Nghiên cứu này trình bày quá trình xác định các thông số đo liều của thành phần tổng cộng trong trường chuẩn liều neutron của nguồn 239Pu - Be tại Viện Hóa học Môi trường Quân sự (VHHMTQS, thuộc Binh chủng Hóa học – Bộ Quốc phòng).
Vật lý TRƯỜNG CHUẨN LIỀU NEUTRON CỦA NGUỒN THÔNG SỐ ĐO LIỀU CỦA THÀNH PHẦN TỔNG CỘNG : Nguyễn Minh Công1, Đinh Tiến Hùng1, Cao Văn Hiệp1, Nguyễn Thị Thoa1, Nguyễn Ngọc Quỳnh2, Phạm Đức Khuê2, Lê Ngọc Thiệm2* Tóm tắt: Nghiên cứu trình bày trình xác định thông số đo liều thành phần tổng cộng trường chuẩn liều neutron nguồn Viện Hóa học Mơi trường Qn (VHHMTQS, thuộc Binh chủng Hóa học – Bộ Quốc phịng) Các thơng số đo liều thành phần tổng cộng đánh giá thông qua đo đạc sử dụng hệ phổ kế cầu Bonner phần mềm tách phổ neutron thương mại quốc tế FRUIT Cụ thể, đại lượng sau đo đạc, tính tốn: suất thơng lượng neutron tồn phổ ( ), suất liều neutron mơi trường tồn phổ ( ̇ ), lượng neutron trung bình tồn phổ thơng lượng ( ̅ , lượng neutron trung bình tồn phổ liều môi trường ( ̃ ), hệ số chuyển đổi từ thông lượng sang liều môi trường ( ̅ ) Kết cho thấy, trường chuẩn liều neutron nguồn (tại VHHMTQS) sử dụng để hiệu chuẩn thiết bị đo liều neutron dải suất liều môi trường trung bình ( ̇ < 50 µSv/h) Từ khóa: Nguồn ; Thông số đo liều; Liều môi trường; Thông lượng; Thành phần tổng cộng GIỚI THIỆU Các trường chuẩn liều neutron thiết lập với mục đích hiệu chuẩn máy đo liều neutron nghiên cứu, phát triển nhiều nhóm nghiên cứu giới [1-6] Việt Nam [7-10] Trong nghiên cứu này, hệ phổ kế cầu Bonner (BSS) [11] phần mềm tách phổ neutron thương mại FRUIT [12] áp dụng nhiều nhóm nghiên cứu giới Trong trường chuẩn liều neutron thường bao gồm ba thành phần đóng góp vào số đọc hệ đo, thiết bị đo: (i) thành phần trực tiếp, thành phần đến đầu dị mà khơng tương tác với đối tượng khác (đây thành phần chất nguyên khai nguồn phóng xạ, thành phần gần khơng thể tồn độc lập thực tế, thường tính tốn sau q trình đo đạc thực nghiệm); (ii) thành phần tán xạ, thành phần đến đầu dò tham gia tương tác với vật chất xung quanh (thành phần thường tính tốn sau q trình đo đạc thực nghiệm); (iii) thành phần tổng cộng trường neutron (là tổng hai thành phần kể trên, thường đo đạc trực tiếp trình thực nghiệm) Trong nghiên cứu này, thành phần tổng cộng trường chuẩn liều neutron sử dụng nguồn xác định đặc trưng đo liều năm khoảng cách (cách nguồn neutron từ 1000 mm đến 3000 mm, với bước chạy 500 mm), cụ thể sau: suất thơng lượng neutron tồn phổ ( ), suất liều neutron mơi trường tồn phổ ( ̇ ), lượng neutron trung bình tồn phổ thơng lượng ̅ , lượng neutron trung bình tồn phổ liều mơi trường ̃ , hệ số chuyển đổi từ thông lượng sang liều môi trường ( ̅ ) Các thông số đo liều xác định dựa đo đạc sử dụng hệ BSS phần mềm tách phổ neutron FRUIT Trường chuẩn liều neutron VHHMTQS thiết lập nhằm đáp ứng nhu cầu hiệu chuẩn thiết bị đo neutron Việt Nam, quan thứ hai Việt Nam thiết lập thành công trường chuẩn liều neutron trường chuẩn neutron Việt Nam (tính đến nay) sử dụng nguồn THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Phòng chuẩn nguồn neutron Phòng chuẩn liều neutron VHHMTQS lắp đặt nguồn có hiệu suất phát neutron 4.6x vào năm 1981 (với độ không đảm bảo đo tiêu chuẩn 8%, độ tin cậy 106 N M Công, …, L N Thiệm, “Trường chuẩn liều neutron … thành phần tổng cộng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 68%), với chu kỳ bán rã 2.41x năm, hiệu suất phát neutron nguồn xem không thay đổi thời gian sử dụng Nguồn neutron có dạng hình trụ với đường kính 29 mm chiều cao 33 mm lắp đặt độ cao 1500 mm, cách tường phía sau 1500 mm cách hai tường bên cạnh Khoảng cách khảo sát thông số đo liều trường chuẩn neutron nằm khoảng cách nguồn từ 1000 mm đến 3000 mm Kích thước (theo mm) phịng lắp đặt nguồn hình Phịng lắp đặt nguồn neutron có tầng với bề dày tường xung quanh 220 mm xây gạch đặc (đảm bảo an toàn nhân viên xạ làm việc xung quanh, suất liều mơi trường cao bên ngồi phịng lắp đặt nguồn có giá trị ̇ < ) Hình Mặt chiếu phòng chuẩn liều neutron Viện Hóa học Mơi trường Qn sự, kích thước ghi hình vẽ có đơn vị mm 2.2 Hệ phổ kế cầu Bonner Hệ phổ kế BSS trang bị VHHMTQS bao gồm đầu dò neutron nhiệt (ký hiệu “bare” hình 2) sáu cầu làm chậm sử dụng vật liệu polyethylene mật độ cao (khối lượng riêng, = ) với đường kính 2, 3, 5, 8, 10, 12 inch Như yêu cầu trình hoạt động, đáp ứng thông lượng theo lượng cầu BSS đơn vị thông lượng neutron tới (thường gọi hàm đáp ứng thông lượng neutron cầu BSS, có đơn vị ) phải xác định Trong nghiên cứu này, hàm đáp ứng thông lượng neutron cầu BSS xác định mô MCNP6 [13] biểu diễn hình Độ tin cậy hàm đáp ứng thơng lượng neutron cầu BSS khẳng định nghiên cứu trước nhóm tác giả [10] thông qua việc so sánh giá trị mô với số liệu công bố Cơ quan Năng lượng Nguyên tử quốc tế (IAEA) [14] Hình Kết mô đáp ứng thông lượng neutron ( ) cầu BSS (đầu dò neutron nhiệt (ký hiệu “bare”), cầu BSS ký hiệu theo kích thước đường kính tính theo inch chúng) [14] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 107 Vật lý 2.3 Tách phổ neutron Trong nghiên cứu này, phổ thông lượng neutron xác định năm khoảng cách khác (cách nguồn từ 100 cm đến 300 cm với bước chạy 50 cm) Phường trình (1) mơ tả mối liên hệ số đọc cầu BSS thứ i ( ) với phổ thông lượng neutron tới ( ) đáp ứng thơng lượng cầu BSS vùng lượng thứ j ( , j lựa chọn 120 vùng khoảng lượng từ đến 20 MeV - dựa vùng quy định ICRP 116 [16]) Trong đó, có thơng qua thí nghiệm, đơn vị thường số đếm giây ( ), giá trị đo đạc khoảng thời gian thích hợp cho sai số thống kê chúng đạt 1%; có từ mơ từ số liệu công bố tài liệu tham khảo (trong nghiên cứu này, giá trị mơ tả hình 2); phổ thơng lượng neutron, phụ thuộc thông lượng neutron theo lượng neutron tới ( ) cần phải tìm (dạng viết đầy đủ là: ) Trong nghiên cứu này, xác định phần mềm tách phổ thương mại quốc tế FRUIT ∑ (1) Phần mềm FRUIT phát triển Bedogni R., có giao diện thân thiện với người sử dụng Phương pháp tách phổ dựa mối quan hệ tuyến tính, theo phương trình (2), phổ thơng lượng neutron toàn dải bốn phổ khác tại: khoảng nhiệt ( ), khoảng nhiệt ( ), khoảng nhanh ( ), khoảng lượng cao ( ) Trong đó: ( ) phổ thông lượng neutron nhiệt (thành phần đóng góp là: ) có phân bố Maxell; ( ), ( ) ( ) phổ thông lượng neutron nhiệt, nhanh cao với thành phần đóng góp , , Trong nghiên cứu này, , đó, phương trình (2) viết thành phương trình (3) với số “ ” mơ tả cho thành phần tương ứng lại ( ) ( ) ( ) ( ) ∑ ( ) ( ) ( ) (2) (3) Tại khoảng cách, tập hợp bảy số đọc (một giá trị từ đầu dò “bare” sáu giá trị từ cầu BSS) với bảy hàm đáp ứng thông lượng tương ứng ( ) (xem hình 2) sử dụng làm số liệu đầu vào cho phần mềm tách phổ FRUIT để xác định phổ thông lượng neutron tới ( ) (có đơn vị là: ) Kết tách phổ phần mềm FRUIT cho ta giá trị phân bố thông lượng neutron ( ) theo lượng tới (từ nhiệt đến 12 MeV, tùy chọn người sử dụng), với định dạng ⁄ (đơn vị là: ) 2.4 Tính tốn thông số đo liều trường chuẩn neutron Từ giá trị ( ) xác định từ phần mềm tách phổ FRUIT, đại lượng đo liều khác thành phần tổng cộng trường chuẩn neutron xác định theo khuyến cáo tiêu chuẩn ISO 8529-1 [15], cụ thể sau: 1) Tổng suất thông lượng neutron tồn dải phổ thơng lượng neutron thành phần tổng cộng ( , đơn vị là: ) xác định theo công thức (4) ∑ ( ) (4) 2) Suất liều môi trường gây xạ neutron thành phần tổng cộng trường chuẩn neutron ( ̇ đơn vị quy đổi ) tính tốn theo cơng thức (5) 108 N M Công, …, L N Thiệm, “Trường chuẩn liều neutron … thành phần tổng cộng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong đó, hệ số chuyển đổi từ thơng lượng sang liều môi trường neutron, hệ số lấy từ tài liệu tham khảo Cơ quan An toàn xạ quốc tế (ICRP) [16] ̇ ∑ ̇ ∑ ( ) ( ) (5) 3) Năng lượng neutron trung bình tồn phổ thơng lượng neutron thành phần neutron tổng cộng trường chuẩn ( ̅ , đơn vị là: MeV) tính tốn theo cơng thức (6) ∑ ∑ ( ) ̅ (6) ∑ ( ) 4) Năng lượng neutron trung bình tồn phổ liều môi trường thành phần neutron tổng cộng trường chuẩn ( ̃ , đơn vị là: MeV) tính tốn theo cơng thức (7) ∑ ∑ ( ) ( ) ̃ (7) ∑ ( ) ( ) 5) Hệ số chuyển đổi từ thông lượng neutron sang liều môi trường thành phần tổng cộng trường chuẩn neutron ( ̅ , đơn vị chuyển đổi sang ) tính theo cơng thức (8) ̇ ̅ (8) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phổ thơng lượng neutron Hình mơ tả phân bố suất thông lượng neutron theo lượng (thường gọi phổ thông lượng neutron) khoảng cách khác trường chuẩn neutron nguồn Từ hình ta thấy: Phổ thơng lượng neutron khoảng cách gần nguồn có đỉnh lượng cao lớn (do suy giảm theo khoảng cách) đỉnh lượng nhiệt thấp (do nhiệt hóa hơn) so với phổ vị trí xa nguồn, phần lượng trung bình có xu khơng thay đổi nhiều khoảng cách khác phịng chuẩn Hình Phân bố suất thông lượng neutron theo lượng, khoảng cách khác trường chuẩn neutron nguồn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 109 Vật lý 3.2 Thông số đo liều thành phần tổng cộng trường chuẩn neutron Các thông số đo liều thành phần tổng cộng trường chuẩn neutron nguồn tính tốn cho bảng Từ kết cho thấy: Năng lượng neutron trung bình ̅ giảm từ 2.94 MeV (tại 1000 mm) xuống 0.65 MeV (tại 3000 mm); ̃ giảm từ 4.06 MeV (tại 1000 mm) xuống 1.50 MeV (tại 3000 mm) làm cho hệ số ̅ giảm từ 302 (tại 1000 mm) xuống 173 (tại 3000 mm) Trường chuẩn liều neutron dùng để hiệu chuẩn thiết bị đo ̇ khoảng 50 Dựa nguyên lý dẫn truyền sai số, độ không đảm bảo đo tiêu chuẩn (với độ tin cậy 68%) ̇ ước tính khoảng 20% với đóng góp từ nguồn sai số sau: hiệu suất phát neutron nguồn (8%, từ chứng nguồn), sai số thống kê trình đo đạc (1-2%), sai số thống kê trình tách phổ (3-5%, từ kết FRUIT), sai số hệ số chuyển đổi từ thông lượng neutron sang liều môi trường (4%, tài liệu tham khảo [14]), số nguồn khác (5%) Với dải liều ̇ khoảng trung bình (< 50 ) độ khơng đảm bảo đo tiêu chuẩn khoảng 20% chấp nhận cho mục đích đánh giá an tồn xạ Bảng Thông số đo liều thành phần tổng cộng trường chuẩn neutroncủa nguồn với sai số thống kê tương ứng (tính tốn từ phần mềm FRUIT) Khoảng cách (mm) ̇ ( ) ( ̅ ) ̅ ̃ (MeV) (MeV) ( ) 1000 41.3 ± 0.9 44.9 ± 1.4 2.94 4.06 302 ± 1500 23.7 ± 0.3 21.8 ± 0.3 1.97 3.16 256 ± 2000 18.0 ± 0.2 15.1 ± 0.3 1.70 2.98 233 ± 2500 15.0 ± 0.2 11.2 ± 0.2 1.27 2.48 208 ± 3000 11.8 ± 0.1 7.4 ± 0.2 0.65 1.50 173 ± Ghi chú: : Suất thông lượng neutron tồn phổ ̇ : Suất liều neutron mơi trường tồn phổ ̅ : Năng lượng neutron trung bình tồn phổ thơng lượng ̃ : Năng lượng neutron trung bình tồn phổ liều mơi trường ̅ : Hệ số chuyển đổi từ thông lượng sang liều môi trường KẾT LUẬN Các thông số đo liều thành phần tổng cộng trường chuẩn liều neutron nguồn (tại Viện Hóa học Mơi trường Qn sự) xác định dựa đo đạc hệ phổ kế cầu Bonner phần mềm tách phổ neutron FRUIT Kết xác định liều môi trường xạ neutron nằm khoảng nhỏ 50 (với độ không đảm bảo đo tiêu chuẩn 20%) cho thấy trường chuẩn liều neutron dùng cho mục đích hiệu chuẩn đánh giá an toàn xạ Giá trị lượng trung bình theo phổ thơng lượng theo phổ liều mơi trường trường chuẩn neutron có giá trị biến thiên 2.94 MeV 4.06 MeV (tương ứng với hệ số chuyển đổi từ thông lượng sang liều môi trường khoảng từ 173 đến 302 , khoảng cách tới nguồn neutron từ 1000 mm đến 3000 mm) Cần thiết phải có biện pháp làm tăng giá trị suất liều môi trường trường chuẩn neutron để công tác hiệu chuẩn thiết bị thuận lợi thực dải rộng 110 N M Công, …, L N Thiệm, “Trường chuẩn liều neutron … thành phần tổng cộng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Bộ Quốc Phòng với mã số đề tài là: 2308/2019/HĐKHCN Đề tài thực Viện Hóa học Mơi trường Qn sự chủ quản Binh chủng Hóa học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] Bedogni, R., Bortot, D., Buonomo, B., Esposito, A., Gömez-Ros, J.M., Introini, M.V., Mazzitelli, G., Moraleda, M., Pola, A., Romero, A.M; “A single-exposure, multidetector neutron spectrometer for workplace monitoring”; Radiation Protection and Dosimetry Vol.170, 326–330 (2016) Bedogni, R., Domingo, C., Roberts, N., Thomas, D.J., Chiti, M., Esposito, A., Garcia, M.J., Gentile, A., Liu, Z.Z., De-San-Pedro, M; “Investigation of the neutron spectrum of Americium– Beryllium sources by Bonner sphere spectrometry”; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol.763, 547–562 (2014) Vega-Carrillo, H.R., Gallego, E., Lorente, A., Isabel, P.R., Méndez, R; “Neutron features at the UPM neutronics hall”; Applied Radiation and Isotopes, Vol.70, 1603–1607 (2012) Park, H., Kim, J., Choi, K.O; “Neutron calibration facility with radioactive neutron sources at KRISS” Radiation Protection and Dosimetry, Vol.126, 159-162 (2007) Liamsuwan, T., Channuie, J., Wonglee, S., Kowatari, M., Nishino, S; “Characterization of an inhouse developed multi-cylindrical moderator’s neutron spectrometer”; Radiation Protection and Dosimetry, Vol.180 (1-4), 94-97 (2018) Thomas, D.J., Alevra, A.V; “Bonner sphere spectrometers Critical review”; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol.476,12-20 (2002) Le, T.N, Tran, H.N., Nguyen, K.T., Trinh, G.V.; “Neutron calibration field of a bare source in Vietnam”; Nuclear Engineering and Technology, Vol.49, 277–284 (2017) Le, T.N, Tran, H.N., Nguyen, Q.N., Trinh, G.V., Nguyen, K.T.; “Characterization of a neutron calibration field with source using Bonner sphere spectrometers”; Applied Radiation and Isotopes, Vol.133, 68–74 (2018) Le, T.N, Hoang, S.M.T., Nguyen, Q.N., Thiansin L., Tran, H.N., “Simulated workplace neutron fields of source moderated by polyethylene spheres”; Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry; Vol.321, 313–321 (2019) Le, T.N,; “Establishment of Neutron Reference Fields in Vietnam: A Review”; Philippine Journal of Science; Vol.149 (3-a), 947-954 (2020) Cruzate, J.A., Carelli, J., Gregori, B.; “Bonner sphere spectrometer”, In: Workshop on Uncertainty Assessment in Computational Dosimetry: a Comparison of Approaches Bologna, Italia, 8–10 October (2007) Bedogni, R., C Domingo, A Esposito, and F Fernéndez; “FRUIT: An operational tool for multisphere neutron spectrometry in workplaces”; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol.580 (3), 1301–1309 (2007) C.J Werner (ed.), MCNP User’s Manual, Code Version 6.2 (Los Alamos National Laboratory, USA (2017) IAEA Technical Reports Series No.403; “Compendium of neutron spectra and detector responses for radiation protection purposes – Supplement to technical reports series No 318”; International Atomic Energy Agency, Technical Report 403 (2001) ISO 8529-1:2001 (E); “Reference neutron radiations – Part 1: Characteristics and methods of production”; International Standard Organization, Technical Report (2001) [16] ICRP Publication 116; “Conversion Coefficients for Radiological Protection for External Radiation Exposures”; Annal of ICRP 40 (2–5) (2010) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 111 Vật lý ABSTRACT NEUTRON CALIBRATION FIELD OF SOURCE: DOSIMETRIC QUANTITIES OF THE TOTAL COMPONENT This paper presents the determination of the dosimetric parameters of the total component in the neutron calibration field using a source established at the Military Institute of Chemical and Environmental Engineering, MICEE (belonging to the High Command of Chemistry – Ministry of National Defense) The dosimetric parameters of the total component are evaluated through measurements using the Bonner sphere spectrometer (BSS) and the international commercial neutron unfolding code (FRUIT) Specifically, the following quantities are measured and calculated: total neutron fluence rates , total neutron ambient dose rates ̇ , neutron fluence-averaged energies ̅ , neutron ambient dose-averaged energies ̃ , neutron fluence-to-ambient dose conversion coefficients ̅ The experimental results show that the neutron calibration field of (at MICEE) can be used to calibrate the neutron ambient dose rate meters within the range ̇ < 50 µSv/h Keywords: source; Dosimetric quantities; Ambient dose; Fluence; Total component Nhận ngày 03 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 28 tháng năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 29 tháng năm 2021 Địa chỉ: 1Viện Hóa học Mơi trường Qn Sự, An Khánh, Hoài Đức, Hà Nội; Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân, Cầu Giấy, Hà Nội *Email: lengocthiem@vinatom.gov.vn 112 N M Công, …, L N Thiệm, “Trường chuẩn liều neutron … thành phần tổng cộng.” ... Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 109 Vật lý 3.2 Thông số đo liều thành phần tổng cộng trường chuẩn neutron Các thông số đo liều thành phần tổng cộng trường chuẩn neutron nguồn tính tốn cho bảng... chuyển đổi từ thông lượng sang liều môi trường KẾT LUẬN Các thông số đo liều thành phần tổng cộng trường chuẩn liều neutron nguồn (tại Viện Hóa học Môi trường Quân sự) xác định dựa đo đạc hệ phổ... thơng số đo liều trường chuẩn neutron Từ giá trị ( ) xác định từ phần mềm tách phổ FRUIT, đại lượng đo liều khác thành phần tổng cộng trường chuẩn neutron xác định theo khuyến cáo tiêu chuẩn