Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-P-1.16 TÍNH TOÁN HỆ SỐ CHUYỂN ĐỔI LIỂU DO PHƠI CHIẾU NGOÀI TỪ NGUỒN PHÁT GAMMA CỦA CHUỔI 238U, 232TH, VÀ 40K TRONG ĐẤT BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 Trương Thị Hồng Loan1,2, Lại Viết Hải1, Phan Lê Hoàng Sang1, Trương Hữu Ngân Thy2, Huỳnh Thị Yến Hồng2, Vũ Ngọc Ba2, Lê Thị Ngọc Trang2 Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG- HCM Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG- HCM TÓM TẮT Trong công trình hệ số chuyển đổi liều quan mô phantom người trưởng thành MIRD-5 từ nguồn phát gamma chuỗi 238U, 232Th 40K đất tính toán mô Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 Kết so sánh với giá trị nội suy từ liệu báo cáo FGR-12 [7] với lượng quan phơi chiếu tương ứng Từ tính toán liều tương đương liều hiệu dụng hàng năm chiếu số vùng đất Đắk Lắk Kết cho thấy có phù hợp tương đối giá trị hệ số chuyển đổi liều tương đương tính toán với giá trị nội suy từ liệu FGR-12 đa số quan Tuy nhiên có sai lệch lớn vùng tuyến giáp (69%), mặt xương (23%), thực quản (29%), buồng trứng (70%) Sự khác hai mô hình tính toán phantom sử dụng nguyên nhân gây nên lệch Điều tìm hiểu thêm công trình Từ khóa: Hệ số chuyển đổi liều, MIRD-5, MCNP, liều hiệu dụng năm GIỚI THIỆU Các đồng vị phóng xạ tìm thấy đất, nước không khí, chí chúng tìm thấy thể Mỗi ngày ăn, uống hít đồng vị phóng xạ từ thực phẩm, nước uống không khí Phóng xạ có nơi, đất, đá, sông ngòi đại dương, vật liệu xây dựng nhà cửa Không có nơi mà không tìm thấy phóng xạ Chính lý đó, nên việc xác định liều lượng xạ mà thể người hấp thụ cần thiết Việc nghiên cứu tính liều quan thể người (liều hiệu dụng, liều tương đương…) chiếu xạ xạ gamma từ môi trường đất, nước không khí nhiều nhà khoa học nghiên cứu tính toán Điển năm 1974, Poston Snyder [9] thực nghiên cứu môi trường không khí bán vô hạn bị nhiễm xạ; năm 1981, D.C.Kocher [5] nghiên cứu vùng nước đất bán vô hạn bị nhiễm xạ; năm 1993, Keith F.Eckerman Jeffrey C.Ryman [7] kết hợp tung độ gián đoạn phương pháp Monte Carlo để giải phương trình vận chuyển photon cho nguồn photon phân bố môi trường; năm 1995, K.Saito P.Jacob [6] tính liều quan từ nguồn tự nhiên phân bố đồng sử dụng phương pháp Monte Carlo Có thể nói, việc khảo sát liều quan từ thể người thực nhiều tác giả đưa nhiều kết luận khác ý nghĩa chung công việc tìm giải pháp an toàn xạ tối ưu Trong công trình hệ số chuyển đổi liều tương đương quan mô phantom người trưởng thành (21 tuổi) từ nguồn 232Th, 238U 40K đất (chỉ tính với xạ gamma) tính toán mô hình mô sử dụng chương trình MCNP5 so sánh với kết nội suy từ FGR-12 [7], tính suất liều tương đương quan suất liều hiệu dụng đồng vị 238U, 232Th, 40K có mẫu đất thu thập Đắk Lắk VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Trong công trình tác giả sử dụng mô hình tài liệu [2] để tính toán hệ số chuyển đổi liều chiếu từ phóng xạ môi trường Đó mô hình phantom người đứng mặt đất, vùng không khí hình nón có chiều cao nửa so với bán kính đáy R, đứng lớp đất hình trụ có chiều cao cố định d có bán kính đáy R Bức xạ photon nguồn đơn đồng vị phân bố đồng với nồng độ 1Bq/m3, bán kính vùng nguồn cho bảng Phantom người MIRD5 sử dụng Để mô mô hình sử dụng chương trình MCNP5 [10] Đó chương trình mô vận chuyển xạ phương pháp Monte Carlo phòng thí nghiệm Los Alamos xây dựng Hình cầu DXTRAN bao quanh phantom dùng để giảm phương sai MCNP ISBN: 978-604-82-1375-6 202 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình Mô hình tính toán liều [2] Bảng Bán kính cực tiểu vùng không khí độ dày lớp đất cực tiểu 12 mức lượng từ 0,01 MeV đến MeV theo thứ nguyên λ cm [2,8] Năng lượng (MeV) Bán kính cực tiểu Rmin (λ) Độ dày đất cực tiểu dmin (λ) (cm) (cm) 0,010 2,5 437,5 7,0 0,2114 0,015 2,8 1624,0 7,0 0,6993 0,020 3,2 3936,0 7,0 1,6660 0,030 4,5 12015,0 7,0 4,8860 0,050 6,2 26595,0 7,0 13,7900 0,070 6,8 33422,0 7,0 20,0900 0,100 7,0 38570,0 7,0 25,8300 0,200 6,8 46036,0 7,0 34,0900 0,500 6,0 57300,0 5,0 34,7000 1,000 5,6 73360,0 4,0 38,0400 2,000 5,3 99110,0 4,0 54,4000 5,000 5,0 3,0 61,8000 151000,0 Ghi chú: λ quãng chạy tự trung bình tia gamma môi trường đất Thành phần đất không khí mô hình cho bảng Đối với không khí thành phần xác định điều kiện: Độ ẩm tương đối 40%, áp suất 760 mmHg, nhiệt độ 20oC, mật độ 1,2 kg/m3 Đối với đất mật độ 1,6.103 kg/m3 [2,7] ISBN: 978-604-82-1375-6 203 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Bảng Thành phần không khí đất sử dụng Thành phần không khí Nguyên tố Tỉ lệ khối lượng H 0,00064 C 0,00014 N 0,75086 O 0,23555 Ar 0,01281 Thành phần đất Nguyên tố Tỉ lệ khối lượng H 0,021 C 0,016 O 0,577 Al 0,050 Si 0,271 K 0,013 Ca 0,041 Fe 0,011 Các đại lượng vật lý cần đánh giá Liều tương đương: liều hấp thụ trung bình mô quan T xạ r gây ra, nhân với hệ số trọng số phóng xạ tương ứng Wr xạ Và tính công thức [3]: H T,r Wr D T,r (1) Trong đó, DT,r liều hấp thụ trung bình xạ r mô quan T Wr trọng số phóng xạ xạ r Đơn vị: J/kg, rem (roentgen equivalent man) Sievert (Sv) Liều hiệu dụng: tổng liều tương đương mô hay quan, liều nhân với trọng số mô tổ chức tương ứng [5]: E WT HT (2) Trong đó, HT liều tương đương mô quan T WT trọng số mô Đơn vị: J/kg Sievert (Sv) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mô hệ số liều tương đương quan mô chuỗi 232Th, 238U 40K Hệ số liều tương đương quan mô hệ số liều hiệu dụng liều tương đương quan mô liều hiệu dụng tính đơn vị nồng độ phóng xạ đơn vị thời gian Với mô hình xây dựng tính hệ số chuyển đổi liều tương đương hT có đơn vị Sv/Bq.s-1.m3 cho mức lượng trung bình chuỗi 232Th, 238U 40K dựa vào phantom người trưởng thành MIRD-5 sử dụng tally F6 MCNP Vì tally F6 có thứ nguyên MeV/g nên cần phải sử dụng thẻ FM6 để chuyển đổi sang thứ nguyên Sv/Bq.s-1.m3 [8] FM6 = [1,60217×10-10 Sv] × [ (R ) × d × × ] (3) Số hạng thứ hệ số chuyển từ đơn vị MeV/g sang Gy (1Gy=1Sv) Số hạng thứ hai hệ số cường độ nguồn xạ đó: Rmin (cm) bán kính cực tiểu vùng nguồn, d (cm) bề dày vùng nguồn cho bảng, 𝜂(Bq/cm3) nồng độ chất phóng xạ đất (10-6 Bq/cm3) [1/(Bq.m-3)] xác suất phát photon phân rã, trường hợp nguồn đơn = [1/(Bq.m-3)] ISBN: 978-604-82-1375-6 204 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Từ kết mô Tally F6 MCNP5 với mô hình cho hình 1, tính toán hệ số chuyển đổi liều chuỗi 232Th, 238U 40K Để đánh giá kết so sánh giá trị hệ số chuyển đổi liều tính toán với giá trị tương ứng tham khảo tài liệu FGR-12 Do hệ số chuyển đổi liều FGR-12 có tương ứng 12 nguồn đơn năng, nên sử dụng đa thức nội suy Lagrange bậc [4] cho điểm lượng gần để nội suy hệ số liều tương đương quan mô chuỗi 232 Th, 238U 40K từ hệ số liều 12 nguồn đơn FGR-12 Dựa vào lượng trung bình chuỗi 232Th, 238U 40K, hệ số liều từ 12 nguồn đơn FGR-12 phép nội suy, tác giả nội suy hệ số liều chuỗi 232Th, 238U 40K Kết trình bày bảng 3, 4, Kết cho thấy nhìn chung giá trị tính toán mô nhỏ giá trị nội suy, nhiên giá trị quan buồng trứng, tuyến giáp, túi mật, bàng quang kết lại lớn Điều cho 232Th, 238U 40K Sự khác giải thích không giống hai mô hình tính toán Trong công trình tác giả đặt phantom vùng nguồn bán vô hạn tính liều trực tiếp, FGR12 tác giả Eckerman cộng sử dụng phương pháp dùng nguồn hình trụ tương ứng với vùng nguồn bán vô hạn bao quanh phantom, sau tính liều quan gây nguồn mặt hình trụ Bảng Hệ số chuyển đổi liều tương đương chuỗi 232Th Cơ quan/ Mô hT(Sv/Bq.s-1.m3) (10-17) D(%) Nội suy Mô Tuyến thượng thận 2,4929 2,4026 -3,62 Mặt xương 4,1516 3,0741 -25,95 Não 2,8196 2,7549 -2,29 Vú 3,1760 2,9754 -6,31 Thực quản 2,3545 2,3400 -0,62 Dạ dày 2,5644 2,4567 -4,20 Ruột non 2,4039 2,3251 -3,28 Ruột già 2,4620 2,4519 -0,41 Ruột già 2,4785 2,5203 1,69 Túi mật 2,4469 3,3497 36,90 Tim 2,5391 2,4679 -2,80 Thận 2,6237 2,6013 -0,85 Gan 2,6029 2,5812 -0,83 Phổi 2,8312 2,7673 -2,25 Cơ 2,8877 3,0209 4,61 Buồng trứng 2,3976 5,1610 115,26 Tuyến tụy 2,3197 2,2805 -1,69 Tủy xương 2,8214 2,7686 -1,87 Da 3,4213 1,8594 -45,65 Lá lách 2,6120 2,4790 -5,09 Tinh hoàn 3,1131 3.2151 3,28 Tuyến ức 2,7474 2,5041 -8,86 Tuyến giáp 2,6341 4,1319 56,86 Bàng quang 2,5450 2,8181 10,73 Tử cung 2,3931 2,4611 2,84 ISBN: 978-604-82-1375-6 205 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Bảng Hệ số chuyển đổi liều tương đương chuỗi 238U hT(Sv/Bq.s-1.m3) (10-17) Cơ quan/ Mô Nội suy D(%) Mô Tuyến thượng thận 1,8772 1,5640 -16,68 Mặt xương 3,3106 2,1285 -35,71 Não 2,1476 1,8541 -13,66 Vú 2,4580 2,2209 -9,64 Thực quản 1,7851 1,6638 -6,79 Dạ dày 1,9447 1,5751 -19,00 Ruột non 1,8130 1,4999 -17,27 Ruột già 1,8595 1,5184 -18,34 Ruột già 1,8831 1,5528 -17,54 Túi mật 1,8032 1,9509 8,19 Tim 1,9256 1,7160 -10,88 Thận 2,0177 1,6635 -17,55 Gan 1,9852 1,6611 -16,32 Phổi 2,1642 1,8686 -13,66 Cơ 2,2085 2,0242 -8,34 Buồng trứng 1,7796 2,9170 63,92 Tuyến tụy 1,7649 1,3574 -23,09 Tủy xương 2,1464 1,8434 -14,11 Da 2,6355 1,2662 -51,95 Lá lách 1,9902 1,6619 -16,49 Tinh hoàn 2,4121 1,9831 -17,78 Tuyến ức 2,0875 1,6706 -19,97 Tuyến giáp 2,0180 2,6766 32,64 Bàng quang 1,9174 1,5776 -17,72 Tử cung 1,8028 1,6037 -11,04 Bảng Hệ số chuyển đổi liều tương đương đồng vị 40K hT(Sv/Bq.s-1.m3) (10-18) Cơ quan/ Mô Nội suy D(%) Mô Tuyến thượng thận 4,7422 4,1219 -13,08 Mặt xương 7,2409 5,5954 -22,72 Não 5,2525 5,4064 2,93 Vú 5,7198 5,7684 0,85 Thực quản 4,4579 5,7684 29,40 ISBN: 978-604-82-1375-6 206 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Dạ dày 4,8090 4,6275 -3,77 Ruột non 4,5733 4,3418 -5,06 Ruột già 4,6616 4,5704 -1,95 Ruột già 4,6551 4,4174 -5,11 Túi mật 4,7676 5,3415 12,04 Tim 4,7635 4,6579 -2,22 Thận 4,8329 4,9842 3,13 Gan 4,8481 4,8726 0,51 Phổi 5,2338 5,2863 1,00 Cơ 5,3216 5,7079 7,26 Buồng trứng 4,6615 7,9405 70,34 Tuyến tụy 4,3954 5,0277 14,38 Tủy xương 5,2694 5,3320 1,19 Da 6,1843 6,2555 1,15 Lá lách 4,8853 5,1487 5,39 Tinh hoàn 5,6267 5,1081 -9,22 Tuyến ức 5,0726 5,6626 11,63 Tuyến giáp 4,8899 8,2636 68,99 Bàng quang 4,8486 4,4686 -7,84 Tử cung 4,5448 4,6171 1,59 Áp dụng tính suất liều tương đương quan mô liều hiệu dụng trung bình năm chuỗi 232Th, 238U 40K mẫu đất Đắk Lắk Dựa vào kết bảng 3, 4, tính liều tương đương môi trường mẫu đất Đắk Lắk cách nhân nồng độ chất phóng xạ có đất với hệ số liều tính toán Bảng trình bày giá trị nồng độ phóng xạ mẫu đất Đắk Lắk cho nhóm tác giả thực công trình [1] Bảng Nồng độ phóng xạ mẫu đất Đắk Lắk [1] Nồng độ phóng xạ mẫu đất (Bq/m3) Đồng vị BB BEB Chuỗi 232Th 114437,0 129816,0 Chuỗi 238U 76787,0 773832,0 40 K BR CP T1 132624,0 136506,0 134349,0 89402,2 88441,0 90189,0 89262,3 958464,0 970673,0 1045840,0 1002788,0 Để tính liều hiệu dụng môi trường mẫu đất Đắk Lắk tác giả sử dụng công thức (2) với trọng số mô quan tham khảo [3] Kết liều hiệu dụng trình bày bảng ISBN: 978-604-82-1375-6 207 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Bảng Liều hiệu dụng trung bình hàng năm phơi chiếu từ chuỗi 232Th, 238U 40K mẫu đất Đắk Lắk Suất liều hiệu dụng (mSv/năm) Mẫu đất Chuỗi 232 Th Chuỗi 238U Tổng cộng 40 K BB 0,1817 0,0765 0,2197 0,4781 BEB 0,2061 0,0891 0,2722 0,5675 BR 0,2105 0,0882 0,2756 0,5745 CP 0,2167 0,0899 0,2970 0,6037 T1 0,2133 0,0890 0,2848 0,5872 Từ bảng thấy liều hiệu dụng trung bình năm chuỗi 232Th, 238U 40K số khu vực Đắk Lắk mức an toàn 1mSv/năm KẾT LUẬN Trong công trình tính toán hệ số chuyển đổi liều quan cho phantom MIRD-5 chuỗi đồng vị 232Th, 238U 40K mô Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 so sánh với hệ số chuyển đổi liều quan nội suy lượng trung bình chuỗi đồng vị 232Th, 238U 40K từ số liệu FGR-12 Từ tính suất liều tương đương quan liều hiệu dụng trung bình năm chuỗi đồng vị 232Th, 238U 40K mẫu đất Đắk Lắk Kết cho thấy ảnh hưởng phông phóng xạ gamma môi trường chuỗi đồng vị 232Th, 238U đồng vị 40K mức nguy hiểm dân chúng sống khu vực khảo sát Các kết tính toán hệ số chuyển đổi liều (suy liều hiệu dụng, liều tương đương…) áp dụng để tính trực tiếp liều, suất liều cho khu vực khác với điều kiện biết hoạt độ chúng thông qua phương pháp phân tích khác phân tích hệ phổ kế alpha, gamma Trong công trình tác giả sử dụng phantom người Âu – Mỹ kiến nghị tác giả xây dựng mô hình phantom cho người Việt Nam, từ khảo sát liều dựa phantom phù hợp cho người Việt Nam Các đồng vị phóng xạ môi trường không phát gamma mà phát nhiều loại xạ khác, để tính suất liều thực tế môi trường nên xây dựng chương trình mô nhiều loại xạ CALCULATION OF DOSE CONVERSION COEFFICIENTS FOR EXTERNAL EXPOSURE FROM GAMMA SOURCES OF 238U, 232TH CHAINS AND 40K IN SOIL BY MCNP5 CODE Truong Thi Hong Loan1,2, Lai Viet Hai1, Phan Le Hoang Sang1, Truong Huu Ngan Thy2, Huynh Thi Yen Hong2, Vu Ngoc Ba2, Le Thi Ngoc Trang2 Faculty of Physics and Engineering Physics, University of Science,VNU-HCM Nuclear Technique Laboratory, University of Science, VNU – HCM ABSTRACT In this work, dose conversion coefficients of the organs or tissues from adult phantom MIRD-5 for external exposure from the gamma source of chains of 238U, 232Th and 40K in soil were calculated by using the Monte Carlo simulation with MCNP5 code The calculated values of dose conversion coefficients were compared with interpolated values from data of FGR-12 From these data, the equivalent dose and annual effective dose for the external expose from soil in Dak Lak highlands were calculated It is noted that there are a relatively consistent between the simulated values of the dose conversion coefficients and interpolated values from FGR-12 data in most organs However, there are major discrepancies between them for the thyroid (69%), bone surface (23%), esophagus (29%), ovarian (70%) The difference between the two models of calculation as well as used phantom could be cause of these difference This will be studied further in next works of the authors Keywords: Dose conversion coefficient, MIRD-5, MCNP, effective dose TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Thị Hồng Châu (2014), Đánh giá hoạt độ phóng xạ gamma số mẫu đất Đắk Lắk, Luận Văn Thạc Sĩ, Trường Đại Học Cần Thơ ISBN: 978-604-82-1375-6 208 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM [2] Vũ Thị Diễm Hằng (2010), Nghiên cứu tính liều thể từ nguồn gamma nhiễm bẩn đất sử dụng chương trình MCNP, Luận Văn Thạc Sĩ, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh [3] Châu Văn Tạo (2004), An toàn xạ ion hóa, NXB Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh [4] Đặng Văn Liệt (2004), Giải tích số, NXB Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh [5] D.C.Kocher (1981), Dose rate Conversion Factors for External Exposure to Photon and Electrons, NUREG/CR-1918 (ORNL/NUREG-79) (Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN) [6] K Saito and P Jacob (1995), Gamma ray fields in the air due to sources in the ground, Radiat Prot Dosim 58.29-45 [7] Keith F.Eckerman and Jefrey C.Ryman (1993), External exposure to radionuclides in air, water and soil Federal Guidance Report No.12 [8] Hung T.V, Satoh.D, Takahashi.F, Tsuda.S, Endo,A.Saiko.K and YamaguchiY (2005), Calculation of age – depentdent dose conversion coefficients for radionuclides uniformly distributed in air JAERI – Tech 2004 – 079 [9] J.W Poston and W.S Snyder (1974), A model for exposure to a Semi-infinite Cloud of a photon emitter, Health Phys 26, 287 [10] X-5 Monte Carlo Team (2005), MCNP5- Monte Carlo N particle transport code system, Los Alamos National Laboratory, LA-UR-03-1987 ISBN: 978-604-82-1375-6 209