Tính toán phân bố liều trong thùng hàng chiếu xạ và xây dựng phần mềm xác định chế độ chiếu xạ trên thiết bị

Tính toán phân bố liều trong thùng hàng chiếu xạ và xây dựng phần mềm xác định chế độ chiếu xạ trên thiết bị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Đặng Thị Minh Huệ TÍNH TỐN PHÂN BỐ LIỀU TRONG THÙNG HÀNG CHIẾU XẠ VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CHIẾU XẠ TRÊN THIẾT BỊ SVST Co -60/B Chuyên ngành : Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân Năng lượng cao Mã số : 604405 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC TS TRẦN VĂN HÙNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2010 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Trần Văn Hùng, Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ Thành phố Hồ Chí Minh hướng dẫn, giúp đỡ, sửa chữa có dẫn quý báu suốt trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình, tạo điều kiện thuận lợi đóng góp nhiều ý kiến bổ ích Th.S Cao Văn Chung, Nguyễn Anh Tuấn lãnh đạo, tập thể Phòng vận hành, Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ Thành phố Hồ Chí Minh Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo giảng dạy thời gian đào tạo chuyên ngành trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh Xin chân thành cảm ơn Khoa Vật lý, Phòng Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh giúp đỡ thời gian học trường Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Sở Giáo dục Đào tạo Phú Yên, Trung tâm Kỹ thuật Tổng hợp Hướng nghiệp Sông Hinh tạo điều kiện thời gian suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Tác giả Đặng Thị Minh Huệ MỞ ĐẦU Công nghệ xạ môn khoa học mới, nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng vật lý, hóa học, sinh học số hiệu ứng khác xạ truyền lượng cho vật chất Ngày công nghệ xạ phát triển cách mạnh mẽ, với tốc độ tăng trưởng cao khoảng 15-20% chí có nơi đến 25% Việt Nam Năm 1980 Việt Nam có sở chiếu xạ Hà Nội, dùng để xử lý chống nẩy mầm hành khoai tây, năm 1999 thêm sở chiếu xạ lớn Thành phố Hồ Chí Minh dùng để khử trùng dụng cụ y tế, đông nam dược thực phẩm Hiện Việt Nam có sở chiếu xạ dạng cơng nghiệp, có sở dùng máy gia tốc electron, sở dùng nguồn Co-60 tương lai vào năm 2010 đưa tiếp vào vận hành máy gia tốc electron 10MeV Thành phố Hồ Chí Minh Theo nhu cầu phát triển kinh tế, Sở Khoa học thành phố Đà Nẵng, tỉnh Bình Thuận có dự án xây dựng nhà máy chiếu xạ để phục vụ nhu cầu xử lý tỉnh vùng lân cận Có thể nói, nhu cầu xử lý thực phẩm, rau phục vụ xuất sản xuất, chế tạo vật liệu ngày cao Việc gia tăng ngày mạnh mẽ ứng dụng cơng nghệ xạ, địi hỏi vận hành an tồn thiết bị, xác định liều chiếu xác cho loại đối tượng hàng vấn đề cần thiết; đại lượng liều, liều trung bình sản phẩm theo mật độ hàng hóa khác cần phải xác định Chính vậy, đề tài “Tính tốn phân bố liều thùng hàng chiếu xạ xây dựng phần mềm xác định chế độ chiếu xạ thiết bị SVST Co-60/B” nhằm mục đích Khi tia gamma nguồn xạ Co-60 (với lượng 1173keV 1332 keV) vào vật chất cần chiếu xạ, chúng bị suy giảm phân bố lượng (liều chiếu xạ) sản phẩm phụ thuộc vào mật độ sản phẩm chiếu xạ Đối với thiết bị chiếu xạ SVSTCo-60/B, thùng chứa sản phẩm chiếu xạ có kích thước 48 x 48 x 85 cm ; tùy thuộc mật độ ρ (g/cm3) sản phẩm xếp thùng hàng liều chiếu yêu cầu sản phẩm, cần phải có thời gian chiếu xạ thích hợp Chính vậy, mục đích nghiên cứu đề tài xác định vị trí liều Dmin, Dmax liều trung bình thùng hàng chiếu xạ theo mật độ hàng khác nhau, thiết bị chiếu xạ SVST Co-60/B dùng nguồn Co-60, từ xác định thời gian chiếu xạ cần thiết theo liều u cầu Cũng sở tính tốn xác định liều cực tiểu ( Dmin ) liều cực đại (Dmax) theo mật độ sản phẩm chiếu xạ, viết phần mềm xác định thời gian chiếu xạ, biết liều cần chiếu xạ, mật độ sản phẩm cho nhân viên vận hành sử dụng Xác định liều Dmin Dmax phân bố liều sản phẩm có ý nghĩa thực tiễn Với đối tượng hàng chiếu xạ cần có giá trị liều cực tiểu để tiêu diệt vi sinh vật, đồng thời không nên chiếu xạ liều cao làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Các nhân viên vận hành luôn cần phải biết đại lượng từ tính tốn đưa thời gian chiếu xạ cần thiết Việc nghiên cứu tiến hành thiết bị SVST Co-60/B Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ thành phố Hồ Chí Minh; với cấu trúc thùng hàng 48 x 48 x 85 cm chứa đầy vật chất chiếu xạ Tuy nhiên, kết tính tốn phương pháp thực áp dụng cho thiết bị chiếu xạ dùng nguồn Co-60 khác Từ mục tiêu đề tài đặt cần phải tiến hành nghiên cứu tính tốn vấn đề sau : - Dùng chương trình MCNP(Monte Carlo N-Particle), phần mềm nghiên cứu xạ đa dựa phương pháp Monte – Carlo xây dựng phòng thí nghiệm quốc gia Los – Alamos, Mỹ để tính phân bố liều không gian thùng hàng chiếu xạ, từ xác định vị trí liều Dmin Dmax cho mật độ ρ (g/cm3) : 0,15 ; 0,2 ; 0,3 ; 0,4 ; 0,5 - Từ tính tốn phân bố liều xác định liều trung bình theo mật độ - So sánh kết tính tốn với kết thực nghiệm - Viết chương trình tính thời gian chiếu xạ biết mật độ ρ (hay khối lượng hàng thùng hàng ) cường độ nguồn liều yêu cầu chiếu xạ Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BỨC XẠ 1.1.Nguồn chiếu xạ Cobalt 60(Co60) 10 , 13 , 15 Các máy chiếu xạ sử dụng nguồn Co60 chế tạo sử dụng rộng rãi giới từ năm 50 ưu điểm bật nguồn phóng xạ thiết bị: - Chế tạo nguồn Co60 không phức tạp dễ dàng chế tạo nguồn với hoạt độ lớn người ta thiết kế xây dựng lị phản ứng có thơng dịng mật độ neutron nhiệt cao dùng để biến Co59 thành Co60, công nghệ chế tạo xử lý an toàn - Nguồn Co60 dễ dàng bảo quản, không gây ô nhiễm cho mơi trường đặc tính Co60 kim loại (khác với Cs137 dạng bột) che chắn phóng xạ đơn giản nhờ nước thường bê tông Phương tiện kỹ thuật ngày cho phép vận chuyển nguồn Co60 với hoạt độ cao yếu tố quan trọng đảm bảo tính thương mại nguồn loại - Nguồn Co60 có chu kỳ bán rã lớn (5,27 năm), khả xuyên sâu cao tia gamma cho phép sử dụng chúng để chiếu xạ hàng hóa có mật độ cao, kích thước lớn - Do thuộc tính an tồn nguồn Co60 chế tạo, sử dụng, bảo quản vận chuyển mà việc chế tạo máy chiếu xạ, thiết bị đảm bảo an toàn trở nên dễ dàng có kinh tế - Chiếu xạ sử dụng tia gamma nguồn Co60 có khả xử lý nhiều mặt hàng có hiệu kinh tế cao so với phương pháp xử lý thông thường khác - Việc chiếu xạ khử trùng vật phẩm y tế trùng mặt hàng thực phẩm tổ chức quốc tế FAO, WHO IAEA nhiều nước giới chấp nhận phát triển Các thiết bị chiếu xạ Co60 ứng dụng để khử trùng; giảm độ nhiễm vi sinh; diệt mối, mọt, nấm, chống nẩy mầm; biến tính vật liệu dùng cho Nghiên cứu-Triển khai Các sản phẩm xử lý thiết bị gồm: Các vật phẩm y tế bông, băng gạc, dây truyền dịch, bơm tiêm lần, dụng cụ phẫu thuật, trang thiết bị dùng y tế, mô ghép, máu, v.v.; dược phẩm, nguyên liệu dùng dược phẩm, nguyên liệu dùng mỹ phẩm; vật liệu polymer, v.v.v Trên sở liệu thấy việc ứng dụng cơng nghệ chiếu xạ nước ta phù hợp với xu chung cần có bước phát triển tiếp theo, đặc biệt nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy chiếu xạ dùng nguồn Co60 1.2.Tương tác gamma với vật chất 3 Bức xạ gamma có chất sóng điện từ, photon lượng E cao hàng chục keV đến hàng chục MeV Khi xạ gamma vào vật chất bị vật chất hấp thụ tương tác điện từ Tương tác lượng tử gamma với vật chất không gây tượng ion hóa trực tiếp hạt mang điện Tuy nhiên, gamma tương tác với nguyên tử, làm bứt electron quỹ đạo khỏi nguyên tử hay sinh cặp electron-positron, electron gây ion hóa mơi trường Có ba dạng tương tác gamma với nguyên tử hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton hiệu ứng tạo cặp 1.2.1.Hiệu ứng quang điện Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo nguyên tử, gamma biến lượng gamma truyền tồn cho electron quỹ đạo để bay khỏi nguyên tử Electron gọi quang electron Quang electron nhận động Ee hiệu lượng gamma vào E lượng liên kết  lk electron lớp vỏ trước bị bứt Ee = E – εlk (1.1) Hiệu ứng quang điện không xảy electron khơng bảo đảm quy luật bảo tồn lượng động lượng Thực vậy, hiệu ứng quang điện xảy electron tự từ định luật bảo tồn lượng, động lượng ta có: E  m0 c ( 1   1) m c E  c 1  (1.2) (1.3) v c Trong   , m0  9,1.1031 kg , c  3.108 m / s Từ (1.2) rút E   1 2 m0c 1  1  (1.4) Phương trình có hai nghiệm    1 Giá trị   cho nghiệm tầm thường Ee = nghiệm  1 ý nghĩa electron có khối lượng khác khơng Như muốn có hiệu ứng quang điện electron phải liên kết nguyên tử Hơn muốn hiệu ứng xảy ra, lượng tia gamma phải lớn lượng liên kết electron để thỏa mãn biểu thức (1.1), khơng lớn q coi electron gần tự Hình 1.1.Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy electron lớp K với tiết diện lớn nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) vùng lượng cao, cịn nguyên tử nhẹ (chẳng hạn thể sinh hoc) hiệu ứng quang điện xuất đáng kể vùng lượng thấp 1.2.2.Hiệu ứng Compton Khi tăng lượng gamma đến giá trị lớn nhiều so với lượng liên kết electron lớp K ngun tử, vai trị hiệu ứng quang điện khơng cịn đáng kể bắt đầu hiệu ứng Compton Tán xạ Compton tán xạ đàn hồi gamma vào với electron chủ yếu quỹ đạo nguyên tử Sau tán xạ lượng tử gamma thay đổi phương bay bị phần lượng cịn electron giải phóng khỏi nguyên tử Hình 1.2 Hiệu ứng Compton Trong kết hiệu ứng Compton, thay cho phôton sơ cấp với lượng E xuất photon bị tán xạ với lượng Eγ’