Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy đo liều neutron

Báo cáo trình bày các kết quả nghiên cứu trong việc thiết kế, chế tạo máy đo suất tương đương liều neutron môi trường. Thiết bị được chế tạo bao gồm một khối đầu dò có cấu trúc làm chậm đa lớp và hệ điện tử ghi nhận đi kèm. Khả năng đo đạc suất tương đương liều neutron môi trường H*(10) của thiết bị đo được kiểm chứng tại phòng chuẩn neutron của Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân. Các kết quả khảo sát cho thấy thiết bị có độ nhạy cao (2.84 cps/µSv.h-1) và có khả năng thực thi tốt trong các trường neutron thực tế.

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ĐO LIỀU NEUTRON Mai Văn Diện Viện Khoa học Kỹ thuật hạt nhân Báo cáo trình bày kết nghiên cứu việc thiết kế, chế tạo máy đo suất tương đương liều neutron môi trường Thiết bị chế tạo bao gồm khối đầu dị có cấu trúc làm chậm đa lớp hệ điện tử ghi nhận kèm Khả đo đạc suất tương đương liều neutron môi trường H*(10) thiết bị đo kiểm chứng phòng chuẩn neutron Viện Khoa học Kỹ thuật hạt nhân Các kết khảo sát cho thấy thiết bị có độ nhạy cao (2.84 cps/µSv.h-1) có khả thực thi tốt trường neutron thực tế GIỚI THIỆU Việc khai thác ứng dụng lượng nguyên tử, hạt nhân đời sống khoa học ngày phát triển mạnh mẽ nhiều quốc gia giới Hiệu kinh tế - xã hội mà chúng đem lại không nhỏ Tuy nhiên, bên cạnh các lợi ích, các xạ ion hóa cịn gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe người môi trường xung quanh [1, 2] Theo thống kê, nước ta có khoảng 2100 nguồn phóng xạ sử dụng sở ứng dụng kỹ thuật hạt nhân; sở sử dụng máy gia tốc hạt để sản xuất đồng vị phóng xạ phục vụ y tế; trung tâm chiếu xạ sử dụng nguồn 60Co với hoạt độ phóng xạ lên tới hàng triệu Ci; lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu Đà Lạt có cơng suất 0,5 MW; 35 sở y học hạt nhân; hàng trăm sở sử dụng X quang 60 sở quản lý an toàn xạ thành lập theo pháp lệnh an toàn xạ phủ ban hành [3, 4] Trước tình hình đó, vấn đề giám sát đảm bảo an tồn xạ sở ứng dụng kỹ thuật hạt nhân ngày quan nhà nước xã hội quan tâm tốc lượng cao, thường diện thành phần xạ gamma neutron với phân bố lượng phức tạp Suất liều gây thành phần xạ lớn, cần phải đo đạc giám sát thường xuyên Việc đo liều gamma sở hạt nhân trang bị tương đối đầy đủ, nhiên vấn đề kiểm soát liều lượng gây thành phần neutron sở nhiều hạn chế Các thiết bị đo liều neutron thường dùng thiết bị xách tay sử dụng cho việc giám sát định kỳ mà chưa có thiết bị chuyên dụng giúp kiểm soát liều lượng cách thường xuyên liên tục Bên cạnh đó, máy đo thường thiết bị nhập ngoại có giá thành đắt gây khó khăn q trình sửa chữa, bảo dưỡng Nhằm tiến tới việc nội địa hóa thiết bị đo liều neutron nước ta, mục tiêu nghiên cứu phát triển thiết bị đo tương đương liều neutron môi trường dựa ống đếm tỉ lệ 3He Thiết bị chế tạo theo nguyên lý thiết kế máy đo liều neutron truyền thống (Conventional neutron survey meter [5, 6]) với cấu hình làm chậm sử dụng polyethylen mật độ cao (HDPE) Trường xạ xung quanh lò phản ứng hạt nhân, Cadimi (Cd) Hệ điện tử xây dựng kèm kho lưu giữ nguồn sở sử dụng máy gia có chức xử lý tín hiệu, hiển thị truyền 40 Số 68 - Tháng 9/2021 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN (1.2) liệu tới máy tính chủ thơng qua chuẩn giao tiếp RS232 Các đặc trưng độ nhạy, độ tuyến tính khả đo đạc suất tương đương liều neu- Từ (1.1) (1.2): tron môi trường kiểm chứng thông qua đo đạc thực nghiệm Phòng chuẩn neutron Viện Khoa học Kỹ thuật hạt nhân (1.3) trường hợp đáp ứng thông lượng thiết NỘI DUNG bị đo có dạng tương tự đường chuyển đổi liều, tỷ số h(Ek) R(Ek) 2.1 Nguyên lý thiết kế số giá trị tương đương liều neutron môi trường Tương đương liều neutron môi trường H*(10) H*(10) chuẩn hóa thơng qua số đọc xác định theo công thức sau: thiết bị đo với hệ số hiệu chuẩn, c, mô (1.1) tả công thức (1.5) Trong đó: Φ(E) (cm-2) là phổ thơng lượng neu(1.4) tron vị trí đo; h(E)(pSv.cm2) là hệ số chuyển H*(d) = c x M (1.5) đổi từ thông lượng sang tương đương liều neutron môi trường (cung cấp bởi ICRP 74 [7]) Để đạt cấu hình đầu dị thỏa mãn điều kiện Phương trình (1.1) cho phép xác định tương trên, thực tính tốn Monteđương liều neutron mơi trường H*(10) biết Carlo nhằm xác định cấu hình tối ưu cho thiết bị phổ thông lượng neutron tới Đại lượng có đo Các mơ thực với ống đếm tỉ thể đo đạc phổ kế cầu Bonner lệ He có kích thước 15 x 2,54 (cm) hãng Cenphổ kế thời gian bay (TOF) Tuy nhiên, tronics (UK) chế tạo Đáp ứng thông lượng phương pháp cần thời gian đo dài yêu cầu ống đếm với cấu hình làm chậm khác thuật toán xử lý phức tạp Ngồi ra, đầu dị sử tính tốn dựa số phản ứng He(n, p) dụng để đo đạc neutron thường nhạy t sinh vùng hoạt đầu dò Trong với dải lượng định, việc xác trình mô phỏng, tham số bề dày nhiệt định phổ thơng lượng neutron thiết bị hóa, vị trí kích thước lớp hấp thụ đo liều khó khăn Để khắc phục điều này, điều chỉnh thu hàm đáp thiết bị đo thường thiết kế để có ứng lượng phù hợp theo khuyến cáo cấu hình đầu dị với đáp ứng thơng lượng có dạng tiêu chuẩn quốc tế IEC 61005-2014 [8] tương tự đường chuyển đổi liều h(E) [1, 5, 6] Phương pháp cho phép xác định giá trị H*(10) cách đơn giản qua số đếm ghi nhận mà không cần quan tâm tới lượng xạ tới Giả sử rằng: M R(Ek) số đọc đáp ứng thông lượng thiết bị đo liều neutron Ta biểu diễn mối quan hệ đại lượng theo công thức sau: 2.2 Cấu hình thiết bị đo Thiết bị chế tạo có cấu trúc hình Trong đó, ống đếm tỷ lệ 3He đặt vị trí trung tâm, bao quanh khối làm chậm có kích thước 20,5 x 24,5 (cm) Cấu trúc làm chậm gồm lớp polyethylene mật độ cao với bề dày cm 2,7 cm, lớp Cd có bề dày mm Để tăng cường đáp ứng thiết bị đo vùng neutron nhiệt, lớp Cd đục lỗ với tổng Số 68 - Tháng 9/2021 41 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN xung, MCA (1024 kênh) SCA (hình 2) Trong đó, tiền khuếch đại thiết kế có hệ số khuếch đại 1400 mV/pC, độ ổn định cao nhiễu thấp (ENC = 200 electron) Khối hình thành xung có nhiệm vụ khuếch đại hình thành xung với biên độ lối có giá trị từ 0-5 V Các xung sau đưa vào MCA SCA để hình thành hai chế độ đo đạc độc lập Trong đó, chế độ MCA đóng vai trị chức phụ trợ sử dụng trình hiệu chuẩn nhằm khảo sát phổ lượng đặc trưng phản ứng (n, p) xác định ngưỡng cắt phù hợp cho SCA Các giá trị thiết lập việc điều khiển DAC-10bit (MCP 4912) thông qua hệ thống phần mềm máy tính chủ Khi hoạt động chế độ SCA, thiết bị đếm xung xạ tính tốn suất tương đương liều neutron mơi trường tương Hình Cấu trúc khối đầu dị ứng Hình phổ lượng đặc trưng Hệ điện tử chế tạo với khối chức phản ứng bắt 3He(n,p)t ghi nhận thiết bị bao gồm: cao thế, tiền khuếch đại, khối hình thành đo chiếu với nguồn 241Am-Be diện tích mở 10% diện tích đầu dị Các lỗ mở bố trí vị trí cách dọc theo trục ống đếm nhằm cải thiện đáp ứng góc thiết bị đo Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ điện tử chế tạo 42 Số 68 - Tháng 9/2021 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Phổ đặc trưng ghi nhận thiết bị đo bao gồm đỉnh lượng tồn phần 764 keV đỉnh đơn triton proton 191 573 keV Tại vùng lượng thấp, xuất đỉnh nhỏ gây xạ gamma sinh trình làm chậm neutron Để loại trừ đóng góp gamma nhiễu điện tử, ngưỡng thấp SCA lựa chọn gần đỉnh thoát proton cho hệ thống ghi nhận loại trừ hầu hết xạ gamma suất liều 10 mSv/h lượng 662 keV 137Cs (hình 4) Hình 2.2 Hình ảnh hệ điện tử chế tạo KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Nhằm khảo sát độ nhạy khả làm việc thiết bị đo, đo đạc thực nghiệm tiến hành phòng chuẩn neutron Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân Hệ đo chiếu chuẩn với nguồn 241Am-Be có lượng trung bình 4,2 MeV suất lượng 1,287 x 107 n/s Hình Phổ lượng đặc trưng phản ứng bắt 3He(n,p)t Hình Bố trí thí nghiệm phịng chuẩn neutron viện KH&KT hạt nhân - Độ tuyến tính thiết bị đo Hình Khảo sát thiết bị đo trường chuẩn 137 Cs (662 keV) với suất liều khác Các phép đo thực khoảng cách 80 cm, 100 cm, 150 cm 200 cm nhằm đánh giá độ tuyến tính thiết bị đo dải liều từ 50 µSv/h tới 300 µSv/h Hình đồ thị biểu diễn mối quan hệ tốc độ đếm mà thiết bị ghi nhận suất tương đương liều mơi trường vị trí khảo sát Các kết cho thấy hệ đo có độ nhạy cao (2.84 cps/µSv.h-1) độ tuyến tính tốt Số 68 - Tháng 9/2021 43 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN tồn dải đo Hình Mối liên hệ tốc độ đếm tương đương liều môi trường H*(10) bị đo với trường biến điệu 241Am-Be sử dụng khối làm chậm có đường kính 20cm, 25cm, 30cm, 35cm, cho phép đánh giá khả làm việc thiết bị đo trường thực tế Các kết ghi nhận thiết bị đo so sánh với suất liều chuẩn phòng chuẩn cung cấp kết ghi nhận thiết bị Aloka TPS-451C cấu hình đo Bảng trình bày kết đo ghi nhận Hầu hết kết đo cho sai số nhỏ 12% so với giá trị liều chuẩn Các kết tương tự kết ghi nhận hệ Aloka TPS-451C hãng Hitachi (Nhật Bản) chế tạo - Khả làm việc thiết bị đo KẾT LUẬN trường neutron giả lập thực tế Thiết bị chế tạo dựa ống đếm tỷ lệ 3He Trong trường xạ thực tế, neutron thường có với cấu hình làm chậm đa lớp làm từ vật liệu polphân bố lượng phức tạp Việc khảo sát thiết Bảng Kết đo đạc tương đương liều neutron môi trường số trường biến điệu 241Am-Be 44 Số 68 - Tháng 9/2021 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN yethylen mật độ cao Cd Hệ đo có kích thước khoảng 20,5 cm x 24,5 cm trọng lượng nhỏ kg Hệ điện tử ghi nhận kèm thiết kế tích hợp MCA SCA cho phép loại trừ hầu hết tín hiệu gamma nhiễu điện tử mà trì hiệu suất ghi nhận xạ neutron Với độ nhạy cao (2,84 cps/µSv/h) khả thực thi tốt trường neutron thực tế, thiết bị sử dụng cho việc kiểm sốt an tồn xạ sở ứng dụng kỹ thuật hạt nhân nước TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] RJ Tanner et al., “Practical Implications of neutron survey instrument performance”, Radiation Protection Dosimetry, HPA-RPD-016, 2016 [2] IAEA, “Neutron monitoring for radiological protechtion”, IAEA Technique report, 1985 [3] Vũ Văn Tiến, “Nghiên cứu, khảo sát đặc trưng ống đếm neutron để thiết kế thiết bị đo liều neutron”, Báo cáo tổng kết ĐTCS, 2013 [4] Lương thị Hồng, “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm thiết bị đo liều neutron nhằm kiểm soát liều lượng xạ neutron sử dụng công nghiệp”, Báo cáo tổng kết ĐTCB, 2018 [5] T M Oakes et al., “An accurate and portable solid state neutron rem meter” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 719, 6-12 [6] J Saegusa et al., “Evaluation of energy responses for neutron dose-equivalent meters made in Japan”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 516 (2004), p.p 193–202 [7] ICRP, “The International Commission on Radiological Protection”, Publication 74, 1996 [8] IEC international standard, “Radiation protection instrumentation – Neutron ambient dose equivalent (rate) meters”, IEC-61005 (2014) Số 68 - Tháng 9/2021 45 ... Báo cáo tổng kết ĐTCS, 2013 [4] Lương thị Hồng, ? ?Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm thiết bị đo liều neutron nhằm kiểm soát liều lượng xạ neutron sử dụng công nghiệp”, Báo cáo tổng kết ĐTCB, 2018... Hầu hết kết đo cho sai số nhỏ 12% so với giá trị liều chuẩn Các kết tương tự kết ghi nhận hệ Aloka TPS-451C hãng Hitachi (Nhật Bản) chế tạo - Khả làm việc thiết bị đo KẾT LUẬN trường neutron. .. làm việc thiết bị đo trường thực tế Các kết ghi nhận thiết bị đo so sánh với suất liều chuẩn phòng chuẩn cung cấp kết ghi nhận thiết bị Aloka TPS-451C cấu hình đo Bảng trình bày kết đo ghi nhận