thiết kế chương trình tính suất liều chiếu của nguồn bức xạ ion hóa có dạng hình học trụ đặc

Khóa luận tốt nghiệp 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC BẢNG 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5 LỜI MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG 1 : AN TOÀN BỨC XẠ ION HOÁ 8 1.1.Các đơn vò, khái niệm trong an toàn phóng xạ 8 1.1.1. Liều hấp thụ 8 1.1.1.1. Đònh nghóa 8 1.1.1.2. Đơn vò 8 1.1.1.3. Tính chất 8 1.1.2. Suất liều hấp thụ 8 1.1.3. Liều chiếu 9 1.1.4. Suất liều chiếu 9 1.1.5. Liều tương đương 9 1.1.6. Liều hiệu dụng 11 1.2. Mức chiếu xạ được phép giới hạn 12 CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG THỨC GIẢI TÍCH TÍNH SUẤT LIỀU CỦA NGUỒN BỨC XẠ ION HÓA CÓ DẠNG TRỤ ĐẶC 15 Khóa luận tốt nghiệp 2 2.1. Tính suất liều của nguồn gamma dạng hình học trụ đặc không che chắn 15 2.1.1. Không xét đến sự tự hấp thụ 15 2.1.1.1. Suất liều tại điểm bất kỳ nằm trên trục và ở trong thể tích nguồn, cách mặt đáy một khoảng h 1 16 2.1.1.2. Suất liều tại điểm nằm ở tâm của các mặt đáy của hình trụ 17 2.1.1.3. Suất liều tại điểm bất kỳ nằm trên trục và ở ngoài thể tích nguồn, cách mặt đáy một khoảng h 3 19 2.1.1.4. Suất liều tại điểm bất kỳ trên mặt phẳng đáy cách tâm một khoảng R 0 20 2.1.1.5. Suất liều tại điểm bất kỳ ở ngoài thể tích nguồn 24 2.1.1.6. Suất liều tại điểm bất kỳ nằm trên vành tròn của các mặt đáy 28 2.1.2. Xét đến sự tự hấp thụ 30 2.1.2.1. Điểm đang xét nằm trong thể tích nguồn 30 2.1.2.2. Điểm đang xét nằm ngoài thể tích nguồn và hình chiếu của điểm đó lên mặt phẳng Oxy nằm ngoài hình chiếu của nguồn 30 2.1.2.3. Điểm đang xét nằm ngoài thể tích nguồn và hình chiếu của điểm đó lên mặt phẳng Oxy nằm trong hình chiếu của nguồn 33 2.2. Tính suất liều của nguồn gamma dạng hình trụ đặc có che chắn 34 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của sự che chắn bức xạ gamma 34 Khóa luận tốt nghiệp 3 2.2.2. Tính suất liều của nguồn gamma dạng hình trụ đặc được che chắn 36 2.2.2.1. Khi tấm che dựng song song nguồn, tấm che vô hạn chiều có bề dày d 36 2.2.2.1.1. Không tính đến sự tự hấp thụ 36 2.2.2.1.2. Tính đến sự tự hấp thụ 37 2.2.2.2. Khi tấm che dựng vuông góc nguồn, tấm che vô hạn chiều có bề dày d 38 2.2.2.2.1. Không tính đến sự tự hấp thụ 38 2.2.2.2.2. Tính đến sự tự hấp thụ 40 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH SUẤT LIỀU CỦA NGUỒN TRỤ ĐẶC.43 3.1. Yêu cầu của chương trình 43 3.2. Sơ đồ khối tổng quát của chương trình 43 3.3. Các giao diện của chương trình 44 3.3.1. Tính liều chiếu của nguồn gamma không che chắn 44 3.3.2. Tính liều chiếu của nguồn gamma có che chắn 45 3.3.3. Tính bề dày của vật liệu che chắn 46 KẾT LUẬN 48 Phụ lục 1: Các hằng số của các nguồn phóng xa 49 Phụ lục 2: Các hằng số A 1 , α 1 , α 2 , δ D , µ của 1 số vật liệu che chắn 50 Khóa luận tốt nghiệp 4 Phụ lục 3: Kết quả của chương trình tính suất liều không sử dụng che chắn 51 Phụ lục 4: Kết quả của chương trình tính suất liều có sử dụng che chắn 52 Phụ lục 5: Kết quả của chương trình tính bề dày của vật liệu che chắn 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 Khóa luận tốt nghiệp 5 DANH MỤC CÁC BẢNG St t Ký hiệu Tên bảng Trang 1 1.1 Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ. (ICRP – 1990) 10 2 1.2 Các trọng số mô đặc trưng cho các mô trong cơ thể W T (1990) 11 3 1.3 Giới hạn liều qua các thời kỳ của ICRP 13 4 1.4 Liều lượng được phép giới hạn một quý hoặc một năm 14 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ St t Ký hiệu Tên hình Trang 1 2.1 Nguồn gamma dạng trụ đặc không che chắn 15 2 2.2 Suất liều tại điểm nằm trên trục và trong thể tích nguồn 16 3 2.3 Suất liều tại điểm nằm ở tâm các mặt đáy 18 4 2.4 Suất liều tại điểm nằm trên trục và ngoài thể tích nguồn 19 5 2.5 Suất liều tại điểm nằm trên mặt phẳng đáy cách tâm 1 khoảng R 0 21 6 2.6 Suất liều tại điểm bất kỳ nằm ngoài thể tích nguồn 25 7 2.7 Suất liều tại điểm bất kỳ nằm trên vành tròn của các mặt đáy 28 8 2.8 Quãng đường tự hấp thụ trong lòng nguồn hình trụ 31 9 2.9 Quãng đường tự hấp thụ trên mặt cắt ngang 31 10 2.10 Quãng đường tự hấp thụ của điểm nằm ngoài nguồn nhưng hình chiếu vẫn nằm trong hình chiếu của nguồn 33 11 2.11 Sự tự hấp thụ chùm gamma trong điều kiện chùm tia rộng 34 12 2.12 Suất liều nguồn trụ đặc khi được che dọc bởi tấm che có bề dày d 36 13 2.13 Suất liều nguồn trụ đặc khi được che ngang bởi tấm che 39 Khóa luận tốt nghiệp 6 có bề dày d 14 3.1 Giao diện tính suất liều không che chắn 42 15 3.2 Giao diện tính suất liều có che chắn 43 16 3.3 Giao diện tính bề dày vật liệu che chắn 44 17 3.4 Giao diện vẽ đường đẳng liều của nguồn trụ đặc không che chắn 45 18 3.5 Giao diện vẽ đường đẳng liều của nguồn trụ đặc có che chắn 46 Khóa luận tốt nghiệp 7 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm đầu thế kỷ 21, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học và công nghệ, con người ngày càng đào sâu nghiên cứu những ứng dụng mới, thực hiện những thí nghiệm mới. Có những thí nghiệm rất tốn kém, những thí nghiệm khác lại rất nguy hiểm. Do đó con người cần dự đoán trước kết quả thí nghiệm để phòng tráng những hao phí và tổn thất không đáng có. Mô phỏng là cách tốt nhất để thực hiện điều đó và đặc biệt là trong lónh vực hạt nhân. Tuy nhiên nếu chỉ làm việc trên máy mà không thực nghiệm thì kết quả cũng không chính xác. Do đó, chúng ta phải kết hợp giữa mô phỏng tính toán và thực nghiệm. Khóa luận này ra đời nhằm giải quyết một số vấn đề về mô phỏng lý thuyết và hy vọng rằng nó sẽ đem lại cho chúng ta những lợi ích thực tiễn đồng thời cũng là nền tảng cho những người đi sau có thể phát triển rộng hơn, sâu hơn về lónh vực mô phỏng. Trong khoá luận này chúng tôi chú ý đến nguồn bức xạ ion hóa có dạng hình học trụ, khai triển các công thức toán để tìm công thức giải tích cho việc tính suất liều và thiết kế bằng phần mềm Matlab. Khóa luận này trình bày 3 chương chính sau: Chương 1: trình bày lý thuyết về an toàn bức xạ ion hóa. Chương 2: Các công thức giải tích tính suất liều của nguồn bức xạ ion hóa có dạng trụ đặc. Chương 3: chương trình tính suất liều của nguồn trụ đặc. Kết luận : đánh giá chương trình, nêu những hạn chế và hướng phát triển của chương trình. Khóa luận tốt nghiệp 8 CHƯƠNG 1 AN TOÀN BỨC XẠ ION HÓA 1.1.Các đơn vò, khái niệm trong an toàn phóng xạ 1.1.1. Liều hấp thụ 1.1.1.1. Đònh nghóa Liều hấp thụ là năng lượng bò hấp thụ trên đơn vò khối lượng của đối tượng bò chiếu xạ. Theo đònh nghóa ta có: ht ΔE D = Δm (1.1) Trong đó, ΔE [J] là năng lượng của bức xạ mất đi do sự ion hóa trong đối tượng bò chiếu xạ, Δm [kg] là khối lượng của đối tượng bò chiếu xạ. 1.1.1.2. Đơn vò Đơn vò của liều hấp thụ là J/kg hoặc erg/g. 1 J = 10 7 erg Đơn vò ngoại hệ là rad : 1 rad = 100 erg/g. Ngày nay người ta thường dùng đơn vò Gray (Gy): 1 Gy = 100 rad. 1.1.1.3. Tính chất Giá trò liều hấp thụ bức xạ phụ thuộc vào tính chất của bức xạ và môi trường hấp thụ. Sự hấp thụ năng lượng của môi trường đối với tia bức xạ là do tương tác của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất. Do đó, năng lượng hấp thụ trong một đơn vò khối lượng phụ thuộc vào năng lượng liên kết của các electron với hạt nhân nguyên tử và vào số nguyên tử có trong một đơn vò khối lượng của môi trường vật chất hấp thụ, nó không phụ thuộc vào trạng thái kết tụ của vật chất. 1.1.2. Suất liều hấp thụ Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ tính trong một đơn vò thời gian: Khóa luận tốt nghiệp 9 ht ht ΔD P = Δt (1.2) Trong đó, ht ΔD [J/kg] là liều hấp thụ trong khoảng thời gian Δt . Đơn vò của nó là 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 được tính thông qua công thức: t ht ht 0 D = P dt ∫ (1.3) 1.1.3. Liều chiếu Liều chiếu của tia X và tia gamma là phần năng lượng của nó mất đi để biến đổi thành động năng của hạt mang điện trong một đơn vò khối lượng của không khí, khí quyển ở điều kiện tiêu chuẩn (0 o C, 1 atm). Ký hiệu D ch Đơn vò của liều chiếu là Coulomb trên kilôgam (C/kg). Đơn vò ngoại hệ là Roentgen (R). Với 1 C/kg = 3876 R. ch Q D m ∆ = ∆ (1.4) Ở đây, D ch là liều chiếu của tia X hoặc gamma, Q ∆ (C) là điện tích xuất hiện do sự ion hóa không khí trong một khối thể tích và m ∆ (kg) là khối lượng không khí của thể tích này. 1.1.4. Suất liều chiếu Suất liều chiếu là liều chiếu tính trong một đơn vò thời gian . Δ Δ ch ch D P = t (1.5) Ở đây, P ch là suất liều chiếu, Δ ch D là liều chiếu của tia X hoặc gamma, Δt là khoảng thời gian để có được liều chiếu trên. Đơn vò của nó là Ampe trên kg (A/kg) hoặc R/s. 1.1.5. Liều tương đương Khóa luận tốt nghiệp 10 Trong thực nghiệm cho thấy hiệu ứng sinh học gây bởi bức xạ không chỉ phụ thuộc vào liều hấp thụ mà còn phụ thuộc vào loại bức xạ. Một đại lượng được dùng là liều tương đương : “tương đương” có nghóa là giống nhau về tác dụng sinh học. Để so sánh tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau, một bức xạ được chọn làm chuẩn là các tia X có năng lượng 200 keV. Liều tương đương là liều hấp thụ trung bình trong mô hoặc cơ quan T do bức xạ r, nhân với hệ số trọng số phóng xạ tương ứng W r của bức xạ. Liều tương đương tính bằng đơn vò là rem (roentgen equivalent man) ([1]). 1rem = 1 rad. W r H T,r = W r .D T,r (1.6) Suất liều tương đương: T,r T,r dH = dt P Với D T,r (rad) là liều hấp thụ trung bình của bức xạ r trong mô hoặc cơ quan T và W r là hệ số trọng số phóng xạ đối với bức xạ r. Khi trường bức xạ gồm nhiều loại bức xạ với những giá trò khác nhau của trọng số phóng xạ W r thì liều tương đương được tính bởi ([1]): T r T,r r H = W .D ∑ (1.7) Đơn vò của liều tương đương là J/Kg, rem hoặc Sievert (Sv) với 1Sv = 100 rem. Bảng 1.1: Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ. (ICRP-1990) Loại và khoảng năng lượng của bức xạ Trọng số phóng xạ W r Photon có tất cả năng lượng Electron và muon, tất cả năng lượng Neutron, năng lượng <10 KeV 10 Kev tới 100 KeV 1 1 5 10 [...]... được tính đến • Liều tương đương của mỗi cá nhân không được vượt quá giới hạn mà ICRP đã khuyến cáo cho các hoàn cảnh thích hợp Khóa luận tốt nghiệp 15 CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG THỨC GIẢI TÍCH TÍNH SUẤT LIỀU CỦA NGUỒN BỨC XẠ ION HÓA CÓ DẠNG TRỤ ĐẶC 2.1 Tính suất liều của nguồn gamma dạng hình trụ đặc không che chắn h3 h6 2.1.1 Không xét đến sự tự hấp thụ P H r0 h1 h5 P P R Hình 2.1: nguồn gamma dạng trụ đặc. .. 2.1.2.3 Điểm đang xét nằm ngoài thể tích nguồn nhưng hình chiếu của nó lên mặt phẳng XOY nằm trong hình chiếu của nguồn z P N M C A B O y x Hình 2.10: quãng đường tự hấp thụ của điểm nằm ngoài nguồn nhưng hình chiếu vẫn nằm trong hình chiếu của nguồn Đối với điểm nằm ngoài thể tích nguồn nhưng hình chiếu xuống mp xOy nằm trong hình chiếu của nguồn (điểm đó có a2+b2 ≤ r02 ) thì : Điểm P ( a,b,c) ; B... thể tích nguồn, cách mặt đáy một khoảng h1 P2: điểm nằm ở tâm các mặt đáy của hình trụ P3: điểm bất kỳ nằm trên trục của của hình trụ và ở ngoài thể tích nguồn, cách mặt đáy của nguồn 1 khoảng h3 P4: điểm bất kỳ trên mặt phẳng đáy cách tâm 1 khoảng R P5: điểm bất kỳ ở ngoài thể tích của nguồn cách mặt đáy của nguồn 1 khoảng h5 < H P6: điểm bất kỳ ở ngoài thể tích của nguồn cách mặt trên của nguồn 1... PBC ta có: BM CN MN BM = = CP  CN = BP CP BC BP Khóa luận tốt nghiệp 36 Ta có : PB= c – z ; MB=H-z ; CP= r 2 +a2 +b2 +(z-c)2 - 2.r.(a.cosϕ+b.sinϕ) Suy ra : CN= H−z 2 2 2 r +a +b +(z-c)2 - 2.r.(a.cosϕ+b.sinϕ) c−z (2.10) 2.2 Tính suất liều của nguồn gamma dạng hình trụ đặc có che chắn 2.2.1 Cơ sở lý thuyết của sự che chắn bức xạ gamma Khi chùm bức xạ gamma hẹp, hay còn gọi là điều kiện hình học tốt,... công thức tính toán dưới đây được so sánh với công thức trong handbook “ЗАЩИТА ОТ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ” của Л.Р.КИМЕЛЬ và В.П.МАШКОВИЧ H: chiều cao hình trụ r0: bán kính đáy trụ C : độ phóng xạ của nguồn (mCi) C C = q = Vπ r H2 0 : mật độ phóng xạ của nguồn hay độ phóng xạ trên đơn vò thể tích với giả sử chất phóng xạ phân bố đều trong hình trụ Khóa luận tốt nghiệp 16 P1: điểm bất kỳ nằm trên trục và... lượng tử gamma không quá 3 MeV) Từ năm 1959, liều lượng chiếu xạ được phép giới hạn, được xác lập tới 1 mSv trong tuần lễ đối với tất cả các dạng bức xạ Giá trò này lớn gấp 10-100 lần giá trò phông tự nhiên do bức xạ vũ trụ của đất và không khí, cũng như do các Khóa luận tốt nghiệp 13 chất phóng xạ chứa trong cơ thể người gây ra Khi nghiên cứu liều lượng chiếu xạ, cần chú ý tới các cơ quan tới hạn như... truyền của con người Liều lượng được phép giới hạn (LLĐPGH) thường được coi là mức chiếu xạ hàng năm của một nhân viên, khi liều lượng được tích lũy đều đặn trong vòng 50 năm không gây ra những biến đổi bất lợi có thể phát hiện bằng các phương pháp hiện đại về tình trạng sức khỏe của bản thân nhân viên bò chiếu xạ và con cháu của người đó Năm 1931, Ủy ban quốc tế về An toàn bức xạ ICRP (International... khoảng h6 P7: điểm bất kỳ nằm trên vành tròn của các mặt đáy 2.1.1.1 Suất liều tại P1 điểm bất kỳ nằm trên trục và ở trong thể tích nguồn, cách mặt đáy một khoảng h1 z r0 P d h1 ϕ O y x Hình 2.2: suất liều tại điểm nằm trên trục và trong thể tích nguồn Với hệ trục (Oxyz) như hình vẽ 2.2 ta có điểm P1 : (0 ; 0 ; h1) Phần tử thể tích dV : (rcosj ; rsinj ; z) Khóa luận tốt nghiệp 17 C dC= π r 2 H dV=q.dV=q.r.drdϕdz... tự hấp thụ của nguồn, ta cần biết độ dài x của đoạn tự hấp thụ của nguồn Sau đó ta tính suất liều tại điểm cần xét theo công thức: e−µ.x P = k γ q ∫∫∫ R 2 dV Vậ t 2.1.2.1 Điểm đang xét nằm trong thể tích nguồn (2.7) Khóa luận tốt nghiệp 32 Đối với điểm nằm trong thể tích nguồn thì khoảng cách tự hấp thụ chính là khoảng cách từ đơn vò thể tích nguồn đến điểm đang xét.Khi đó công thức ta có: e −µ R P... phóng xạ và các nguồn bức xạ ion hóa khác (CQTVSCY_72)” (của Liên Xô) đã được đưa vào áp dụng Khuyến cáo mới nhất của ICRP là khuyến cáo năm 1991 (ICRP Publication 60,1991) Các tiêu chuẩn quốc gia quy đònh trong các luật sử dụng về an toàn phóng xạ của các nước trên thế giới hiện nay đều dựa trên khuyến cáo này Bảng 1.3 cho biết liều giới hạn do ICRP đưa ra qua các thời kỳ: Bảng 1.3: Giới hạn liều qua . suất liều của nguồn bức xạ ion hóa có dạng trụ đặc. Chương 3: chương trình tính suất liều của nguồn trụ đặc. Kết luận : đánh giá chương trình, nêu những hạn chế và hướng phát triển của chương trình. Khóa. giới hạn 12 CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG THỨC GIẢI TÍCH TÍNH SUẤT LIỀU CỦA NGUỒN BỨC XẠ ION HÓA CÓ DẠNG TRỤ ĐẶC 15 Khóa luận tốt nghiệp 2 2.1. Tính suất liều của nguồn gamma dạng hình học trụ đặc không. hình chiếu của nguồn 33 2.2. Tính suất liều của nguồn gamma dạng hình trụ đặc có che chắn 34 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của sự che chắn bức xạ gamma 34 Khóa luận tốt nghiệp 3 2.2.2. Tính suất liều của