng bức xạ ion hoá phát ra từ một nguồn

bức xạ (chất phóng xạ hoặc máy phát tia X) để khảo sát, kiểm tra, đo đạc, phân tích

hoặc xử lý một hệ thống, dây chuyển sản xuất

Phương pháp đo hạt nhân có thể thực hiện các công việc sau:

- Phân tích thành phần vật liệu, sản phẩm;

- Kiểm soát chất lượng sản phẩm;

- Điều khiển dây chuyền sản xuất;

Thiết bị đo hạt nhan được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, phần lớn

là trong việc kiểm soát quá trình và kiểm soát chất lượng

Về cơ bản, thiết bị bao gồm nguồn bức xạ (nguồn phóng xạ hoặc tia X) được

che chắn, thiết bị ghi nhận bức xạ và hệ thống tính toán

1.2 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống đo hạt nhân

Ưu điểm: Ứng dụng công nghệ sử dụng thiết bị đo hạt nhân có một số ưu

điểm sau:

Con người không tiếp xúc với vật liệu cần kiểm tra, xử lý

Có thể thực hiện trực tuyến theo thời gian thực

Chính xác cao và ổn định lâu dài

Lắp đặt đơn giản và ít làm gián đoạn trong quá trình vận hành

Đầu thu

Dòng vật

Kiểm soát

3

Nh ược điểm: Khi sử dụng bức xạ ion hóa có thể gây ra những mối nguy

hiểm cho nhân viên và công chúng Do đó, thiết bị này phải an toàn và sử

dụng một cách an toàn

I.3 Các nguyên lý c ơ bản trong ghi đo hạt nhân

Cường độ bức xạ truyền qua có thể tính toán sử dụng công thức sau:

I = Io e-(en/) x

Trong đó,

I = cường độ bức xạ sau khi đi qua vật liệu;

Io = cường độ bức xạ ban đầu trước khi đi vào vật liệu;

en/ = hệ số hấp thụ khối của vật liệu

(cm2 mg-1);

x = bề dày mật độ của vật liệu (mg.cm-2)

Cường độ bức xạ phản xạ hoặc tán xạ ngược có thể được tính toán theo công

thức sau:

I = Io (1 – e-( 

en /) x) Trong đó,

I = cường độ của bức xạ tán xạ ngược;

Io = cường độ bức xạ ban đầu trước khi đi vào vật liệu;

en/ = hệ số hấp thụ khối của vật liệu (cm2.mg-1 );

x = bề dày mật độ của vật liệu (mg.cm-2)

I.4 Phân lo ại đo hạt nhân

Đo hạt nhân có thể được phân loại theo

4

bức xạ sau khi ra khỏi nguồn phát sẽ đi vào vật liệu cần kiểm tra và tiếp đó đi đến đầu dò theo một đường thẳng Cường độ bức xạ tới được đầu dò sẽ mang thông tin

về vật liệu mà nó đã đi qua (có thể là độ dày, mật độ và thậm chí cả thành phần)

Mật độ và độ dày của vật cần kiểm tra có thể đo được khi ta so sánh với các

mẫu chuẩn

S ơ đồ nguyên lý bố trí thiết bị của phương pháp đo truyền qua

Ví dụ sử dụng nguồn và ứng dụng trong máy đo truyền qua

Hoạt độ nguồn phóng xạ hoặc điện áp của máy tia X sử dụng trong đo truyền

qua phụ thuộc vào đặc điểm của vật liệu cần kiểm tra, phụ thuộc vào cấu hình của

vật liệu kiểm tra (ví dụ đo mật độ vật liệu trong các đường ống với đường kính

muốn Thông thường, trong các phép đo truyền qua hoạt độ nguồn thường dùng

Nguồn

Che chắn Mẫu đo Đầu dò Thiết bị đo

5

khoảng 10 MBq đối với máy đo dùng nguồn beta, và vài trăm GBq với máy đo

I.4.2 Máy đo dùng hiệu ứng tán xạ ngược

tra Đầu dò phải được che chắn đối với tia xạ đến trực tiếp Các tia bức xạ sẽ tương

xạ lại từ vật thử nghiệm Với cấu trúc hình học hợp lý ta sẽ đo được mật độ và độ

dày vật cần đo

Sơ đồ bố trí thiết bị đo tán xạ ngược

Ví dụ sử dụng nguồn và ứng dụng trong máy đo tán xạ ngược

6

Hoạt độ nguồn thường dùng khoảng từ 10 đến hàng trăm MBq đối với máy

đo dùng nguồn beta và vài trăm GBq với máy đo dùng nguồn gamma Nguồn

nơtron thường dùng ở khoảng GBq

I.4.3 Máy đo sử dụng hiệu ứng phản ứng

đặc trưng cho vật liệu bị chiếu Nguồn nơtron có thể dùng biến chất không phóng

xạ thành chất phóng xạ Các hạt nhân phóng xạ được hình thành bởi tương tác của

hạt nhân bền với nơtron phát ra tia gamma đặc trưng có thể được xác định bằng

cách xác định năng lượng của chúng

Mô tả nguyên tác làm việc của máy đo hạt nhân kiểu phản ứng

Ví dụ sử dụng nguồn và ứng dụng trong máy đo kiểu phản ứng

đến GBq

I.5 Các b ộ phận của máy đo hạt nhân

I.5.1 Các ngu ồn phóng xạ kín

Các nguồn phóng xạ có vỏ hàn kín hoàn toàn, vỏ thường được gọi là

7

nguồn phải được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ cao trong khoảng thời gian nhất định và có tác động va chạm cơ học mạnh Thông thường capsule thường được chế

tạo từ các kim loại cứng không gỉ như Volfram (Tungsten) vừa bảo vệ lực tác dụng

lên nguồn, bảo vệ nhiệt độ cao và đặc biệt kim loại này không gỉ

Cấu trúc nguồn kín

I.5.2 Các thi ết bị phát bức xạ tia X

điện áp cao cỡ kV và phát ra bức xạ hãm giống như bức xạ gamma Nguồn điện tử

là sợi đốt kim loại được nung nóng bằng một dòng điện cỡ mA Do đó khi cắt cao

áp thì hoàn toàn không có tia X phát ra

Ống phát tia X

Các thiết bị tia X ở đầu ra phát tia luôn được chuẩn trực (colimator) để tia X

chỉ phát ra theo 1 hướng định trước, và tại lối ra cũng có một lớp kim loại nhẹ làm

màng lọc để loại bỏ các tia năng lượng thấp không có tác dụng trong các phép đo

I.5.3 V ỏ nguồn và che chắn

Vỏ nguồn (container hoặc source-housing) phải được làm theo các tiêu

chuẩn quy định song phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

8

- Bảo vệ che chắn người vận hành khỏi chùm tia trực tiếp

- Thiết lập các hàng rào vật lý bổ sung để bảo vệ khi xảy ra các sự cố đối với

nguồn, cho phép chùm tia bức xạ lọt ra theo 1 hướng đã được lựa chọn

- Các tác động cơ khí gây nguy hiểm với nguồn phải được loại trừ

- Có cơ cấu cơ khí để có thể đóng hay mở nguồn bằng tay

tiêu chuẩn an toàn:

- Thử nhiệt;

- Thử độ cứng;

- Thử khả năng chịu nước của vỏ nguồn

Mô tả các loại vỏ bảo vệ và cấu trúc cơ khí của khe phát xạ của máy đo

(hình ảnh 1 vỏ nguồn chứa nguồn Cs-137 đo mức)

I.5.4 Đầu dò, thiết bị phân tích và hệ thống điều khiển

Đầu dò chứa môi trường tại đó các tia bức xạ ion hóa tương tác và được ghi

nhận, các tín hiệu bức xạ sau khi tương tác sẽ chuyển sang các tín hiệu điện Với

loại hình đo mật độ, đo mức thì loại đầu dò phổ biến nhất được sử dụng trên thị

9

trường là các đầu dò nhấp nháy NaI hoặc LiI Còn đối với các mục đích phân tích

thành phần thì loại đầu dò được sử dụng thường là đầu dò bán dẫn

Thiết bị phân tích trước hết chứa 1 hoặc 1 dãy vài đầu dò, các tín hiệu thu được từ đầu dò tiếp đó sẽ qua các bộ xử lý thông tin để phân tích các theo các kênh

và sử dụng bộ dữ liệu chuẩn để phân tích thành phần của vật liệu Kỹ thuật huỳnh

quang tia X hoặc phân tích kích hoạt gamma, neutron là các kỹ thuật được sử dụng

trong các thiết bị phân tích

Hệ thống điều khiển là hệ thống xử lý thông tin kết nối với đầu dò hoặc thiết

bị phân tích để tác động lại sản phẩm, hay dây chuyền sản phẩm đầu vào Như với

các thiết bị phân tích thành phần vật liệu trong nhà máy xi măng, hệ thống điều

khiển sẽ điều chế lại quy trình đưa vật liệu vào dây chuyền sản xuất, hoặc đối với

đo mức chất lỏng trong nhà máy bia thì hệ thống điều khiển sẽ đá các chai (lon) bia

không đủ bia ra khỏi dây chuyền đóng chai (lon)

I.6 Các lo ại thiết bị đo hạt nhân và các vấn đề an toàn, an ninh

I.6.1 Thi ết bị đo hạt nhân sử dụng chùm bức xạ Gamma

Cs-137, Co-60, Am-241,…

Đo mật độ:

Đo mật độ thường được thực hiện trong các nhà máy khí hóa, hay dầu khí

như nhà máy đạm, nhà máy lọc dầu, nhà máy luyện than, nhà máy tuyển quặng

Thiết bị đo hạt nhân được sử dụng để đo mật độ của dòng vật liệu chạy qua 1 ống

sử dụng trong mục đích này Sơ đồ bố trí 1 thiết bị đo mật độ như hình bên dưới:

Nguồn Cs-137 Đầu dò

10

Tùy vào kích thước của ống kim loại chứa vật liệu cần đo mật độ và loại vật

liệu trong ống kim loại mà hoạt độ của nguồn phóng xạ được lựa chọn, tuy nhiên

thông thường hoạt độ của nguồn từ khoảng vài mCi tới dưới 1Ci

bảo vệ chuyện dụng còn gọi là container, container có cơ cấu cơ khí để có thể đóng

mở nguồn bằng tay, đảm bảo nguồn phóng xạ chỉ phát ra theo 1 hướng định trước

Thông thường suất liều bức xạ cực đại trên bề mặt container khi đóng và mở

nguồn (trừ vị trí khe phát tia) chỉ khoảng dưới 15-20Sv/h, và suất liều ở khoảng

khe phát tia (là khe giữ đầu dò và nguồn) khi nguồn mở rất cao, lên tới hàng trăm đến hàng nghìn Sv/h Do vậy khi phải thao tác với container nguồn phóng xạ,

nhân viên đặc biệt chú ý phải đóng nguồn trước khi thao tác, và không đưa tay vào

khe phát tia Hầu hết các thiết bị đo mật độ trên các dây chuyền hoạt động tự động,

rất ít có sự tiếp xúc thường xuyên của con người Việc tiếp xúc chỉ xảy ra khi có sự

cố và khi bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị

được đặt ở nơi có các biện pháp ngăn chặn tốt xâm nhập trái phép

Đo mức trong các đường ống, bồn nhiên liệu:

Đo mức trong các đường ống, bồn nhiên liệu cũng tương tự như đo mật độ

của nguyên vật liệu trong 1 đường ống hoặc trong 1 bồn nhiên liệu để điều khiển

quá trình nạp hoặc xả nhiên liệu Sơ đồ nguyên lý như hình bên dưới:

11

Đo mức cũng được thực hiện ở các nhà máy khí hóa, nguyên liệu như nhà

máy đạm, lọc hóa dầu, xi măng, tuyển quặng, …

Các lưu ý về an toàn, an ninh loại hình này tương tự như đo mật độ đã trình

bày bên trên

Đo mức chất lỏng:

rượu, nước giải khát Thiết bị đo hạt nhân được sử dụng để kiểm tra độ (mức) điền đầy của các chai (lon) bia hoặc nước ngọt trên dây chuyền đóng gói Các chai (lon)

mà không được điền đủ lượng chất lỏng sẽ bị phát hiện và bị đá ra khỏi dây chuyền đóng gói, sẽ không được đóng thành thùng và đưa đi tiêu thụ

Nguồn phóng xạ sử dụng trong mục đích này thường là nguồn kín Am-241,

hoạt độ thường là 50mCi hoặc 100mCi Máy phát tia X cũng có thể được sử dụng

máy phát tia X dần chiếm ưu thế hơn vì tính an toàn, an ninh của máy phát tia X Điện áp cực đại của các máy tia X chỉ khoảng 60-70kV Sơ đồ nguyên lý như hình

bên dưới:

Kết quả thực tế đo suất liều ở các thiết bị đo mức chất lỏng cho thấy chỉ có

khe giữa nguồn và đầu thu là có suất liều rất cao, lên tới khoảng 1 nghìn Sv/h

lon chất lỏng chạy qua liên tục, vì vậy có thể nói không có người thao tác ở khe

này Còn suất liều bức xạ ở các vị trí khác đều thấp dưới 10Sv/h Ra xa khỏi

nguồn và đầu dò khoảng 0,5m thì gần như suất liều phóng xạ chỉ tương đương môi

trường

12

việc đầu tiên cần chú ý xem nguồn đã được đưa về vị trí an toàn (OFF) hay chưa

bằng cách nhìn vào các tín hiệu hình ảnh (đèn, 1 chấm sơn mầu đỏ) nằm trên thiết

bị, cố gắng đưa nguồn về vị trí đóng (OFF) trước khi thao tác, khi đó suất liều ở

mọi điểm trên bề mặt nguồn chỉ dưới 1Sv/h Và vẫn lưu ý không cho tay hay bộ

phận cơ thể vào giữa khe đo

(hình ảnh về thiết bị đo mức trong nhà máy bia)

Đo độ dày:

Đo độ dày với tia gamma thường diễn ra ở các nhà máy cán thép, ở đó các

tấm thép được cán mỏng và được đo độ dày trực tuyến để điều chỉnh các máy cán đảm bảo cho độ dày mong muốn Nguồn kín Am-241 với hoạt độ thường là

Một hệ đo độ dày cán thép thường gồm 2 máy đo độ dày, tương ứng với 2

nguồn Am-241 Một máy đo độ dày ở đầu vào của máy cán thép, 1 máy đo ở đầu

ra của máy cán thép nhằm kiểm soát chính xác độ dày của thép cán thành phẩm

Sơ đồ nguyên lý của phép đo như hình bên dưới:

13

Kết quả đo suất liều phóng xạ đối với loại thiết bị này cho các lưu ý như sau:

- Suất liều bức xạ cao nhất đo được tại khe đo (khe giữa đầu dò và nguồn) với

suất liều lên tới hàng trăm Sv/h do vậy khuyến cáo không được phép đưa

vào giữa khe đo để chặn tia bức xạ

Đầu thu Nguồn

được gắn

bên dưới

tấm kim

loại

14

- Suất liều ở các vị trí xung quanh thấp, tại đỉnh của đầu dò chỉ khoảng tối đa

5Sv/h và mọi vị trí ở khoảng cách 1m từ đầu dò và nguồn có suất liều

tương đương môi trường

Đối với loại hình công việc này, vấn đề an ninh cần phải được kiểm soát cẩn

thận, vì nguồn nhỏ và có ít dấu hiệu nhận dạng trên nguồn, và nguồn làm việc

trong môi trường cơ khí rất nhiều sắt thép nên nếu nguồn bị rơi ra khỏi thiết bị rất

dễ bị lẫn vào các vật tư kim loại khác Người phụ trách an toàn phải kiểm đếm

thường xuyên

I.6.2 Thi ết bị đo hạt nhân sử dụng chùm hạt beta

Thiết bị đo hạt nhân dùng chùm hạt beta được sử dụng để:

- Đo độ dày bao bì hay giấy

- Đo độ dày lớp phủ, lớp mạ

- Đo bề dày phim;

Các nguồn phóng xạ phát beta thường được sử dụng trong công

nghiệp:

Đo độ giày giấy và bao bì:

Trong các nhà máy sản xuất giấy và bao bì, các thiết bị đo độ dày

thường được gọi là máy QCS, nguồn phóng xạ được sử dụng phổ biến nhất

là Kr-85 và đôi khi là Sr-90 Hoạt độ các nguồn Kr-85 thông thường là

chính là khe hở mà ở đó giấy hay bao bì sẽ chạy qua và được đo độ dày liên

tục Nguồn được đóng (OFF) hay mở (ON) thông qua các nút điều khiển bên

ngoài chứ không đóng mở bằng tay

Các nguồn Kr-85 hay Sr-90 đều là các nguồn beta, do vậy suất liều ở

các điểm sát hộp nguồn thường cao nhưng bị suy giảm rất nhanh theo

khoảng cách Suất liều đo được ở các điểm bề mặt hộp nguồn và đầu dò có

thể lên tới 20Sv/h, tuy nhiên ra xa chỉ khoảng 1m thì suất liều đo được

bằng với môi trường Suất liều bức xạ tại khe giữa đầu dò và nguồn có thể

lên tới hàng trăm tới nghìn Sv/h, tuy nhiên đây là 1 khe rất hẹp nên nếu

không cố tình thì sẽ không có người tiếp xúc tới khe đo này

tiên phải điều khiển tắt thiết bị để nguồn được đưa vào vị trí an toàn Sau đó

15

thì người dùng có thể làm việc bình thường với hệ QCS, tuy nhiên vẫn

khuyến cáo người dùng giảm tối đa thời gian tiếp xúc với bức xạ

(Đầu dò là hộp bên trên, nguồn nằm ở hộp bên dưới)

Đo độ dày lớp phủ hoặc độ dày phim bằng phương pháp tán xạ ngược:

Với phương pháp đo tán xạ ngược, nguồn và đầu thu được bố trí nằm

cùng 1 phía so với lớp vật liệu cần đo Phương pháp này thường được sử

dụng để đo các lớp vật liệu rất mỏng mà phương pháp đo truyền qua không

cho kết quả tin cậy

Tia bức xạ phát ra từ nguồn sẽ tương tác với lớp vật liệu cần kiểm tra,

hầu hết các tia bức xạ này sẽ xuyên qua vật liệu, một lượng nhỏ sẽ phản xạ

lại và đi vào đầu dò, mang thông tin về độ dày của lớp vật liệu đó

Tương tự như đo độ dày giấy, bao bì bên trên, nguồn phóng xạ phát

tia beta nên suy giảm rất nhanh theo khoảng cách trong không khí, vì vậy

suất liều gây ra ở khoảng cách 1 m là như phông môi trường, suất liều chỉ

cao ở cửa khe phát tia Tuy nhiên việc vận hành thiết bị gần như tự động

thì tự động cửa sổ nguồn sẽ đóng lại và bức xạ phát ra là không đáng kể

Sơ đồ nguyên lý như hình bên dưới:

16

Với kỹ thuật đo tán xạ này, ngày nay máy phát tia X đã có thể sử dụng thay

thế các nguồn phóng xạ nhằm đảm bảo an toàn và an ninh tốt hơn

I.6.3 Thi ết bị đo hạt nhân sử dụng nguồn bức xạ nơtron

Thiết bị đo hạt nhân sử dụng nguồn bức xạ phát nơtron để:

Thiết bị đo độ ẩm độ chặt nền móng công trình thông thường xử dụng 2 nguồn

đó nguồn Cs-137 phát gamma để đo mật độ của nền móng, còn nguồn Am/Be-241

phát neutron để đo độ ẩm của nền móng

Sơ đồ nguyên lý và các hình ảnh thiết bị đo độ ẩm, độ chặt như bên dưới: