Phương pháp xác suất đánh giá sai số hệ thống của phương pháp gammaNDT trong kiểm tra chất thải px

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN    - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC SUẤT ĐỂ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ HỆ THỐNG CỦA PHƯƠNG PHÁP GAMMA KHÔNG PHÁ HỦY TRONG KIỂM TRA CHẤT THẢI PHÓNG XẠ SVTH : ĐỖ VĂN DUYỆT CBHD : TS TRẦN QUỐC DŨNG CBPB : TS TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN -TP HỒ CHÍ MINH - 2010 -1- LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập nhƣ thực khóa luận này, em nhận đƣợc nhiều giúp đỡ tận tình thầy cô, anh chị bạn bè Bộ môn Vật lý Hạt nhân Em xin đƣợc bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến : TS Trần Quốc Dũng, ngƣời thầy tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, cung cấp tài liệu truyền đạt kinh nghiệm quý báu cho em hoàn thành tốt khóa luận TS Trương Thị Hồng Loan, ngƣời cô giành thời gian đọc góp ý chân thành cho khóa luận em đƣợc hoàn thiện hơn, ngƣời thầy động viên khích lệ em học tập phấn đấu nhiều ThS Nguyễn Đình Gẫm, ngƣời thầy nhiệt tình giúp đỡ, động viên, cung cấp tài liệu đóng góp ý kiến cho em Các thầy cô Bộ môn Vật lý Hạt nhân giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm lĩnh vực hạt nhân Các bạn Bộ môn Vật lý Hạt nhân giúp giải vấn đề ngôn ngữ lập trình động viên, giúp đỡ Cuối cùng, xin cảm ơn ba mẹ, anh chị sinh thành, dƣỡng dạy động viên, khích lệ tạo điều kiện thuận lợi cho đƣợc học tập Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2010 Đỗ Văn Duyệt -2- MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ - đồ thị Mở đầu CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN (SGS) 1.1 Quá trình phát triển kỹ thuật SGS 1.2 Cơ sở kỹ thuật đo 10 1.3 Sai số phƣơng pháp 13 CHƢƠNG SAI SỐ HỆ THỐNG CỦA KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN 16 2.1 Nguyên nhân gây sai số 16 2.2 Giá trị sai số phƣơng pháp tất định 16 2.3 Đánh giá sai số sở phân bố ngẫu nhiên nguồn điểm 17 CHƢƠNG CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 20 3.1 Trƣờng hợp lí tƣởng ta giả sử phân đoạn có dạng đĩa (cao độ z~0) 20 3.2 Trƣờng hợp thực phân đoạn có bề dày z ≠ 22 3.3 So sánh phƣơng pháp tất định với phƣơng pháp phân bố ngẫu nhiên nguồn điểm: 28 Kết luận 29 Kiến nghị 30 Tài liệu tham khảo 31 Phụ lục 33 -3- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU - CÁC CHỮ VIẾT TẮT  Các ký hiệu: Id: hoạt độ thực (chính xác) nguồn, đƣợc cho biết Is: hoạt độ nguồn dựa vào mô toán học hệ thống đo đạc CRi: số đếm thô từ phân tích vật chất phân đoạn đƣợc xác định detector CFi: hệ số hiệu chỉnh suy giảm chất độn phân đoạn thứ i Ci: số đếm hiệu chỉnh phân đoạn thứ i Ct: số đếm tổng C: số đếm thực đƣợc ghi nhận detector N: số phân đoạn đƣợc chia td : thời gian phân rã t: thời gian bán rã đồng vị t1: thời gian đo Y: hiệu suất tia gamma ε: hiệu suất ghi μ: hệ số hấp thụ tuyến tính trung bình d: đƣờng kính thùng R: bán kính thùng r: khoảng cách từ nguồn đến tâm thùng K: khoảng cách từ detector đến tâm thùng Hj: khoảng cách từ nguồn đến detector Lj: quãng đƣờng tia gamma truyền qua thùng θj: góc quay nguồn thùng quay I0: cƣờng độ nguồn mẫu I: cƣờng độ có mẫu đặt detector nguồn Tt: lƣợng truyền qua T: lƣợng phân tích σ2: phƣơng sai hoạt độ -4-  Các chữ viết tắt: PGT: kỹ thuật quét gamma thụ động (passive gamma technique) SGS: kỹ thuật quét gamma phân đoạn (segmented gamma scanner) Pu: Plutonium U: Uranium -5- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Một số kết sai số ứng với vị trí đặc biệt nguồn phƣơng pháp tất định 17 Bảng 2.2 Một số kết sai số ứng với vị trí ngẫu nhiên nguồn 18 Bảng 3.1 Bảng giá trị sai số phƣơng pháp phân bố cực đoan 20 Bảng 3.2 Giá trị Itb phân đoạn z~0 21 Bảng 3.3 Sai số phép tính z~0 22 Bảng 3.4 Giá trị Itb thùng phân đoạn có z≠0 24 Bảng 3.5 Sai số (%) phép tính phân đoạn có z≠0 24 -6- DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1.1 Minh họa sơ đồ khối phƣơng pháp SGS 10 Hình 1.2 Mặt cắt dọc theo thùng 11 Hình 1.3 Mặt cắt ngang phân đoạn 11 Hình 2.1 Các trƣờng hợp tiêu biểu để đánh giá sai số phƣơng pháp tất định 17 Hình 2.2 Một số hình ảnh nguồn đƣợc gieo cách ngẫu nhiên 18 Hình 3.1 Hình ảnh mô nguồn điểm đƣợc tạo cách ngẫu nhiên phân đoạn 21 Hình 3.2 Hình ảnh mô thùng đƣợc chia làm 10 phân đoạn có độ dày z ≠ 23 Hình 3.3 Hình ảnh mô nguồn điểm đƣợc tạo cách ngẫu nhiên 23 Hình 3.4 Sự phân bố Itb theo phân đoạn gieo ngẫu nhiên 10 nguồn vào thùng 25 Hình 3.5 Sự phân bố Itb theo phân đoạn gieo ngẫu nhiên 20 nguồn vào thùng 25 Hình 3.6 Sự phân bố Itb theo phân đoạn gieo ngẫu nhiên 50 nguồn vào thùng 26 Hình 3.7 Sự phân bố Itb theo phân đoạn gieo ngẫu nhiên 100 nguồn vào thùng 26 Hình 3.8 Sự phân bố Itb theo phân đoạn gieo ngẫu nhiên 500 nguồn vào thùng 27 Hình 3.9 Sự phân bố Itb theo phân đoạn gieo ngẫu nhiên 1000 nguồn vào thùng 27 -7- MỞ ĐẦU Ngày nay, lĩnh vực hạt nhân đƣợc sử dụng rộng rãi giới Việc sử dụng nguyên liệu hạt nhân nhằm nhiều mục đích khác nhƣ: lò phản ứng sản xuất đồng vị phóng xạ nhằm cho việc nghiên cứu, y tế, chí quân sự, nhà máy điện hạt nhân nguyên tử… Quá trình hoạt động lò phản ứng hạt nhân hay nhà máy tái sinh tạo lƣợng rác thải phóng xạ đáng kể thƣờng đƣợc chứa thùng kín lớn Do đó, việc kiểm tra hoạt độ phóng xạ thùng rác thải yêu cầu cần thiết Hoạt động lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt nhà máy điện nguyên tử Việt Nam (dự án đƣợc xây dựng) đòi hỏi có phƣơng pháp để xác định hoạt độ phóng xạ thùng rác thải Vậy việc nghiên cứu để tìm phƣơng pháp thích hợp, hiệu để áp dụng vào thực tế điều cần thiết Cho đến nay, có ba kỹ thuật khác để phân tích thùng rác thải đƣợc đề nghị là:  Kỹ thuật quét gamma phân đoạn (SGS-segmented gamma scanner)  Kỹ thuật sử dụng hai detector đồng  Kỹ thuật chụp cắt lớp (Tomographic Technique) Kỹ thuật quét gamma phân đoạn đƣợc nghiên cứu khóa luận trƣớc nhƣng sở nguồn phóng xạ thùng đƣợc đặt vị trí xác định trƣớc tọa độ (phƣơng pháp phân bố cực đoan) [3] Tuy nhiên, phƣơng pháp chƣa thể ứng dụng vào thực tế ta cho rác thải vào thùng không rơi vào tọa độ mà ta xác định trƣớc mà theo tọa độ hoàn toàn ngẫu nhiên Vì vậy, sở kế thừa phƣơng pháp quét gamma phân đoạn tác giả này, phát triển thành phƣơng pháp tính toán gần với thực tế Trong luận văn dùng phƣơng pháp Monte Carlo để khởi tạo biến tọa độ cho nguồn rác thải thùng theo cách hoàn toàn ngẫu nhiên -8- Với mục đích khóa luận chia làm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan kỹ thuật quét gamma phân đoạn (SGS) Chƣơng 2: Sai số hệ thống kỹ thuật quét gamma phân đoạn Chƣơng 3: Các kết nghiên cứu Cuối phần kết luận kiến nghị -9- CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN (SGS) 1.1 Quá trình phát triển kỹ thuật SGS: Quét gamma phân đoạn công cụ đo đạc quan trọng để phân tích đánh giá rác thải phóng xạ Phƣơng pháp đƣợc phát triển Mỹ vào đầu năm 1970 Phƣơng pháp SGS sử dụng giả thuyết nguồn phóng xạ chất độn mẫu đồng phân đoạn Quá trình dùng SGS gây sai số không thỏa mãn giả thuyết Do số cải tiến kỹ thuật SGS đƣợc nghiên cứu Ta tóm tắt nhƣ sau:  Kỹ thuật phát tính không đồng khối chất độn nguồn đƣợc đề nghị Trong kỹ thuật tính không đồng nguồn đƣợc phát nhƣng trình nghiên cứu [5]  Một hệ SGS đƣợc phát triển Những phiên SGS cung cấp công cụ hiệu quả, tự động hóa cao xác để phân tích rác thải phóng xạ có hoạt độ thấp [7]  Một phƣơng pháp để phát diện khối thùng, cách hiệu chỉnh khối đƣợc nghiên cứu Một kỹ thuật tính toán hệ số hiệu chỉnh suy giảm đƣợc đề nghị [8]  Ảnh hƣởng khối vào kết đƣợc đánh giá cho Pu U  Kỹ thuật xác định hoạt độ thùng làm xi măng detector chuẩn ngoại [9]  Thiết kế chế tạo cho SGS chuẩn Plutoni Hai loại SGS đƣợc chuẩn bị là: chuẩn lon chuẩn thùng [11]  Chƣơng trình máy tính mô kỹ thuật quét thùng đƣợc phát triển Chƣơng trình cho phép tính hệ số chuẩn bỏ qua phép đo đạc thực nghiệm trung gian [13] Vấn đề khó khăn phân tích thùng rác thải kỹ thuật SGS cho sai số hệ thống lớn lí sau: - 43 - { Hj=sqrt((k*k+r[j]*r[j]-2*k*r[j]*cos(pi*goc/180))); Lj=(sqrt(R*R*Hj*Hj-k*k*r[j]*r[j]*sin(goc*pi/180)*sin(goc*pi/180))(k*r[j]*cos(goc*pi/180)-r[j]*r[j]))/Hj; t=t+(exp(-M*Lj))/(Hj*Hj); } C[j]=Id*alpha*t/360; Is[j]=C[j]*k*k/(CFi*alpha); I=I+C[j]*k*k/(CFi*alpha); Itb[j]=I/j; S=S+(Is[j]-Itb[j])*(Is[j]-Itb[j]); sigma[j]=sqrt(S/j); if (j==1000) { fprintf(fp,So nguon,r,Is,Itb fprintf(fp,"\n%d,%0.3f,%0.3f,%0.2f",j,r[j],Is[j],Itb); } } } } fclose(fp); getch(); } - 44 - Trƣờng hợp phân đoạn khối trụ có z ≠ 0: /*khai bao thu vien dung chuong trinh*/ #include #include #include #include #include #include #include /*chuong trinh chinh*/ void main() { /*khai bao cac bien dung chuong trinh */ FILE *fp; float t,alpha=1,CFi,pi=3.141592654,M,C,Id,k,R=29,z[1000],r[1000],i; float Z,I,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8,I9,I10,S,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9,S10; float sigma[1000],sigma1[150],sigma2[150],sigma3[150],sigma4[150],Is[1000]; float Itb,sigma5[150],sigma6[150],sigma7[150],sigma8[150],sigma9[150]; float sigma10[150],I1s[150],I2s[150],I3s[150],I4s[150],I5s[150],I6s[150]; float I7s[150],I8s[150],I9s[150],I10s[150],I1tb[150],I2tb[150],I3tb[150]; float I4tb[150],I5tb[150],I6tb[150],I7tb[150],I8tb[150],I9tb[150],I10tb[150]; double Hj,Lj,L; int j=1,goc,n,l,kt,dem1,dem2,dem3,dem4,dem5,dem6,dem7,dem8,dem9,dem10; randomize(); clrscr(); fp=fopen("D:\\So Lieu.txt","at"); /*khoi tao bien*/ for (l=1;l[...]... -41 60 -36 -17 -12 Nhƣ vậy ta thấy rằng việc tính sai số bằng phƣơng pháp tất định sẽ cho sai số trong một khoảng biên độ lớn (từ -82.3% đến 283%) Trong khi đó việc đánh giá sai - 19 - số bằng phƣơng pháp ngẫu nhiên cho ta sai số thấp hơn phƣơng pháp tất định Do đó phƣơng pháp gieo nguồn phân bố ngẫu nhiên sẽ cho ta giá trị sai số tối ƣu hơn phƣơng pháp tất định - 20 - CHƢƠNG 3 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN... Nhƣng trong phƣơng pháp phân bố ngẫu nhiên các giá trị sai số dao động trong một biên độ thấp hơn khá nhiều so với phƣơng pháp cực đoan Cụ thể, sai số trong phƣơng pháp phân bố ngẫu nhiên chỉ dao động từ 3% đến 42% Sai số này cũng phụ thuộc vào hệ số hấp thụ tuyến tính của chất độn, khoảng cách từ nguồn đến detector cũng nhƣ sự phân bố các nguồn trong thùng và số nguồn đƣợc gieo vào thùng Khi số nguồn... vậy ta không đánh giá đƣợc hoạt độ của thùng rác thải một cách chính xác nhất (có thể) Điều này thật sự nguy hiểm vì khi ta đánh giá sai hoạt độ của nguồn rác thải phóng xạ dẫn đến việc bảo quản cất giữ chƣa đúng thông số kỹ thuật về an toàn bức xạ Nếu ta đánh giá hoạt độ của thùng rác thải cao hơn hoạt độ thực của thùng sẽ dẫn tới việc thừa vật che chắn gây lãng phí, ngƣợc lại nếu ta đánh giá hoạt độ... giá hoạt độ thùng rác thải thấp hơn hoạt độ thực của thùng sẽ dẫn đến việ che chắn thiếu an toàn gây nguy hiểm cho vùng lân cận nơi cất giữ các thùng rác thải - 16 - CHƢƠNG 2 SAI SỐ HỆ THỐNG CỦA KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN 2.1 Nguyên nhân gây ra sai số: Trong thực nghiệm việc tiến hành một phép đo luôn luôn tồn tại những sai số trong phép đo đó Trong kỹ thuật SGS cũng gây ra sai số bởi những nguyên... vào số liệu bảng 3.2 ta có thể nhận ra rằng khi số nguồn tăng lên thì sự suy giảm hoạt độ của nguồn sẽ giảm đi hay sai số trong phép đo sẽ giảm Ta có thể dựa vào công thức tính sai số: (I-Id)/Id Ở đây I là trung bình (Itb) của cả phân đoạn và Id là hoạt độ thực của nguồn (đƣợc cho là đã biết), và ta có thể tính đƣợc các sai số tƣơng ứng nhƣ bảng 3.3: - 22 - Bảng 3.3: Sai số của phép tính khi z~0 Số. .. ngoài của phân đoạn (r = 29 cm) - 17 - θ a- Nguồn ở tâm của phân đoạn b- Nguồn ở sát vành ngoài của phân đoạn Hình 2.1 Các trƣờng hợp đánh giá sai số của phƣơng pháp tất định Việc tính toán sai số đƣợc cho trong bảng 2.1: Bảng 2.1: Một số kết quả sai số ứng với các vị trí đặc biệt của nguồn trong phƣơng pháp tất định: [3] -1 r(cm) μ=0.03cm k=87cm μ=0.03cm-1 k=116cm μ=0.06cm-1 k=87cm μ=0.06cm-1 k=116cm... cứu trƣớc đây chỉ tính đến phân bố cực đoan (là phân bố mà tọa độ các nguồn phóng xạ trong thùng đƣợc ta chọn trƣớc) nên cho những giá trị sai số chƣa thật sự tin cậy để áp dụng vào mô hình thực tế ta có thể thấy rõ giá trị sai số trong bảng 3.1 của phƣơng pháp cực đoan: Bảng 3.1: Bảng giá trị sai số trong phƣơng pháp phân bố cực đoan: r μ=0.03cm-1 k=87cm μ=0.03cm-1 k=116cm μ=0.06cm-1 k=87cm μ=0.06cm-1... vô hạn và mẫu đồng nhất Hệ số hình học: vì phóng xạ trong thùng trải rộng và không đồng nhất, số đếm Ci phụ thuộc vào vị trí của nguồn trong thùng Điều này dẫn đến các sai số tiềm tàng Việc tăng khoảng cách từ detector đến thùng có thể giảm sai số, nhƣng phải trả giá bằng việc suy giảm số đếm Do vậy, thùng nên đƣợc xoay để giảm thiểu sai số gây ra bởi sự phân bố không đồng đều trong thùng Tóm lại, sự... -82.3% đến 283% Trong khi đó sai số trong trƣờng hợp nguồn phân bố ngẫu nhiên chỉ lên đến 31% khi các phân đoạn đƣợc cắt rất mỏng (z≈0) và cũng chỉ vào khoảng 42% khi các phân đoạn đƣợc cắt với độ dày z - 29 - KẾT LUẬN Trong phƣơng pháp cực đoan, giá trị sai số của phƣơng pháp dao động trong một biên độ khá lớn (từ -82.3% đến 283%), điều này sẽ khiến cho việc xác định hoạt độ của thùng rác thải thật sự... quả cuối cùng cho - 14 - cả thùng sẽ chính xác Dựa trên mô phỏng toán học hệ thống SGS, những thông số ảnh hƣởng đến sai số đã đƣợc nghiên cứu:  Chất độn biểu thị sự hấp thu tia gamma và sự phân bố theo không gian của hệ số hấp thụ  Sự phân bố của nguồn phóng xạ trong một phân đoạn  Khoảng cách từ detector đến tâm thùng Mô hình chất thải phóng xạ chứa trong một thùng chuẩn 210 lít với đƣờng kính ... 1.3 Sai số phƣơng pháp 13 CHƢƠNG SAI SỐ HỆ THỐNG CỦA KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN 16 2.1 Nguyên nhân gây sai số 16 2.2 Giá trị sai số phƣơng pháp tất định 16 2.3 Đánh. .. tính sai số phƣơng pháp tất định cho sai số khoảng biên độ lớn (từ -82.3% đến 283%) Trong việc đánh giá sai - 19 - số phƣơng pháp ngẫu nhiên cho ta sai số thấp phƣơng pháp tất định Do phƣơng pháp. .. nhiên giá trị sai số dao động biên độ thấp nhiều so với phƣơng pháp cực đoan Cụ thể, sai số phƣơng pháp phân bố ngẫu nhiên dao động từ 3% đến 42% Sai số phụ thuộc vào hệ số hấp thụ tuyến tính chất