Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Khảo sát cấu hình che chắn nguồn bức xạ Gamma bằng chương trình Penelope

Với sựphát triển của máy tính, việc sử dụng các chương trình Monte Carlo mô phỏng quátrình lan truyền bức xạ trong vật chất để tính toán các câu hình che chắn đã trở nênphố biến và trở t

° ey

[ ĐẠI HOC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHI MINH i

TRUONG DAI HOC BACH KHOA |

| KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG |+ BỘ MON VAT LÝ KỸ THUAT Y SINH ï

gol !| J| |

0% ge

i J| !| |

0% oe

l !

| LUAN VAN THAC SI ]

| KHAO SAT CAU HINH CHE CHAN

_ NGUÓN BỨC XẠ GAMMA

: BANG CHUONG TRINH PENELOPE :

GVHD: TS HUYNH QUANG LINH |

| HVCH: LÊ QUỲNH HOA |

: MSHV: 11121039 |

Công trình được hoàn thành tại:Trường Dai học Bách Khoa -DHQG - TP.HCMCán bộ hướng dân khoa học: TS HUYNH QUANG LINH

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS LÝ ANH TÚCán bộ chấm nhận xét 2 : TS TRAN THỊ NGOC DUNGLuận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa - ĐHQG Tp HCM,ngày 17 tháng 01 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 PGS TS CAN VĂN BÉ

2.TS LÝ ANH TÚ3 TS HUYNH QUANG LINH4.TS TRAN THỊ NGOC DUNG5.TS PHAM THI THU HIEN

Xác nhận cua Chu tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lýchuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập — Tự do — Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ và tên học viên: LÊ QUỲNH HOA

MSHV: 11121039Ngày, tháng, năm sinh: 10/01/1988 Noi sinh: Đồng NaiChuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 604417

I TÊN ĐÈ TÀI: KHẢO SÁT CÂU HÌNH CHE CHAN NGUON BUC XA

GAMMA BANG CHUONG TRINH PENELOPE.

II NHIỆM VU VA NOI DUNG: ¬1.Tông quan các van đê chính liên quan đên đê tài, bao gom:- Tong quan vê bức xạ gamma, các quá trình tương tác chủ yêu cua gamma với vatchất, giới thiệu các đại lượng đo lường hạt nhân đặc trưng và an toàn phóng xạ.- Tong quan về phương pháp tính toán giải tích về che chan bức xạ hạt nhân.2 Áp dụng chương trình PENELOPE 2006 mô phỏng một số cấu hình che chắn bứcxạ gamma đơn giản.

Ill NGÀY GIAO NHIỆM VU : 24/06/2013IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013

V.CÁN BỘ HUONG DAN: TS HUỲNH QUANG LINH

Tp HCM, ngày lồ tháng 02 năm 2014

CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

LOI CAM DOANTôi xin cam đoan luận van nay là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướngdẫn của TS Huỳnh Quang Linh Các số liệu, hình vẽ, đồ thị liên quan đến kết quảtôi thu được trong luận văn này là hoàn toàn trung thực, khách quan và chưa từngđược ai công bé trong bat cứ công trình khoa học nào mà tôi không tham gia.

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình học tập tại Trường Đại Học Bách Khoa, Ngành Vật Lý KỹThuật, tôi đã được sự giảng dạy tận tình của các thầy cô Chính nơi đây đã cung cấpcho tôi kiến thức và giúp tôi trưởng thành trong học tập và nghiên cứu khoa học.Cho tôi gửi lời biết ơn đến các thay cô đã giảng day tôi trong suốt thời gian hoc tạitrường.

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Huỳnh Quang Linh đã động viên,cung cấp kiến thức và luôn tận tâm hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiệnluận văn.

Xin được phép gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhậnxét và giúp tôi hoàn chỉnh luận văn.

Cuối cùng xin cảm ơn bè bạn và gia đình đã quan tâm, chia sẻ những khókhăn, tạo mọi điều kiện tốt nhất dé tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013

Lê Quỳnh Hoa

TÓM TẮT

Bên cạnh những ứng dụng tích cực trong nhiều lĩnh vực y te, công nghiệp,

năng lượng, bức xạ hạt nhân - trong đó có bức xạ gamma, cũng có rất nhiều tác hại

nguy hiểm cho sức khỏe con người và môi trường Do đó che chăn bức xạ đóng vaitrò rất quan trọng trong việc sử dụng, vận chuyển các nguôn bức xạ ion hóa Với sựphát triển của máy tính, việc sử dụng các chương trình Monte Carlo mô phỏng quátrình lan truyền bức xạ trong vật chất để tính toán các câu hình che chắn đã trở nênphố biến và trở thành kỹ năng cần thiết đối với kỹ sư hạt nhân Luận văn này sửdụng một trong những chương trình mô phỏng Monte Carlo phổ biến là chươngtrình PENELOPE 2006 dé thử nghiệm tính toán che chăn với một số cau hình thôngdụng, kiểm chứng độ tin cậy thông qua các phương pháp tính toán giải tích Việcứng dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo cho mục đích che chắn an toàn bứcxạ là một kỹ năng nghiên cứu cần phát triển để tăng cường công cụ hiệu quả trongkỹ thuật hạt nhân thực nghiệm.

ABSTRACT

Besides positive applications in many areas such as healthcare, industry,energy technology, nuclear radiation including gamma radiation causes a lot ofharmful effects for human health and environment Therefore radiation shieldingplays a very essential role in managing and transporting ionizing radiation sources.With the development of computer technology, using Monte Carlo code forsimulation of radiation transport to calculate gamma radiation shielding becomes apopular routine and essential skill in nuclear and radiation engineering This thesisapplied the well-known Monte Carlo code PENELOPE 2006 for testing calculationgamma radiation shielding with some simple geometric structures, and to controlreliability of mentioned simulation with analytical methods The application ofMonte Carlo simulation program for the purpose of radiation shielding needs todevelop as an essential research skill to enhance effectiveness in experimentalnuclear techniques.

Mục lụcLOT CAM ƠN << HH 078 p0cnrMeptenseeorteoette 5

TOM 'TẮTT 2° s*ES.99E.9022079340022 0724400794 079440029 079440098400294 079810020890 6

ABSTTRRACC TÏ ooo- GG G5 5 9.9 000 0000.000004 00 0004.0600004 406000004 060600000660080906 6MUC ÌỤCC c << < << 9 9 .9999999999999999999900000000000000000000000000000000000000000000000000 7

DANH MỤC CÁC BANG - 5 ° << Sư cư sư 9 9g 395 sssE 10DANH MỤC CÁC HINH V Ế 2 5° ° sư cư ợ v9 xe sssE 11

MỞ DAU unssssssssssssssssssssssscessscssscsssssssesssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssnssesseeseess 1Chương 1 TƯƠNG TAC CUA BUC XA GAMMA VỚI VAT CHÁTT 41.1 Bản chất của tỉa SaMMA ceeccccssesessssessssssesscscsessesssesscsesessesesessssesesessesesesseseeeeees 4[.I.[ Tia Œamma G000 T0 00v và 41.1.2 Tính chất của tia gamima ¿- 5-5255 SE+E‡EEE‡EEEEEEEEEEEEkrkrkerrrerrerrred 61.2 Tương tác của tia gamma với vật Chất - + 256552 S++E+E+E£Eexerererrererree 71.2.1 Hiệu ứng quang điỆn - Ăn vn 7I.2.2 Hiệu Ứng COmp(OI - << 09903010101 ke 91.2.3 Hiệu Ứng tạoO Cặp - G0 và 111.3 Sự suy giảm cua chum bức xa gamma khi di qua vật Chất sex scsesees 12

1.3.1 Sự suy giảm của chùm gamma hẹp << 5555233111 £ssessd 131.3.2 Sự suy giảm của chùm gamma rộng Hệ số tích luỹ - 141.4 Các đơn vi, khái niệm trong an toàn phóng Xạ «s5 S3 k4 171.4.1 Liều hấp thụ -c- 5< 5< SE 1 1E E111 111211111111 11111111 010111 11 1 Hye 171.4.2 Suất liều hấp thy - c2 S1 3 11121111 11111111111101 0111111111111 y0 171.4.3 Liều CHIEU ee eeceesseesseesseeesesscsseessesseeeseesseessessesseecseecniessiensensenssensees 181.44 Suất liều HEU esseesseesseeeseesseeseeescsseesseecseesseesseesstesutesutesusesnseseeeneees 181.4.5 Liều tương đương 5-5-5 tt S33 1 1511 111 1111111111111 re 181.4.6 Liều hiệu dung viccccccccccccccccscscsescscscssssesescsssesscsescssssssssssesesssesseseseetees 20

1.5 Mức chiếu xạ được phép giới hạn - + 25552 E+E+EE£EEeErkrkerrrererreee 22Chương 2 SỰ CHE CHAN BUC XA GAMMA o-5< 555cc se se eseseseseses 242.1 Tổng quan những nghiên cứu che chắn bức xa từ trước đến nay - 242.2 Kỹ thuật bảo vệ chống bức X ¿-¿- 5+ 2 SE SE2E*E2E2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEerrrkred 282.2.1 Thời gian chiếu Xạ - - + 25221 3E E3 1115111511111 11115 111111 xe 292.2.2 Khoảng cách tới nguÖn ¿- 5-5252 E2E‡EEE‡EEEEEEEEEEEEkrkrkerrkrrerrred 292.2.3 Che chăn DUC Xạ tư S131 1E 9111919111 5 11111315 11115111 1 ni 312.3 Các tính toán bao vệ chống bức xa gamma (theo độ bội quy giảm) có chú ýtới HE SỐ tÍCh ÏŨyy G0 nọ và 34

2.3.1 Sự suy giảm cường độ của chùm DUC Xạ << <2 342.3.2 Hệ số tích lũy - c1 51513151111 11011111 1111111111111 342.3.4 Tính toán bé dày lớp bảo vệ theo các lớp suy giảm một nửa 39Chương 3 KET QUA TÍNH TOÁN, THIET KE CHE CHAN BUC XA

GAM MA << G9 9 0004000040005 00940004 90004 050 0809560089960 8800908 413.1 Phương pháp Monte Carlo - Chương trình Penelope - -++<<<<<+ 41Chương trình mô phỏng PENELOPE 2006 SG SG ng, 433.2 Kết quả thực hành ứng dụng PENELOPE 2006 tính toán che chắn bức xạ

210002000757 a a 513.2.1 Kết quả vận hành chương trình PENMAIN 2-5-5555 s55 51a) Đồ thi phân bố pho năng lượng electron truyền qua - 2-5 + 2 s5s+5z: 54b) Đồ thi phan bồ pho năng lượng electron tan Xa nØƯỢC - «5555 «2 54c) D6 thị phân bố phô năng lượng photon truyền qua -. 5- 525255552: 55d) Đồ thị phân bố phổ số electron xuất hiện sau khi qua khỏi vật - 55e) Đồ thị phân bố phố số photon xuất hiện sau khi qua khỏi vật 56f) Đồ thi phân bố liều tích phân theo trỤC Z ¿- + 2 2522 52+E+E+££E£E£EzEzErerereee 56ø) Đồ thị phân bố liều vi phân theo tric X -¿- c2 2552252 ££+x+Ee£e+xexerereerered 57ø) Đồ thị phân bố liều vi phân theo trục y -¿- - + + +22 +s+x+xezezxerrerserered 57

h) Đồ thị phân bố liều vi phân theo truc Z + ¿22 £+£+S+£+£E£E£E+E+Ez£E£EzEresree 581) Đồ thị phân bồ đăng liều trên một mặt cắt nào đó - 5 se ssxsxse£e£sesed 583.2.2 Két quả khảo sát phân bồ liều trong một số thiết kế che chăn 58File SPHERLE.GIEO TH Họ nọ kh 59Kết quả phân bồ liễu vi phân theo trục X . :- ¿525552252 2+e+Eeeceerrerrerered 59Đồ thị phân bố đăng liỀU ¿2-5-5522 SE SE2E2EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrrkrrerrred 60File SPHERLE.GIEO TH Họ nọ kh 63Kết quả phân bồ liễu vi phân theo trục X . :- ¿525552252 2+e+Eeeceerrerrerered 63Đồ thị phân bố đăng liỀU ¿2-5-5522 SE SE2E2EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrrkrrerrred 64File SPHERLE.GIEO TH Họ nọ kh 65Kết quả phân bồ liễu vi phân theo trục X . :- ¿525552252 2+e+Eeeceerrerrerered 66Đồ thi phân bố đăng liỀU c.cceccccccescsesscscsesscsssessescsessesesesscsesssesescsscscseeeesssseeeseseees 67File SPHERLE.GIEO TH Họ nọ kh G7Kết quả phân bồ liễu vi phân theo trục X . :- ¿525552252 2+e+Eeeceerrerrerered 68Đồ thi phân bố đăng liỀU c.cceccccccescsesscscsesscsssessescsessesesesscsesssesescsscscseeeesssseeeseseees 69KET LUAN 01777 Ô 70

Tài liệu tham Kha o G55 2 9 9 8999949 9.996 999994 999698 9899994960898899999960660668666 71

DANH MỤC CÁC BANG

Bảng 1.1Bảng 1.2Bảng 1.3Bảng 1.4Bang 1.5Bang 2.1Bang 2.2Bang 2.3

Hệ số Q với một số loại bức xaCác trọng số mô đặc trưng cho các mô trong cơ thể Wr (1990)Mối tương quan giữa các đơn vi do bức xa

Giới hạn liễu qua các thời kỳ của ICRPLLDPGH một quý hoặc một nămBảng bê dày HVT và TVT của chi, sắt, bê tôngBảng suất liều tán xạ của tia gamma và tia X đối với bê tôngHệ số ở, (hv,Z) đối với nguồn điểm đăng hướng của một vài vật liệuche chăn.

DANH MỤC CÁC HÌNH VE

Hình 1.1 Pho của một nguồn gammaHình 1.2 Qua trình xảy ra hiện tượng quang điệnHình 13 Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lượng của

photon gammaHình 1.4 Qua trình tương tac ComptonHình 1.5 Sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton vào năng lượng E,Hình 1.6 Qua trình tạo cặp

Hình 1.7 Su phụ thuộc của tiết diện tạo cặp vào năng lượng Z#„Hình 1.8 Su phụ thuộc của tiết diện tương tác của lượng tử gamma vào năng

lượng E,Hình 1.9 Sw suy giảm của chùm gamma khi đi qua vật chấtHình 2.1 Dang hình học tính suất liều gamma của nguồn có độ dai |Hình 2.2 Lớp bảo vệ sơ cấp và thứ cấp

MỞ ĐẦU

Ngay từ khi phát hiện ra tia X vào năm 1895 và hiện tượng phóng xạ vàonăm 1896, con người đã hiểu ra rang nguồn năng lượng mà các loại bức xạ nàymang theo là vô cùng to lớn.

Nếu như ngành năng lượng hạt nhân chuyên khai thác nguồn năng lượngkhong 16 của phản ứng phân hạch trong các nhà máy điện hạt nhân, thì công nghệbức xạ sử dụng nguồn năng lượng nhỏ hon của chùm bức xạ phát ra từ các nguồnđồng vị phóng xạ và các máy gia tốc để xử lý và biến tính vật liệu, sản xuất ra hànghoá phục vụ nhu cầu đa dạng của con người

Công nghệ bức xạ là một lĩnh vực khoa học công nghệ ra đời trên nền tảngcủa sự kết hợp chủ yếu giữa các ngành vật lý hạt nhân, khoa học vật liệu, hoá họcvà sinh học Ngày nay ứng dụng kỹ thuật hạt nhân, trong đó có công nghệ bức xạ ởmột số nước đã trở thành một ngành kinh tế kỹ thuật thực sự, với lợi nhuận hàngnăm lên tới hàng trăm tỷ đô la, mang lại hàng triệu công ăn việc làm, có thể sánhngang với ngành năng lượng hạt nhân và nhiều ngành kinh tế quan trọng khác

Tuy chiếm một tỷ phần khiêm tốn trong công nghiệp nhưng công nghệ bứcxạ đang phát triển rất mạnh mẽ với tốc độ tăng truởng hàng năm lên tới 20% + 25%

Ở nước ta công nghệ bức xạ đã bắt đầu phát triển từ đầu những năm 90 củathế kỷ trước và hiện nay đã có một số nhà máy xử lý bức xạ hoạt động ở Hà Nội vàthành phố Hỗ Chí Minh

Những năm 60, 70 của thế kỷ trước được coi là thời kỳ của các nghiên cứusâu rộng đối với các quá trình vật lý liên quan đến sự hấp thụ năng lượng của bứcxạ Các biến đối hoá ly do bức xa ion hoa năng lượng cao là tiên dé cho sự pháttriển của các lĩnh vực khoa học và công nghệ mới - lĩnh vực hoá bức xạ và côngnghệ bức xạ.

Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ich ma chúng đem lại, bức xa ion hoá còn cóthể gây ra những mối nguy hiểm lớn, ảnh hưởng tới sức khoẻ con người và môitrường.

Vì vậy, kiểm soát và bảo đảm an toàn trong chiếu xạ nghề nghiệp và chiều xacông chúng là một trong những yêu cầu an toàn cơ bản khi tiễn hành công việc bứcxạ Mục đích của việc kiểm soát chiếu xạ này là nhằm hạn chế những rủi ro tiềm Ancủa phóng xạ gây ra cho con người và môi trường.

Nghiên cứu và hiểu biết quá trình tương tác của bức xạ gamma với vật chất,từ đó đưa ra giải pháp, tiêu chí an toàn khi sử dụng tiếp xúc với bức xạ gammatrong khi vẫn khai thác được những lợi ích, tiềm năng đa dạng của bức xạ gamma

Ngành kỹ thuật hạt nhân hiện nay ở Việt nam đang có những bước tiễn mạnhmẽ với dự án năng lượng hạt nhân trong vài thập kỷ tới cũng như các ứng dụngrộng rãi trong các lĩnh vực y học, công nghiệp Dù không phải là cơ sở đào tạo kỹthuật hạt nhân chính quy với những cơ sở thực nghiệm cân thiết, BM Vật lý Ứngdụng trường DHBK-DHQG TP.HCM tất nỗ lực tham gia đào tạo và nghiên cứu

trong lĩnh vực kỹ thuật hạt nhân và bức xạ ion hóa, một mặt hỗ trợ việc dao tạo các

kỹ sư kỹ thuật y sinh có thể làm việc liên quan y học hạt nhân tại các cơ sở y tế, mộtmặt góp phan đào tạo các kỹ sư có thể hoạt động trong các lĩnh vực liên quan kỹthuật hạt nhân Trong tinh thần đó, việc khảo sát, năm vững làm chủ các phan mémmô phỏng bang phương pháp Monte Carlo khác nhau, và áp dụng chúng cho nhữngtrường hợp cụ thể như khảo sát phân bố liều bức xạ môi trường, khảo sát phân bốliều các phương pháp xa trị, mô phỏng các cau hình che chan cho các nguồn bức xạcụ thé vv là một trong những hướng nghiên cứu được chú ý nhằm tăng cườngcông cụ và kỹ năng tiếp cận với các van dé thời sự trong kỹ thuật hạt nhân

Với mục đích trên, dé tài “KHAO SÁT CÂU HINH CHE CHAN NGUONBỨC XẠ GAMMA BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE” là một trong vàichuyên dé sử dụng chương trình PENELOPE 2006 thử nghiệm thiết kế che chanmột số cau hình nguồn phát bức xạ gamma trong lúc sử dụng, lưu trữ hoặc vậnchuyển Chương trình PENELOPE là một trong số ít chương trình có tạo những

FORTRAN có thé vận hành cho những bai toán co bản về sự truyền qua, tính phânbố liều, khảo sát phân bố hạt thứ cấp vv dé mô phỏng khảo sát cho nhiều trườnghợp cụ thể Đề tài đã nghiên cứu cách sử dụng chương trình mẫu PENMAIN củaphiên bản 2006 dé khảo sát các cau hình tính toán che chắn chọn lọc Do điều kiệnthời gian hạn chế, dé tài chỉ mới thực hiện được với các cấu hình hình cầu đối xứngvới những vật liệu khác nhau.

Với mục tiêu trên, nhiệm vụ của luận văn được đề ra là:- Sơ lược tổng quan về bức xạ gamma, các quá trình tương tác chủ yếu của

gamma với vật chất, giới thiệu các đại lượng đo lường hạt nhân đặc trưng và an toàn

phóng xạ.

- Tổng quan về phương pháp tính toán giải tích về che chắn bức xạ hạt nhân.- Áp dụng modul mẫu PENMAIN của chương trình PENELOPE 2006 môphỏng một sô câu hình che chăn bức xạ gamma đơn giản.

Chương 1

TƯƠNG TÁC CUA BUC XA

GAMMA VOI VAT CHAT

1.1 Bản chất của tia gamma

1.1.1 Tia Gamma

Bức xa gamma [18] là hiện tượng hạt nhân chuyền từ trang thái kích thíchcao về trạng thái kích thích thấp hơn hay trạng thái cơ bản bằng cách phân rã bức xạgamma Hạt nhân sau khi phân rã gamma không thay đối số khối A và điện tích Z.Công thức của quá trình là:

(yX >,Xˆ+z (1.1)

Như vậy phân rã gamma chỉ xảy ra trong hạt nhân kích thích Hạt nhân kíchthích có thể thu được bằng nhiều cách Trong phản ứng hạt nhân do kết quả băn phábởi các hạt tích điện, hạt neutron và các photon khác mà hạt nhân bia sẽ được nânglên trạng thái kích thích Sau phân rã alpha và beta hạt nhân mới tạo thành có thểnăm ở trạng thái kích thích Đây là cách đơn giản và phố biến nhất để thu đượcnhững hạt nhan bức xạ gamma.

Tia gamma là các sóng điện từ có bước sóng cực ngắn (1074 m — 1012 m)phát ra trong sự phân rã của hạt nhân nguyên tử Tia gamma và tia Roentgen đều làcác sóng điện từ nhưng gamma có bước sóng ngăn hơn, độ đâm xuyên lớn hơn (cóthé xuyên qua lớp vật liệu dày như xuyên qua 10cm Pb) Điểm khác biệt co ban của

2 loại tia ở chỗ: tia Gamma phát ra từ hạt nhân nguyên tử còn tia Roentgen phát ra

bởi sự dịch chuyển trạng thái từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượngthấp hơn của các electron trong lớp vỏ nguyên tử Tia Roentgen được tạo ra khi các

điện dương chúng chịu một lực hút và chuyển động chậm lại Trong quá trình bịlàm chậm hoặc bi ham chúng bị mat đi một phần động năng ban đầu dưới dạng tia

Roentgen (theo điện động lực học cô điển) Đôi khi điện tử bị dừng lại tức thì, khi

đó toàn bộ năng lượng của chúng được chuyển thành năng lượng cực đại của bức xạ

Roentgen (có bước sóng cực tiểu)

Trong ống phóng tia Roentgen, khi các electron đập vào bia thì tốc độ củachúng thay đổi liên tục trong trường Coulomb của các nguyên tử bia hay nói cáchkhác năng lượng của các electron bị mat dan, do đó các tia Roentgen phát ra cóbước sóng thay đổi liên tục trong một dải rộng vì vậy phố của nó là một phổ liên

41 Am (T=432,2 năm) phát ra 2 loại sóng trội 26,3446 KeV và 54,5409 KeV.

Tất cả các nguồn øamma đều có dạng pho vạch (tức là có năng lượng xácđịnh và có các đỉnh đặc trưng cho năng lượng của chúng là rời rạc) khác với phốcủa tia Roentgen.

Thường người ta mô tả một tia gamma nhất định băng năng lượng của nóhơn là biểu diễn nó theo chiều dài bước sóng Ví dụ như phố của một nguồn gammacó dạng như sau:

Cường độ

ỲSô kênh

Hình 1.1: Phố của một nguồn gamma

1.1.2 Tính chất của tỉa samma [18]

4 Không nhìn thấy được bang mat thường.+ Không cảm nhận được băng các giác quan của con người.+ Có khả năng làm cho một số chất phát quang Một số có tính chất như vậy là

Canxi, Bari, Diamond (Kim cương) + Chuyến động với vận tốc của ánh sáng.+ Có hại đối với các tế bào sống, gây nguy hiểm đối với sức khoẻ của con

người, vì vậy cần phải rất cân thận khi làm việc, tiếp xúc với tia gamma.+ Có thé ion hoá vật chất (Đặc biệt với chất khí, chất khí rat dé bị Ion hoá dé

trở thành các điện tử và lon dương).% Tuân theo các định luật cơ bản của ánh sáng (Phan xạ, khúc xa, truyền theo

đường thăng)

% Tuân theo quy luật : Cường độ của nó tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng

cách giữa nguồn phát và một điểm xác định trong không gian.+ Có thể xuyên qua những vật mà ánh sáng không thể xuyên qua được Độ

đâm xuyên phụ thuộc vào năng lượng của photon gamma, mật độ và chiềudày lớp vật chat Quy luật hap thụ của photon gamma có dạng tong quát như

Trong đó: I, Io, w,x,B lần lượt là cường độ chùm tia tại vi tri x, cường độchùm tia ban đầu, hệ số hấp thụ, chiều dày lớp vật chất mà photon đã xuyên qua(mà tại đó gamma có cường độ I), hệ SỐ Build-up (sẽ xem Xét ở phân sau).

% Chúng tác dụng lên lớp nhũ tương của phim ảnh.

1.2 Tương tác của tia gamma với vat chat

Tia gamma thuộc loại bức xạ có tính thâm nhập cao đối với vật chất Khi đivào môi trường vật chất, các photon năng lượng cao cỡ MeV có thể tương tác vớicác nguyên tử của môi trường với 3 kiểu tương tác chính là hiệu ứng quang điện,hiệu ứng Compton và sự sinh cặp (do photon năng lượng cao nên bỏ qua tấn xạRayleigh) [12,7, 3].

1.2.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện [12,7] là quá trình tương tác của lượng tử gamma vớielectron liên kết trong nguyên tử

Trong hiệu ứng quang điện photon va chạm không đàn hồi với nguyên tử củavật chất và nó truyền toàn bộ năng lượng của mình cho electron liên kết của nguyêntử (photon gamma bị biến mất) Năng lượng ấy một phần đề chiến thăng sự liên kếtvới hạt nhân nguyên tử, phân còn lại biến thành động năng của electron bay ra

Vé mặt năng lượng:

hv=W,+E, (1.2.1)Đặc điểm của hiệu ứng quang điện là chỉ xảy ra khi năng lượng của lượng tửgamma lớn hon năng lượng liên kết của electron (E,>E,) Hiệu ứng quang điệnxảy ra càng mạnh khi liên kết của electron trong nguyên tử bền vững va hau nhưkhông xảy ra với electron có liên kết yếu, đặc biệt là khi năng lượng liên kết củalượng tử gamma E, > E, Điều nay định luật bảo toàn năng lượng và xung lượngcủa các hạt tham gia phản ứng không cho phép Nói chung, hiệu ứng quang điệnthường xảy ra ở các lớp electron phía trong [7].

Tia X đặc trưng

e quang điệnGamma tới

Hình 1.2: Quá trình xảy ra hiện tượng quang điệnKhi phát ra electron quang điện, nguyên tử bị giật lùi một chút để bảo toànxung lượng nhưng vì khối lượng của nguyên tử lớn hơn rất nhiều so với khối lượngcủa electron nên động năng giật lùi này có thể bỏ qua trong phương trình (1.2.1)

Có thể có thêm một số electron phát ra cùng một electron quang điện nhất làở các nguyên tử nặng Quá trình đó được gọi là hiệu ứng Auger Trong đó khielectron quang điện phát ra từ các lớp trong (lớp K chang hạn) thì nguyên tử nam ởtrạng thái kích thích và năng lượng kích thích này biến mat bang cách giải phóngthêm một hay vài electron liên kết yếu (được gọi la electron Auger)

Sự phân bố không gian (phân bố góc) của các electron trong hiệu ứng quangđiện rất đặc trưng Khi các photon gamma có năng lượng nhỏ thì các electron quangđiện bay ra chủ yếu theo phương vuông góc với phương truyền của tia gamma tới.Khi tăng năng lượng của gamma hình ảnh phân bố thay đổi Các electron quangđiện ưu tiên bay về phía truớc theo hướng tạo với hướng truyền của gamma một góccàng nhỏ nếu năng lượng của gamma càng lớn

Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện 5 vào năng lượng gammakhá phức tạp [7]:

Sự phụ thuộc tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lượng của lượng tử gammađược biêu diễn trên do thi.

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lượng của

photon gammaTa thay rõ ràng khi di qua các giá trị biên hấp thu có sự nhảy bậc của tiếtdiện hiệu ứng quang điện Hay có sự nhảy bậc của hệ SỐ hấp thụ (ở những nănglượng của gamma có tiết diện hiệu ứng quang điện lớn tức là hiện tượng quang điệnxảy ra mạnh thì ở đó gamma bị hấp thụ mạnh hay hệ SỐ hấp thụ lớn) Quá trình nàyđi kèm với việc phat ra quang điện tử và các tia X đặc trưng (do các electron lớpkhác nhảy vào chiếm chỗ của electron quang điện vừa bay ra, kết quả là phát raphoton tia X đặc trưng).

động với van tôc nào đó trong khi photon ay bị tan xạ một góc nao đó va nănglượng bị giảm đi [7].

ho

(1—cos 6)

ho =

ho1+ 5

Xác suất tương tác Compton tăng một cách tuyến tính với nguyên tử số củachất gây tán xạ và giảm chậm khi tăng năng lượng của photon [3]

Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu dụng vào năng lượng trong hiệu ứng Compton códạng khác nhau tùy theo vùng năng lượng của lượng tử gamma.

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện tán xa Compton vào năng lượngcua gamma:

|v i fy eat |

TT ` 'A A-4 lower | | ị

e (electron)

Hình 1.6: Quá trình tạo cặpSự phụ thuộc của tiết điện tao cặp vào năng lượng của photon gamma biểudiễn băng đồ thị sau [7]:

II

E, (MeV)

Hình 1.7: Sự phụ thuộc của tiết diện tao cặp vào năng lượng E,Ngoài ra do e* và e' được sinh ra trong điện trường cua hạt nhân nên e* bịđây ra xa hạt nhân còn e' bị làm chậm lại Do đó phố năng lượng do được sẽ khácnhau với 2 loại hạt này Sự khác nhau càng tăng với hạt nhân có nguyên tử số Z lớnvì ở đó tác dụng của hạt nhân lên hai loại hạt ây mạnh mẽ hơn, nên sự lệch của phonăng lượng rõ hon.Tiét diện thành phan và tiết diện tổng hợp của cả ba quá trìnhđược giới thiệu trên hình 1.8.

1.3 Sự suy giảm của chùm bức xa gamma khi đi qua vậtchât

Khi một chùm tia gamma xuyên qua một lớp vật chất nào đó thì nó sẽ tươngtác với vật chất và bị suy giảm cường độ [7]

Lượng bức xạ bị hấp thụ phụ thuộc:

+% Luong bức xa gamma tới.

+ Mật độ của lớp vật chat mà nó đi qua.+ Chiều dày lớp vật chat đó

Quang điện | | Tạo cặp >

1.3.1 Sự suy giảm của chùm gamma hẹp

Xét chùm gamma hẹp truyền vuông góc với một lớp vật chất dày x, sự tươngtác của bức xạ gamma với vật chất có đặc trưng sau: Mỗi một photon tách ra khỏichùm tới bởi một hành động tương tác đơn độc tức là một photon sẽ tách ra khỏichùm tia khi nó tương tác với vật chất (bị vật chất hấp thụ) Do đó SỐ photon tách rakhỏi chùm tia AN sẽ tỉ lệ với chiều dày lớp vật chat Ax và tỉ lệ với số photon tới N

AN = —-y.N Ax (1.3.1)

u: hệ số làm yếu hay hệ số hap thụ

13

Mà năng lượng của các photon là như nhau — số photon sẽ tỉ lệ với cườngđộ dòng bức xạ.

Chùm tới Chùm truyền qua

I

AAAI

l4 + Ý $

AAA

Hình 1.9: Sự suy giảm của chùm gamma khi di qua vật chat

1.3.2 Sự suy giảm của chùm gamma rộng Hệ số tích luỹ

Khi lượng tử gamma di qua vat chất dưới dạng một chùm bức xạ rộng, trong

thành phan cua chum ngoài các tia di thang, còn có các thành phân tán xạ [10] Viphương trình hấp thụ đơn giản được dựa trên giả thuyết rằng bức xạ tán xạ hoàn

toàn tách ra khỏi chùm.

Tuy nhiên trong thực tế không hoàn toàn như vậy, đặc biệt trong vật chất cóđộ dày lớn Đối với lớp chắn mỏng phương trình trên có giá trị vì: Xác suất để bứcxạ tán xạ tới điêm quan sát (hoặc dau dò) sau một lần va chạm là rat nhỏ Ngược lại

đối với lớp dày thì một số bức xa tán xạ sẽ đến được đầu dò cùng với bức xạ không

bị làm yếu Vì thé, cường độ đo được của bức xạ sau khi đi qua lớp chăn sẽ cao hơn

đáng ké so với cường độ được tính toán qua phương trình hap thụ đơn giản [10]

Hiện tượng nêu trên được biết đến như hiện tượng tích luỹ bức xạ do tấn xạnhiều lần Vì vậy trong thực tế phương trình hấp thụ cần được thay đổi băng cáchđưa thêm một hệ số mới được gọi là hệ số tích luy (Buildup), ký hiệu là

trình hap thụ đơn giản.¥ Đối với chùm rộng 8” (ho,Z,/x)>1 và nó phụ thuộc vào năng

lượng của tia gamma hv , nguyên tử số Z, và bề dày x của vậtliệu.

Do năng lượng hấp thụ không hoàn toàn tỷ lệ với tác động sinh học (vớicùng một liều lượng hấp thụ đối với các loại bức xạ khác nhau nhưng lại không gâycác tốn thương sinh học như nhau, hay nói cách khác cùng một hiệu ứng sinh họcnhưng đối với các loại bức xạ khác nhau cần có các liều hấp thụ khác nhau) nênngười ta phân biệt hệ số tích luỹ năng lượng và hệ số tích luỹ liều lượng

B? (hv,Z, ux) Khi đó ta có các biểu thức tương tự đối với liều lượng:

D=De “B”(hb.Z.,a) (143.5)

15

1.3.2.1 Hệ số hấp thụ tuyến tính

Trong phương trình hấp thụ 7 = T„e “thì wz là hệ số hấp thụ tuyến tính Hệ sốhấp thụ tuyến tính là phần bị giảm của cường độ tạo nên bởi đơn vị chiều dày hấpthụ Muốn thấy rõ hơn ý nghĩa của hệ số hấp thụ ta xem xét trên khía cạnh khác Đểđơn giản ta xét chùm tia gamma song song cường độ Io (số photon có trong một đơnvị thời gian) đi qua một khối vật chất đồng nhất tiết diện 1cm? Sau khi đi qua chiều

dày x của vật chất, cường độ của chùm tia X còn lại lal Sự suy giảm này tuân theo

u(cm'!; m'): là sự hap thụ trên don vi chiều dày trên don vi tiết diện

Khoảng cach x, = + đôi khi còn được gọi là quãng chạy tự do trung bình củaphoton (vì khi x=x, thì I = lo tức là photon “chạy” trong quãng đường đó

1.3.2.2 Hệ số suy giảm khối

Đôi khi để tiện lợi người ta dùng đại lượng LL, = La thay cho wz (pla mật độ

fe)

của chat che chan) [10, 3] wz, được gọi là hệ số hap thụ khối Dùng hệ số suy giảmkhối có nhiều thuận lợi vì có thể áp dụng cho bất kỳ dạng nào (răn, lỏng, khí) củachất được khảo sát

Đơn vị của hệ số hấp thụ khối suy ra từ đơn vị của /(cem'}) và | S )

C

1.4 Cac don vi, khai niém trong an toan phong xa

1.4.1 Liéu hap thu

Liéu hap thu la nang luong bi hap thụ trên don vị khối lượng của đối tượngbị chiếu xạ Theo định nghĩa ta có [10]:

1.4.2 Suất liều hấp thụ

Suất liều hấp thụ [10] là liều hấp thụ tính trong một đơn vị thời gian:

17

P,=— 1.4.2w=“ (142)Trong đó, ADw: [J/kg] là liều hap thụ trong khoảng thời gian At.Don vị: W/kg hoặc rad/s hoặc Gy/s.

Nếu suất liều hấp thụ là một hàm của thời gian, khi đó liều hấp thụ sẽ đượctính bằng công thức:

Don vị của liều chiếu là Coulomb trên kilôgam (C/kg).Don vi ngoại hệ là Roentgen (R) Với | C/kg = 3876 R.

A

D,= S44)

Ở đây, Den là liều chiếu của tia X hoặc gamma, AQ (€) là điện tích xuất hiệndo sự ion hóa không khí trong một khối thé tích và Am (kg) là khối lượng khôngkhí của thể tích này

1.4.4.Suất liều chiều

Suất liều chiếu [10] là liều chiếu tính trong một đơn vị thời gian

P, =—* 1.4.5

O day, Pen là suất liều chiếu, ADcn là liều chiếu của tia X hoặc gamma, At làkhoảng thời gian để có được liều chiếu trên

Don vi: Ampe trên kg (A/kg) hoặc R/s.

1.4.5 Liều tương đương

Liều hấp thụ rất tiện lợi về mặt vật lý nhưng lại không tiện lợi về mặt sinhhọc Cùng một liễu lượng hấp thụ đối với các loại bức xạ khác nhau nhưng lại

không gây ra các ton thương sinh học như nhau Nói cách khác, cùng một hiệu ứngsinh học nhưng đối với các loại bức xạ khác nhau cần có các liều hấp thụ khác nhau.

Sự khác nhau về hiệu ứng sinh học ở cùng một liều hap thụ có thé hiệu chỉnhbăng hệ số chất lượng wr Hệ số này phản ánh kha năng gây ra hỏng hóc của mộtloại bức xạ, wr càng lớn, khả năng này cảng mạnh Bảng sau cho biết hệ số w vớimột số loại bức xạ:

Bảng 1.1: Hệ số WR với một số loại bức xạ từ ICRP 103 (2007)

Ay, = wy.D,,

Irem= lrad wrđH;,

Suat liều tương đương P., = 7

t

O day P,,, là liều hap thụ trung bình của bức xa r trong mô hoặc cơ quan T.Khi trường bức xạ gom nhiều loại bức xa với những giá trị khác nhau củatrọng số phóng xạ wr thì liều tương đương được tính bởi [10, 4,20]:

H,= My D,.,

Don vị của liều tương đương là J/kg, rem hoặc Sievert (Sv) với 1 Sv=100

rem

19

1.4.6 Liêu hiệu dung

Liều hiệu dụng là tổng của những liều tương đương ở các mô hay cơ quan,mỗi một liều được nhân với hệ số trọng lượng của tổ chức tương ứng (tissueweighting factor) [10, 4]:

Với Wr là trong số mô cho từng cơ quan

Dr, là liều hap thụ trung bình trong mô hoặc cơ quan, đối với bức xạ r Donvị của liễu hiệu dụng là J/Kg hoặc Sievert (Sv)

Bảng 1.2: Các trọng số mô đặc trưng cho các mô trong cơ thé Wr (1990)

Cơ quan hoặc mô Wr

Co quan sinh duc (gonads) 0,20

Tuy xuong (bone marrow) 0,12

a hệ giữ đơn v

Tên đại lượng Ký hiệu Quan hệ gi đo mac nụ

hệ SĨ ngoại hệĐộ phóng xạ A Bq Ci 1Ci=3.7.10°° BqLiéu hap thu Dut J/kg; Gy Rad 1Gy=11/kg=100Rad/kg

Suất liều hấp thụ Dit J/kg.s; Gy/s Rad/s 1Gy/s=100Rad/s=1W/kgLiều chiếu xạ (tia X và ) Den C/Kg R 1R=2.58.10°C/kg

Suất liều chiếu xạ Dạ C/kg.s = A/Kg R/s IR/s=2.58§.1 07 AKg

1S=1Gy.Q.N

Liêu tương đương Dịa Sv Rem

1Rem=1Rad.Q.N

1.5 Mức chiều xa được phép giới han

Nhiệm vụ chủ yếu của việc bảo vệ chồng bức xa ion hóa là không để sựchiếu xa trong và ngoài lên cơ thể có thể vượt quá liều lượng được phép giới hạn,nhằm phòng ngừa các bệnh thân thé và di truyền của con người Liều lượng đượcphép giới hạn (LLĐPGH) [10] thường được coi là mức chiếu xạ hàng năm của mộtnhân viên, khi liều lượng được tích lũy đều đặn trong vòng 50 năm không gây ranhững biến đối bat lợi có thé phát hiện bằng các phương pháp hiện đại về tình trạngsức khỏe của bản thân nhân viên bị chiếu xạ và con cháu của người đó

Khuyến cáo mới nhất của ICRP là khuyến cáo năm 1991 (ICRP Publication60; 1991) Các tiêu chuẩn quốc gia quy định trong các luật sử dụng về an toànphóng xạ của các nước trên thế giới hiện nay đều dựa trên khuyến cáo này Bảng

1.4 cho biết liều giới hạn do ICRP đưa ra qua các thời kỳ [10]:

Bảng 1.4: Giới hạn liễu qua các thời kỳ của ICRP

Năm | Cho nhân viên bức xạ | Cho dân chúng1925 5200 mSv/năm

1934 3600 mSv/năm1950 150 mSv/năm 15 mSv/năm1957 50 mSv/nam 5 mSv/nam1990 20 mSv/nam 1 mSv/namĐối với tat cả các co quan và mô (trừ toàn thân, tuyến sinh dục và tủy xươngđỏ), LLDPGH của sự chiếu trong và ngoài không được vượt quá các giá trị đưa ratrong bang 1.5.

Bang 1.5: LLDPGH mot quy hoac mot nam

LLĐPGH (mSV)Co quan hoặc mô

Một quý Một nămToàn thân tuyến sinh dục tủy xương đỏ 12 20Các cơ quan riêng biệt bất kỳ (trừ tuyến sinh dục, 32 60

tủy xương đỏ, mô xương tuyến giáp và da)Mô xương tuyến giáp và da của toàn cơ thé (trừ da,

z ` TA 60 120

ban tay, cang tay va chan)Ban tay, cang tay, ban chan 160 300

23

Sự tiến triển trong che chan là từ những thập kỷ trước chiến tranh thế giớithứ II Bao gồm sự xem xét phân tán tia X, cải tiến trong kỹ thuật che chắn như điệnáp ống tia X, sử dụng kính bảo hộ (có khoảng 0,25mm chì) và tạp dé (0.5mm chi)cho phép nghiệm huỳnh quang, các chi tiết kỹ thuật phần che chăn xung quanh ốngdan và cau trúc che chan phòng điều hành Suốt thời kỳ chiến tranh thế giới thứ IIcó sự nghiên cứu về phân hạch hạt nhân, chương trình vệ sinh công nghiệp đượcthành lập để chống các chất mới độc hại như plutoni và urani Dén những năm1940, tam quan trọng của tia gamma phân tán được biết đến một cách chính xácbăng thiết bị đo lường, và dùng giới hạn hệ số tích lũy để đặc trưng tầm quan trọngtương đối của tia gamma phân tán hay không phân tán Che chăn phóng xạ thời kỳchiến tranh chủ yếu là từ kinh nghiệm và những quy tắc thủ công.

Thập kỉ của những năm 1950 là sự tiến bộ trong phương pháp vận chuyền tiagamma cho phép tính toán hệ số tích lũy trong xử lý hạt photon phân tán Tất cảnhững thành công của kỹ thuật này có thể thiết kế cho lò phản ứng hạt nhân trướckhi phố biến việc sử dụng những máy tính kỹ thuật số Chương trình NERVA(Nuclear Energy for Rocket Vehicle Applications) bắt đầu năm 1955 dưới sự tài trợcủa NASA và Ủy ban năng lượng nguyên tử Trong nỗ lực hợp tác với Sở tiêuchuẩn, Goldstein và Willkins 1954 dùng máy tính kỹ thuật số SEAC một cách triệtđể đánh giá pho năng lượng và hệ số tích lũy cho nhiều vật liệu và dải rộng củanăng lượng photon Cách dùng hệ số tích lũy trong thiết kế che chan và phân tích lànhững phương pháp nội suy tao ra bởi Taylor 1954, Berger 1956, Capo 1959.Phương pháp tinh toán mô phỏng vận chuyền bức xa Monte Carlo có nguồn gốc làcông việc của John Von Neumamn và Stanislaw Ulam ở Los Alamos năm 1940.Tính toán vận chuyển neutron được thực hiện năm 1948 dùng máy tính kỹ thuật sỐENIAC bắt đầu hoạt động năm 1945.

Thập ký những năm 1960 cho thấy sự bắt đầu của chương trình Apollo, tiếptục của chương trình NERVA Sự tiễn triển nhanh của máy tính kỹ thuật số chophép giới thiệu nhiều mã máy tinh cho bản thiết kế che chan và thúc day việc giảiquyết phương trình vận chuyên Boltzmann cho tia gamma và neutron

Ở thập kỷ những năm 1970 thì thiết kế và phân tích tiếp tục chú ý đến nhữngmã cho sự tính toán tới hạn và vận chuyển neutron Mã MCN được trộn với maMCG năm 1973 thành mã giải quyết vận chuyển cho neutron - photon Sự kết hợpvới mã MCP năm 1977 tạo thành mã MCNP cho vận chuyển photon ở năng lượngthấp IKeV

Thập ky những năm 1980 va 1990 cho thấy sự hợp nhất những tài liệu chocông việc thiết kế và phân tích Năm 1980, máy tính cá nhân cho phép thực hiệnnhững phương pháp như tính toán điểm hạt đã được lập trình Năm 1990 thì máytính cá nhân được nâng cấp phần cứng đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe nhấtcủa thiết kẽ che chan.

25

Thời kì này cũng có nhiều cải tiến cho mã vận chuyển và thuật toán Ví dụFortran 77 năm 1983 đến Fortran 90 năm 2003 Phiên bản MCNF-5 tách raMCNPX với khả năng xử lý 34 loại hạt với năng lượng trên 150MeV [1].

Tiến sĩ J Ernest Wilkins, sinh 27 Tháng 11 năm 1923 ở Chicago, Illinois.Một trong những thành tựu quan trọng của Wilkins đã được sự phát triển của bức xạche chan chống lại bức xạ gamma phat ra trong quá trình phân rã điện tử của mặttrời và các nguồn hạt nhân khác Ông đã phát triển các mô hình toán học mà sốlượng bức xạ gamma được hấp thụ bởi một vật chất nhất định có thé được tính toán.Kỹ thuật này có tính hấp thụ bức xạ được sử dụng rộng rãi trong số các nhà nghiêncứu trong không gian và các dự án khoa học hạt nhân.

Trung tâm nghiên cứu NASA đã thiết kế hệ thống che chăn bức xạ dùng hạtnano, ghép một hoặc hai sợi có cầu trúc nano (carbon nanostructure - CNS) nhúngtrong một ma trận kim loại tạo một loại vải bảo vệ bức xạ Che chăn nhân viên vàthiết bị điện tử trên tàu không gian không bị thiệt hại do tia gamma, tia X, tia cựctím, neutron, proton Với ưu điểm là nhẹ, linh hoạt, và chỉ phí vật liệu che chănthấp đa chức nang, che chăn bức xạ phức tap trong môi trường của nhiều nguôồn bức

xạ, không dẫn điện và dẫn nhiệt

Aaron E Craft, Isadore Silver, and Collin Clark, vào 15 thang 9, 2011 đãthiét ké che chan hé thong điện phân hạch hạt nhân dé sản xuất ôn định 40 kilowattđiện trên bề mặt mặt trăng, với lớp che chăn B - H2O hay 3 lớp che chăn (bộtnguyên liệu BaC/ tungsten/B-H2©); boron carbide, borated water, lithium hydride,TMAB (tetramethy- lammonium borohydride) (C4H16NB)

Trong bai báo cáo tong kết các sản phẩm của hãng Shieldwerx thì đưa ra giảipháp che chăn lò phản ứng hạt nhân dùng các vật liệu: 1% Bo-polyethylen, 5% Bo-polyethylen, 0.7% Bo- polyethylen, 7.5% Liti-polyethylen, Bo-silicon, chất chốngnhiệt.

Phát minh ra vật liệu che chắn bức xạ gamma HYBRID POLYMERGAMMA-RAY (HGD) là Miss Sukran CAN Thông thường các tam chi day đượcsử dụng để che chắn bức xạ Gamma Tuy nhiên, bắt lợi quan trọng nhất chính là độchại cho con người và môi trường Vật liệu này nhẹ hơn khoảng 4 lần so với chì Nó

đàn hồi, dé dang hơn dé định hình, không độc hại và thân thiện với môi trường Mật

độ chi là 11,34 g/cm và mật độ của HGD chỉ có 2,63 g/cmở Trung tâm đang

nghiên cứu dé giảm độ dày từ 13cm xuống mức thấp nhất Nó có thé được sử dụngđể bảo vệ máy tính của máy bay và máy tính của các nhà máy điện hạt nhân, nhiênliệu hạt nhân, và các thiết bị điện tử quan trọng, vé tinh quan trọng và tram khônggian.

Kỹ thuật che chăn bức xạ Radiation Shielding Technologies (RST) là trungtâm dẫn đầu trên thế giới trong nghiên cứu, thiết kế và sản xuất dụng cụ cá nhânchồng lại ion hóa và phóng xạ hạt nhân Vi dụ như quân áo, gang tay, mũ, khẩutrang Kevin Helle, Jay Reed, Michael T Schneider (Đức) Các sáng chế liên quanđến lĩnh vực của container Cụ thể hơn, sảng chế hiện nay là hướng tới thùng chứacó bảo vệ cho thuốc phóng xạ Một container thường bao gồm một lớp vỏ bênngoài, vỏ bên trong, và một thùng chứa sản phẩm

Sáng chế năm 2003 của David B Mossor (ở 908 W Main St., Harrisville,WV 26362) va Ernest Seth (6 P.O Box 15, Harrisville, WV 26362) Linh vuc cuaphát minh sáng chế liên quan đến hệ thống tường Do có một nhu cau rất lớn chocác hệ thông tường di động ngăn ngừa hoặc giảm thiểu bức xạ phát ra từ một lòphản ứng hạt nhân hoặc từ các sản phẩm kích hoạt kết quả từ hoạt động lò phản ứngbởi vì các công nhân thường phải đi vào các khu vực của bức xạ cao để thực hiệnyêu cầu bảo trì, kiếm tra hoặc sửa chữa Ngoài ra, thanh tra liên bang yêu cầu cácnhà máy điện hạt nhân đòi hỏi phải truy cập đến các khu vực quan trọng trong nhàmáy Vì vậy, cần một hệ thống che chan có thé dễ dang di động từ một dia điểmkhác.

Hans Georgii (Luân Đôn): Sáng chế liên quan đến một thiết bị container lưutrữ vật liệu nguy hiểm, đặc biệt là một vật liệu tạo ra nhiệt, chăng hạn như nhiênliệu phóng xạ cho các lò phản ứng hạt nhân Thiết bị bao gồm một khối containerhình trụ, trong đó có một trục trung tâm và một trụ bê tông bao quanh.

Peter Teleki (Dunaujvaros, HU) năm 1989: Sáng chế là một cấu trúc chechan tia X và bức xa gamma Thông thường, cấu trúc tường làm băng một kim loạihấp thụ cao, chang han nhu chi, duoc su dung dé che chắn tia X hoặc bức xa

27

gamma Bề dày của các cau trúc tường được lựa chọn theo yêu cầu của sự suy giảmbức xạ Sáng chế liên quan đến một cấu trúc vật liệu khác nhau được kết hợp trongxây dựng nhiều lớp Lớp đầu tiên có thể bao gồm uranium, chì, vàng, bạch kim,iridium, osmium, reni, vonfram và (hoặc) tantalum, trong khi lớp thứ hai có thể baogom thiéc, indidm, cadmium, bac, palladium, rhodium, ruthenium, molypden va

(hoặc) Nb Nếu có một lớp thứ ba, nó có thé bao gom kém, đồng, niken, coban, sắt,

mangan, crồm, vanadi và (hoặc) titan H.Ngadda Yakubu đã áp dụng chương trìnhPENELOPE version 2003 ở những nghiên cứu vận chuyền hạt photon trong nhữngtam chì và nhôm [6]

Dash Sayala, PhD, Chủ tịch, Khoa học và Ứng dụng Công nghệ, Virginiatrong liên kết với sản xuất toàn cầu, sáng tạo kỹ thuật tường che chan thiết bị y tếbang cách sử dụng mô hình MCNP4C (phân tích bởi Phòng thí nghiệm quốc giaOak Ridge, 2004) Các thông số đầu vào: điểm nguồn Cf - 252 tại 2 MeV, chất thảithùng hình trụ với chiều dài bên trong là 73 inch, bên trong có đường kính 42 inch,độ dày tường 6 inch, độ dày dưới 6 inch, và độ dày trên 4 inch Suất liều do ở bênngoài bé mặt xi lanh Nguồn bức xa là ở trung tâm của các thùng hình trụ [17]

Hefne JAMEEL, Al-Dayel OMAR, Al-horayess OKLA, Bagazi ALI, Ajyan TURKI ở trung tâm thành phố Khoa học công nghệ -A rap xê-út đã nghiêncứu che chan bức xa gamma bằng cát trăng, vật liệu làm bang cát Xê-út trang và đỏ.Mỗi lá chăn bao gồm một phan xi mang, hai phần cát cộng thêm nước, sử dụngMCNP4B để tính toán hệ số suy giảm [9]

AI-Insoo Jun dùng mã MCNP (X) trong nghiên cứu che chăn các thiết bị điện tửtrong môi trường có bức xạ.

2.2 Ky thuật bảo vệ chong bức xa

Ba giải pháp quan trong nhăm giảm thiểu tác hại của bức xạ bao gồm: giảmthời gian tiếp xúc với chất phóng xạ, giảm khoảng cách tới nguồn và che chan bangvật liệu cản xạ.

2.2.1 Thời gian chiếu xạ

Liều bức xạ D tỉ lệ với suất liều D’ và thời gian chiều t trong trường bức xạ:

D=D tt (2.2.1)Déi voi nguon phóng xa có hoạt độ xác định, để giảm liều hấp thụ tới mứccho phép, can phải giảm thời gian tiếp xúc với nguồn bức xạ nghĩa là công việctrong môi trường bức xạ cần phải được tiễn hành một cách nhanh chóng và hiệuquả.

2.2.2 Khoảng cách tới nguồn

2.2.2.1 Nguôn điểm

Ở các khoảng cách khá xa nguồn, trong nhiều trường hợp có thé coi nguồncó dạng nguồn điểm Giả sử nguồn có hiệu suất Q là số hạt photon phát ra trong 1s.Khi đó trên diện tích 1m? ở cách nguồn khoảng cách là r có số photon đi qua trong

Is là:

p-2 2 (2.2.2): Ss 5 4Zr.r7

ó : thông lượng bức xạ, có thứ nguyên là m”.s'!

Nhu vậy thông lượng photon tại một vi trí tỉ lệ nghịch với bình phươngkhoảng cách tính từ nguồn

Ngoài thông lượng hạt người ta còn sử dụng khái niệm thông lượng nănglượng y Giả su photon có năng lượng là E, khi đó thông lượng năng lượng wđược xác định như sau:

29