II-P-1.24 TÍNH TOÁN VÀ ĐO ĐẠC SUẤT LIỀU CHIẾU TẠI CÁC KHU VỰC KIỂM SOÁT CỦA MÁY GIA TỐC CHÙM TIA ĐIỆN TỬ UELR-10-15S2 TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ BỨC XẠ Nguyễn Anh
Trang 1II-P-1.24
TÍNH TOÁN VÀ ĐO ĐẠC SUẤT LIỀU CHIẾU TẠI CÁC KHU VỰC KIỂM SOÁT CỦA MÁY GIA TỐC CHÙM TIA ĐIỆN TỬ UELR-10-15S2 TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VÀ
TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ BỨC XẠ Nguyễn Anh Tuấn 1,2 , Trần Văn Hùng 2 , Cao Văn Chung 2 , Nguyễn Hoàng Hải 2
1Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên ĐHQG-HCM
2Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ
Email: tuanhoang666@yahoo.com
TÓM TẮT
Nh ằm cung cấp bộ số liệu về suất liều tại các khu vực kiểm soát của máy gia tốc chùm tia điện
tử UELR-10-15S2 cho việc đánh giá an toàn bức xạ, các phương pháp tính xấp xỉ và mô phỏng MCNP đã được sử dụng kết hợp với đo liều Fricke tại khu vực liều cao và đo TLD tại khu vực liều thấp Tại khu vực liều cao trong buồng chiếu, phòng ống gia tốc và dọc theo đường băng tải, kết quả
từ các phương pháp tính có sự phù hợp rất tốt với kết quả đo liều Fricke Tại khu vực suất liều thấp, mỗi phương pháp tính và đo mang một ý nghĩa nhất định tùy thuộc vào mục đích tính toán và đo đạc Với phương pháp xấp xỉ, suất liều được tính cho trường hợp cực đoan nhất, nghĩa là toàn bộ năng lượng chùm electron 10 MeV chuyển thành năng lượng chùm bức xạ hãm, kết quả thu được trong phòng điều khiển là 6,0 Sv/h và khu nạp – dỡ hàng là 1,0 (Sv/h), phù hợp với tiêu chuẩn ICRP Chương trình MCNP được áp dụng tính toán suất liều không bao gồm phông, kết quả thu được tại các điểm bên ngoài buồng chiếu là 10 -4 (Sv/h) Liều kế TLD được sử dụng để đo tích lũy trong một tháng (bao gồm phông) và thu được kết quả từ 0,3 0,7 Sv/h, giá trị này bằng với phông phóng xạ môi trường
Từ khóa: Máy gia tốc, an toàn bức xạ
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Máy gia tốc UELR-10-15S2 thuộc thế hệ máy gia tốc tuyến tính (LINAC) [1] sử dụng sóng RF để gia tốc chùm electron đến năng lượng 10 MeV, công suất cực đại 15 kW Hệ thống nam châm quét và lái chùm tia được thiết kế đặc biệt cho phép quét hai mặt lên sản phẩm chiếu xạ Với đặc điểm hai đầu quét, suất liều tại các khu vực kiểm soát bên ngoài buồng chiếu khi quét hai mặt sẽ cao hơn rất nhiều so với chỉ quét mặt trên Ngoài ra, đầu quét dưới còn có khả năng gây ra hiệu ứng skyshine cho các khu vực xung quanh Vì thế cấu trúc bê tông đã được tính toán, thiết kế và xây dựng để che chắn tốt nhất cả quá trình truyền qua và tán xạ của chùm bức xạ hãm Cấu trúc bê tông che chắn phóng xạ được chỉ ra trong hình 1
Hình 1 Cấu trúc bê tông che chắn phóng xạ của máy gia tốc UELR-10-15S2 [2]
4
6
(1): Khu nạp –
dỡ hàng (2): Phòng điều khiển (3): Phòng Modulator (4): Buồng chiếu
xạ (5): Phòng ống gia tốc (6): Bê tông
Trang 2PHƯƠNG PHÁP TÍNH VÀ THỰC NGHIỆM ĐO LIỀU
Lý thuyết xấp xỉ
Giả sử nguồn photon bất đẳng hướng, năng lượng 10 MeV đặt tại đầu chiếu của máy gia tốc UELR-10-15S2 với suất liều tại vị trí nguồn 1,5x109Sv/h, bên ngoài buồng chiếu nhận được suất liều bằng hai con đường
là photon truyền qua các lớp bê tông và chùm photon tán xạ nhiều lần theo đường băng tải
Tính toán truyền qua
Suất liều bên ngoài buồng chiếu được tính theo luật suy giảm bình phương khoảng cách và suy giảm theo chiều dày vật liệu che chắn Gọi suất liều ngay tại bia là P0 [Sv.m2kW-1h-1], suất liều P0 được tính cho công suất chùm electron 15 kW:
P0 = 15x104x104 = 1,5x109 [Sv.m2/h], với = 900 (2.1)
P0 = 15x2,8x105x104 = 4,2x1010 [Sv.m2/h], với = 00 (2.2)
Suất liều bên ngoài buồng chiếu P1 [Sv/h] giảm theo bình phương khoảng cách R [m]:
2 0 1
R
P
=
P (2.3)
Suất liều bên ngoài buồng chiếu P2 [Sv/h] còn suy giảm theo hệ số che chắn K:
P2 = P1.K
(2.4)
Hệ số che chắn K được xác định theo bề dày suy giảm 10 lần (Tenth-Value-Layer, TVL):
TVL X
-10
=
K (2.5) Trong đó, X [cm]: bề dày vật liệu che chắn;
TVL [cm]: bề dày suy giảm 10 lần
Giá trị TVL phụ thuộc vào năng lượng bức xạ, bề dày và đặc trưng của vật liệu che chắn [3]
Tính toán tán xạ
Chùm photon năng lượng 10 MeV sau khi tán xạ lần thứ nhất lên bê tông năng lượng còn 0,5 MeV và tán
xạ lần hai còn 0,3 MeV, giản đồ xác định đường đi của chùm tia tán xạ được cho trong hình 2
Hình 2 Giản đồ chùm tia tán xạ nhiều lần [4]
Suất liều chiếu tán xạ lần thứ nhất PS1 [Sv/h] được xác định theo công thức sau:
PS1 = P(R,).α ( θ1, θs, E ) 2
1 1
S R
S
[Sv/h] (2.6) Trong đó, RS1 [m]: khoảng cách từ mặt tán xạ S1 đến mặt tán xạ S2;
P(R,): suất liều trung bình tại 1 điểm của bức xạ hãm, chiếu trên bề mặt tán xạ S1 và được xác định theo luật bình phương khoảng cách;
R [m]: khoảng cách từ nguồn đến bề mặt tán xạ S1;
α ( θ1, θs, E ): hệ số tán xạ, chiếu trên mặt tán xạ S1 một góc 1 và phụ thuộc vào năng lương của bức xạ hãm
Trang 3Suất liều chiếu tán xạ lần thứ hai PS2 [Sv] được xác định theo công thức:
PS2 = P(R1,θ1).α1 S1/ R21 α2 S2/ R22 [Sv/h]
(2.7)
Trong đó, RS2 [m]: khoảng cách từ bề mặt tán xạ S2 đến bề mặt tán xạ S3;
P(R1,θ1) [Sv/h]: suất liều trung bình tại 1 điểm của bức xạ hãm, được chiếu trên bề mặt tán xạ S2; 2=2( 2, s, E ): hệ số tán xạ lần hai, chiếu trên mặt tán xạ S2 một góc 2
Mô phỏng MCNP [5]
Gốc tọa độ tính trong MCNP được chọn tại vị trí thẳng đứng của chùm electron tại mặt sàn Trục Ox đặt song song với chiều quét chùm tia trong “scanning horn”, trục Oy vuông góc với “scanning horn”, trục Oz thẳng đứng, hướng lên Các mặt và các ô được định nghĩa theo tọa độ của hệ trục Oxyz để mô tả các vật chất cấu thành buồng chiếu xạ Mặt cắt vuông góc với trục Oz tại tầng một và tầng hai được minh họa qua hình 3
Nguồn electron từ hai đầu phát ngược chiều nhau được mô tả bằng MCNP dưới dạng hai nguồn phát đẳng hướng Cả hai đầu phát electron đều chiếu trực tiếp vào hàng hóa (thực phẩm đông lạnh mật độ 0,4 g/cm3) và sinh ra chùm bức xạ hãm
Hình 3 Mặt cắt vuông góc Oz theo MCNP
Khi sử dụng MCNP để tính toán suất liều bên ngoài buồng chiếu vốn dĩ có giá trị rất thấp, thì sai số thống
kê là một vấn đề khó khăn và cần được nghiên cứu tất cả các kĩ thuật tăng số thông kê Số thống kê hiển nhiên tỉ
lệ với thời gian chạy máy, nhưng thật tốn kém thời gian và tiền bạc để giải quyết vấn đề sai số thống kê bằng việc tăng thời gian chạy máy Nhằm tiết kiệm thời gian chạy máy mà vẫn đáp ứng được số thông kê, nhóm tác
giả đã khai thác các công cụ giảm sai số bao gồm: tăng độ quan trọng (imp) cho các điểm tính, tối ưu hóa bán
kính detector bao quanh điểm tính và tối ưu hóa không gian vật chất
Thực nghiệm đo liều
Theo kết quả tính toán, suất liều trong buồng chiếu rất cao (từ 106 108Sv/h) còn suất liều bên ngoài buồng chiếu có gia trị rất thấp (bằng phông môi trường) nên trong buồng chiếu được đo bằng liều kết Fricke và liều kế TLD đo bên ngoài buồng chiếu
Đo suất liều bên trong buồng chiếu
* Thiết bị đo:
- Liều kế Fricke: Dung dịch gồm (NH4)2 Fe (SO4)2 x 6 H2O, NaCl, H2SO4 và nước cất, được chuẩn theo
tiêu chuẩn ISO/ASTM [6], 1 g/cm 3
Dải liều áp dụng từ 20 đến 400 Gy
Độ chính xác: 3 %
- Hệ đo: sử dụng hệ đo quang phổ JACCO V-630 [7]
* Các bước tiến hành: phép đo liều bên trong buồng chiếu được tiến hành theo các bước sau:
- Phân tích số liệu tính toán,
0,0,12
0
0,0,30
0
Trang 4- Tính toán thời gian đặt liều kế, cài đặt liều kế tại các điểm đã tính toán
Đo suất liều bên ngoài buồng chiếu
* Thiết bị đo:
- Liều kế TLD: tinh thể LiF:MCP, quãng năng lượng: 4-10000 keV, độ cứng hóa: 5 %/năm
- Hệ đo: Mã hiệu máy (Model): RE-2000S, số Seri: 1502050010
Hãng, nước sản xuất: Đức
Năm sản xuất: 2009
Sai số phép đo: 7%
Ngưỡng nhạy dưới: 50 nGy
* Các bước tiến hành:
- Phân tích số liệu tính toán,
- Tính thời gian đặt liều kế: theo số liệu tính toán, suất liều bên ngoài buồn chiếu nằm trong khoảng 0,5
100 Sv/h, thời gian cài đặt liều kế ít nhất là 30 ngày (thời gian thực)
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN
Kết quả tính toán và đo đạc tại tầng một
Phân bố các điểm tính toán và đo suất liều tại tầng một của máy gia tốc UELR-10-15S2 được cho trong hình 4
Hình 4 Phân bố các điểm tính và đo suất liều tầng một
Kết quả tính toán và đo đạc được cho trong bảng 1
Bảng 1 Kết quả tính toán và đo đạc tại tầng một
Điểm Lý thuyết Tính MCNP Đo thực nghiệm
D (Sv/h) D (Sv/h) D (Sv/h)
1 2,6E+08 4,2E+08 0,04 1,3E+08 0,03
2 5,5E+06 6,9E+06 0,05 2,2E+06 0,03
3 1,5E+04 3,2E+04 0,08 3,2E+04 0,03
4 6,4E+00 1,4E-03 0,15 4,9E-01 0,07
5 4,2E+06 4,4E+06 0,02 9,0E+05 0,03
6 2,0E+00 1,3E-03 0,18 4,5E-01 0,07
7 4,3E-03 2,5E-04 0,24 3,5E-01 0,07
Trang 5Trong bảng 1, kết quả tính theo lý thuyết cho nguồn photon 10 MeV, tính từ MCNP không bao gồm phông, điểm 4, 6 và 7 đo bằng TLD, các điểm còn lại đo bằng liều kế Fricke
Kết quả tính toán và đo đạc tại tầng hai
Các điểm tính và đo suất liều trên tầng hai được xác định theo hình 5
Hình 5 Phân bố các điểm tính và đo suất liều tầng hai
Kết quả thu được từ các phương pháp tính và các phép đo liều tại tầng hai của máy gia tốc được trình bày trong bảng 2
Bảng 2 Kết quả tính toán và đo đạc suất liều trên tầng hai
Điểm Lý thuyết Tính MCNP Đo thực nghiệm
D (Sv/h) D (Sv/h) D (Sv/h)
8 4,3E+07 4,6E+07 0,03 1,1E+07 0,03
9 8,6E+06 6,4E+06 0,04 1,6E+06 0,03
10 2,3E+04 9,4E+03 0,12 2,8E+4 0,03
11 2,5E+00 2,6E-03 0,12 3,5E-01 0,07
12 1,0E+00 5,3E+00 0,06 1,5E+00 0,07
Bảng 2 thể hiện kết quả xác định suất liều tại các vị trí trọng yếu trên tầng 2 của máy gia tốc UELR-10-15S2 Các điểm trong buồng chiếu (8, 9 và 10) có sự phù hợp rất tốt trong cả các phương pháp tính và đo đạc vì các vị trí này có suất liều cao và không chịu ảnh hưởng bởi các quá trình tương tác Sự sai khác giữa kết quả tính toán và mô phỏng MCNP tại các điểm bên ngoài buồng chiếu là do giả thiết về năng lượng chùm photon khác nhau, còn sai khác giữ MCNP so với TLD là do MCNP không tính đến phông phóng xạ môi trường
Kết quả tính toán và đo đạc trên nóc buồng chiếu
Trên nóc buồng chiếu, suất liều được xác định tại vị trí ống thông gió (điểm 15) và vị trí chiếu thẳng tới đầu phát chùm electron (điểm 14) Kết quả tính và đo suất liều trên nóc buồng chiếu được trình bày trong bảng 3
Bảng 3 Kết quả tính và đo suất liều trên nóc buồng chiếu
Điểm Lý thuyết Tính MCNP Đo thực nghiệm
D (Sv/h) D (Sv/h) D (Sv/h)
14 4,3E+01 8,3E+01 0,10 1,8E+01 0,07
Trang 615 6,1E+02 4,2E+02 0,06 2,47E+02 0,07 Điểm 14 và 15 trên nóc buồng chiếu là các vị trí có suất liều cao nhất so với các điểm bên ngoài buồng chiếu, đặc biệt khi phát chùm tia dưới thẳng đứng, hướng lên Với suất liều cao và có hướng thẳng đứng trên nóc buồng chiếu có khả năng tạo ra hiệu ứng skyshine, tuy nhiên theo tính toán thì suất liều gây bởi hiệu ứng skyshine thấp ( 10-3Sv/h)
Đánh giá an toàn bức xạ khi thiết bị vận hành
Để đánh giá an toàn bức xạ cho các nhóm đối tượng làm việc bên ngoài thiết bị chiếu xạ, thì cần so sánh đối chiếu suất liều tại nơi làm việc và thời gian làm việc của từng nhóm với liều lượng được phép giới hạn theo tiêu chuẩn ICRP [8] Suất liều tại các khu vực làm việc của các nhóm đối tượng so với tiêu chuẩn ICRP được cho trong bảng 4
Bảng 4 So sánh suất liều thực tế với tiêu chuẩn ICRP
Nhóm đối tượng Điểm Suất liều thực,
(Sv/h)
Tiêu chuẩn ICRP, (Sv/h)
Nhân viên tạp vụ, khách vãng lai 7 0,35 0,07 0,12
Trong bảng 4, suất liều thực được đo tích lũy bằng liều kế TLD kết quả đo bao gồm cả phông phóng xạ môi trường Đối với nhân viên bức xạ làm việc tại các khu vực được xác định trong bảng 4, suất liều thực tế (bằng phông, ngoại trừ điểm 12) thấp hơn một bậc so với tiêu chuẩn khuyến cáo của ICRP, hiển nhiên đây là khu vực làm việc an toàn cho nhân viên bức xạ Tại các khu vực bên ngoài buồng chiếu tính từ cửa ra vào băng tải (điểm 7) tới khu vực nạp dỡ hàng, suất liều đo TLD bằng phông môi trường còn kết quả từ MCNP không tính phông là 2,5x10-4 (Sv/h) thấp hơn ba bậc so với phông Từ kết quả tính và đo cho thấy suất liều bên ngoài buồng chiếu khi máy gia tốc vận hành là không đáng kể (0,1 % phông), nên khu vực làm việc của nhân viên nạp – dỡ hàng, nhân viên tạp vụ và khách vãng lai không chịu ảnh hưởng của bức xạ khi thiết bị vận hành
Khu vực cảnh báo bức xạ
Ngoài các khu vực làm việc thường xuyên của nhân viên bức xạ, nhân viên nạp – dỡ hàng, khách vãng lai được xác định là an toàn thì vẫn còn một số khu vực suất liều cao cần có cảnh báo bức xạ Khu vực được xác định suất liều cao là tại nóc buồng chiếu, đặc biệt khi phát chùm tia từ dưới hướng thẳng lên Bảng 5 chỉ ra các điểm có suất liều cao và thời gian làm việc tối đa khi cần khắc phục sự cố
Bảng 5 Suất liều và thời gian làm việc tối đa trên nóc buồng chiếu
Điểm Suất liều (Sv/h) Thời gian làm việc tối đa (h)
Theo bảng 5, tại điểm 14 nhân viên bức xạ được phép làm việc trong khoảng thời gian 2,7 giờ, còn điểm 15 chỉ được phép làm việc trong 0,2 giờ Tuy nhiên, với đặc trưng của máy gia tốc cho phép tắt – mở chùm tia theo
ý muốn nên trong trường hợp có sự cố độc lập với hệ điều khiển, người vận hành chủ động tắt chùm tia để khắc phục sự cố Trong thời gian chiếu xạ, cần có biển cảnh báo bức xạ tại cầu thang lên nóc buồng chiếu và nghiêm cấm việc leo lên nóc buồng chiếu khi thiết bị đang vận hành
KẾT LUẬN
Phương pháp xấp xỉ lý thuyết được sử dụng để tính toán và thiết kế che chắn an toàn cho hệ máy gia tốc, phương pháp này được tính trong trường hợp cực đoan nhất là toàn bộ chùm bức xạ hãm đều có năng lượng cực đại 10 MeV Kết quả thu được tại các khu vực làm việc của nhân viên vận hành có suất liều từ 2,0 6,0 Sv/h, khu vực nạp – dỡ hàng, khách vẵng lai có suất liều 10-3Sv/h Các kết quả này nàm trong giới hạn cho phép của ICRP Phương pháp mô phỏng với công cụ là chương trình MCNP mô tả lại toàn bộ cấu trúc bê tông che chắn,
vị trí phát chùm tia electron và các vật liệu hấp thụ electron sinh bức xạ hãm Toàn bộ các quá trình tương tác và
Trang 7các quá trình vật lý khác được MCNP mô tả dựa theo lý thuyết xác suất, từ đó chương trình cung cấp các tiện ích cho phép tính suất liều bên ngoài buồng chiếu Kết quả thu được từ MCNP không bao gồm phông phóng xạ môi trường, các điểm bên ngoài buồng chiếu có suất liều 10-4Sv/h, thấp hơn từ ba bậc so với phông với sai số dưới
20 %
Để có cơ sở vững chắc cho việc đánh giá an toàn bức xạ, phương pháp đo liều tích lũy (gồm phông) bằng liều kế TLD tại các điểm bên ngoài buồng chiếu đã được sử dụng Kết quả cho thấy suất liều tại các khu vực làm việc của nhân viên bức xạ, khu nạp – dỡ hàng ngang mức phông môi trường Điều này chứng tỏ sự đóng góp của bức xạ khi thiêt bị vận hành là không đáng kể và hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép của ICRP
Ngoài ra, nhóm thực hiện đề tài còn tính toán và đo đạc suất liều tại các vị trí liều cao bao gồm trong buồng chiếu, dọc đường băng tải, trong phòng ống gia tốc Kết quả cho thấy có sự phù hợp rất tốt (sai khác dưới 10 %) giữa các phương pháp tính và đo liều tích lũy bằng liều kết Fricke Đề tài còn được tính toán, đo đạc suất liều trên nóc buồng chiếu nơi bức xạ thoát ra theo đường thông gió nhằm thiết lập khu vực cảnh báo và khuyến cáo thời gian làm việc tại các khu vực đặc biệt nguy hiểm này
CALCULATION AND MEASUREMENT DOSE RATE AT THE CONTROL AREA OF ELECTRON BEAM ACCELERATOR UELR-10-15S2 AT RESEARCH AND
DEVELOPMENT CENTER FOR RADIATION TECHNOLOGY Nguyễn Anh Tuấn 1,2 , Trần Văn Hùng 2 , Cao Văn Chung 2 , Nguyễn Hoàng Hải 2
Research and Development Center for Radiation Technology
Email: tuanhoang666@yahoo.com
ABSTRACT
In order to provide data on the dose rate at the control area of electron beam accelerator UELR-10-15S2 for assessing radiation safety, the approximation method and MCNP simulation were used combined with Fricke dosimetry at high dose area and TLD dosimetry at low dose area At the high dose area: inside the irradiation room, accelerator room and along the conveyor, the results of the calculation methods are good agreed with the results of Fricke dosimeters At the low dose rate, they were calculated for the most extreme cases (10 MeV bremsstrahlung energy) by approximation method; the results are 6 Sv/h at the control room and 1.0 at the product loading – unloading MCNP code was applied to calculation dose rate without natural radioactive background, and the results outside irradiation room 10-4 Sv/h TLD dosimeters were used to accumulated measure in a month (including background) and the results obtained from 0.3 to 0.7 Sv/h, these values are equal to radioactive background
Keyword: Accelerator, radiation safety
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Jean-Luc Biarrotte, RF Cavities for Particle Acceleration, CNRS/IPN Orsay, 2009
[2] Corad service, Preliminary Calculation of Radiation Shielding for Electron Beam System Deliverred
Under Contract No 01/12-08-2, St Petertburg, Russia, 2009
[3] IAEA, Radiological Safety Aspects of the Operation of Electron Linear Accelerators, Technical Reports
Series 188, 1979
[4] NCRP, Radiation Protection Design Guidelines for 0.1-100 MeV Particle Accelerator Facilities, National
Council on Radiation and Measurements No.51, 1997
[5] Los Alamos National Laboratory, Monte Carlo N-Partical Code System, Los Alamos, New Mexico,
2000
[6] ASTM, Standards practice for using the Fricke Reference-Standard dosimetry system, Standards on
dosimetry for radiation processing, ASTM (2nd edition), pp 261-268, 2004
[7] www.jascoint.co.jp
[8] ICRP, The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection, Annals
of the ICRP Publication 103, 2007