CHƯƠNG 2 : NGUYÊN LÝ CHUẨN THIẾT BỊ ĐO LIỀU NEUTRON
2.5. Nguyên lý chuẩn thiết bị đo liều neutron bằng nguồn phát xạ neutron
2.5.1. Giới thiệu
Đối với một trường chuẩn neutron thì suất thơng lượng và phổ của neutron không được thay đổi nhiều trong không gian chiếu chuẩn của thiết bị được chuẩn. Nếu chùm tia nhỏ hơn kích thước đầu đo, ví dụ như trong trường hợp chùm tia qua
36
phin lọc trong lò phản ứng, thì phải qt chùm tia qua tồn bộ bề mặt của đầu đo. Trong trường hợp chiếu liều kế cùng với phantom, thì chùm tia phải qt qua tồn bộ phantom.
Nếu trường neutron biến thiên mạnh theo thời gian, ví dụ như chùm tia sinh ra từ máy gia tốc hay các thiết bị phát neutron, thì cần phải có một thiết bị thích hợp để theo dõi thơng lượng neutron cho từng lần đo. Những yêu cầu đối với các thiết bị như vậy là đáp ứng của chúng phải tuyến tính với suất thơng lượng, ổn định và có độ nhạy phù hợp.
Khi sử dụng máy gia tốc để tạo ra trường chuẩn neutron thì thơng lượng neutron tại điểm đo đạc ở khoảng cách tại góc q, F(q, ), phải được đo đạc từ các thiết bị chuẩn, giả sử như các thiết bị được ghi ở trong Bảng 2.4. Thiết bị chuẩn và thiết bị được chuẩn khi đó sẽ lần lượt được đặt tại một vị trí kiểm tra như nhau, hai số đọc từ hai thiết bị này đều phải được quy theo số đọc của thiết bị theo dõi. Số đọc (hoặc đáp ứng) của cả thiết bị chuẩn và thiết bị được chuẩn đều phải được hiệu chỉnh cho các hiệu ứng tán xạ của neutron bằng phương pháp tấm che chắn.
Đáp ứng của thiết bị đo liều neutron với bức xạ photon cũng cần phải được xác định, nói cách khác sự đóng góp của thành phần photon vào đáp ứng của thiết bị đo neutron phải được đánh giá và hiệu chỉnh nếu cần thiết. Việc đánh giá đáp ứng của thiết bị đo liều neutron với photon có thể sử dụng các nguồn , hay một số nguồn bức xạ photon thích hợp khác.
Hệ số chuẩn của thiết bị đo liều nói chung và đo liều neutron nói riêng là một đặc tính mang tính chất đặc trưng của loại thiết bị đó. Hệ số chuẩn này có thể phụ thuộc vào tương đương liều, phổ neutron tại điểm đo, góc tới của chùm neutron, tuy nhiên nó khơng thể phụ thuộc vào đặc tính của cơ sở chuẩn (như kích thước của phòng chuẩn) hay các kỹ thuật chuẩn được ứng dụng (như khoảng cách từ nguồn chuẩn đến thiết bị)[5], do đó việc chuẩn thiết bị phải được thực hiện trong trường bức xạ tự do.
Nội dung của luận văn này đề cập đến nguyên lý chuẩn thiết bị đo liều neutron với một nguồn bức xạ neutron chuẩn trong trường bức xạ tự do. Để hiệu chỉnh số
đọc của trường bức xạ thực tế về trường bức xạ tự do, một số yếu tố ảnh hưởng của trường bức xạ thực tế đến số đọc của thiết bị đo (như độ tuyến tính của thiết bị đo, hình học của thiết bị đo và nguồn, tán xạ từ tường và các đối tượng xung quanh) cũng được thảo luận trong luận văn này.
2.5.2. Nguyên lý chuẩn thiết bị đo liều neutron với một nguồn bức xạ neutron
Với phương pháp chuẩn này, nguồn đồng vị phát neutron nên được đặt ở tâm của phòng chuẩn và phải được nâng đỡ bằng các vật liệu cứng và ít gây tán xạ. Như đã đề cập ở trên, việc chuẩn thiết bị phải được thực hiện trong trường bức xạ tự do (để giảm thiểu các hiệu ứng phụ gây ra sai số của hệ số chuẩn). Do đó, trước khi thực hiện chuẩn thiết bị đo thì các thơng số của trường tự do phải được xác định trước như: thông lượng (F), suất thông lượng (j), tương đương liều môi trường -
∗(10). Các đại lượng này phải được đo đạc bằng thiết bị chuẩn hoặc thiết bị dẫn chuẩn từ chuẩn cấp một (như ghi trong Bảng 2.4). Sau khi các đại lượng chuẩn F, j hoặc ∗(10) của trường bức xạ tự do đã được xác định thì thiết bị cần chuẩn sẽ được đặt vào trường bức xạ tự do tại điểm chuẩn và số đọc của thiết bị cần chuẩn sẽ được ghi lại (gọi số đọc này là - số đọc này đã được hiệu chỉnh cho tất cả các hiệu ứng ảnh hưởng liên quan), khi đó:
đáp ứng thơng lượng trong trường tự do, F, của thiết bị được chuẩn là:
F =
F (2.2)
nếu là giá trị tốc độ đếm, khi đó:
F =
j (2.3)
Suất thông lượng của trường tự do, j, được tính theo cơng thức:
j= W (2.4) trong đó:
38
+ W: là hiệu suất phát neutron theo góc khối W (mục 2.2.1 và cơng thức
2.1). Giá trị này phải được xác định vì rất ít trường hợp nguồn là đẳng hướng, nó được xác định theo cơng thức sau:
W= . (q)
4 (2.5) với: + : là hiệu suất phát neutron tổng cộng trong tồn bộ góc khối 4.
+ (q): là hệ số hiệu chỉnh sự bất đẳng hướng của nguồn[2]. Hệ số hiệu chỉnh này cũng được chỉ ra cho hai loại nguồn phát xạ neutron trong Phụ lục C của tài liệu tham khảo[9].
Đôi khi sẽ thuận tiện hơn khi đưa ra khái niệm hệ số đặc trưng giữa nguồn và đầu đo, , hệ số này sẽ hiệu chỉnh cho tồn bộ các hiệu ứng tán xạ. Nói chung, ta có mối liên hệ:
= . (2.6) Từ cơng thức (2.3), (2.4) ta có:
= F.j. (2.7)
= F. W (2.8) Từ công thức (2.8) nhận thấy, hệ số phụ thuộc vào đại lượng F (nghĩa là phụ thuộc vào đầu đo) và phụ thuộc vào đại lượng W (nghĩa là phụ thuộc vào đầu đo và vào nguồn). Hệ số là xác định cho từng tổ hợp nguồn và đầu đo cụ thể.
Áp dụng công thức (1.3) với = = F.F [theo công thức (2.2)] và
=F. ℎF [theo công thức (1.6)], ta có đáp ứng tương đương liều của thiết bị được chuẩn có thể tính theo cơng thức:
= F
ℎF (2.9) trong đó, ℎF: là hệ số chuyển đổi thông lượng sang tương đương liều (một số giá trị có trong Bảng 2.1) hoặc tài liệu tham khảo[5,6,8]. Trong các báo cáo chuẩn thiết bị thì giá trị ℎF và tài liệu tham khảo phù hợp phải được chỉ ra.
Khi đo đạc trong một trường bức xạ neutron mà phổ thơng lượng neutron của nó đã được xác định, khi đó đáp ứng tương đương liều của nó sẽ được xác định theo cơng thức (2.9a)[11], với là suất tương đương liều neutron đã được hiệu chỉnh đo được bởi thiết bị.
=∫ F( )F ( )
∫ ℎF( )F ( ) =∫ ℎF( )F ( ) (2.9 ) Nhìn vào cơng thức (2.9) và (2.9a) ta nhận thấy: nếu biết giá trị F hoặc của thiết bị ta sẽ suy ra hệ số chuẩn của thiết bị đó (là nghịch đảo của cơng thức (2.9) hoặc (2.9a)). Đây cũng chính là nguyên lý chung cho việc chuẩn một thiết bị đo liều neutron với một nguồn phát xạ neutron.
2.5.3. Hiệu chỉnh hiệu ứng tán xạ của một nguồn bức xạ neutron
Đo đạc ban đầu
Những ảnh hưởng của neutron tán xạ trong phòng chuẩn vào số đọc của thiết bị đo nói chung phụ thuộc vào các yếu tố sau: loại đầu đo, khoảng cách từ đầu đo tới nguồn, kích thước và hình dạng thiết kế của phòng chuẩn. Số đọc của thiết bị, , nhận được bởi thành phần neutron trực tiếp và neutron tán xạ có thể biểu diễn dưới dạng biểu thức sau[10]:
( ) = . . ( )
( )+ ( ) − 1 (2.10) + : là khoảng cách từ tâm nguồn đến điểm chuẩn
+ : là hằng số đặc trưng phụ thuộc vào kích thước nguồn và đầu đo
+ : là hệ số hiệu chỉnh độ tuyến tính, nó hiệu chỉnh cho bất kỳ sự khác biệt nào về độ tuyến tính giữa số đọc của thiết bị và suất tương đương liều tạo ra số đọc đó
+ ( ): là hệ số hiệu chỉnh hình học
+ ( ): là hệ số hiệu chỉnh sự suy giảm trong khơng khí
+ ( ): là hàm hiệu chỉnh mô tả tất cả các ảnh hưởng khác từ neutron tán xạ. Ghi chú: Trong quá trình chuẩn thì tâm hiệu dụng của thiết bị phải được đặt tại
40
đặt trục của hình trụ vng góc với chùm tia chuẩn tại điểm chuẩn, nếu trục của hình trụ được đặt song song với hướng đến của chùm tia chuẩn thì một số hiệu chỉnh khác cần phải được thực hiện, tuy nhiên phương pháp này trên thực tế rất ít được sử dụng.
Hiệu chỉnh độ khơng tuyến tính,
Trước khi xác định hệ số hiệu chỉnh do tán xạ thì trước tiên cần thực hiện hiệu chỉnh độ khơng tuyến tính. Do đó, ( ) trong phương trình (2.10) phải được thay thế bởi ( ), với:
( ) = ( ) (2.11) Trong phần thực nghiệm của luận văn này xin được phép không bàn luận đến yếu tố độ tuyến tính và ta giả thiết hệ số tuyến tính của thiết bị lý tưởng là 1 ( = 1).
Hiệu chỉnh hình học, ( )
Hệ số hiệu chỉnh hình học sẽ hiệu chỉnh cho các hiệu ứng liên quan đến kích thước của nguồn và đầu đo. Đối với một nguồn điểm chiếu vào một đầu đo hình cầu, ( ) có thể được tính tốn qua cơng thức[10]:
( ) = 1 +d. 2. . 1 − 1 − − 1 (2.12)
d là tham số hiệu suất neutron, là bán kính của đầu đo. Đối với trường hợp
> 2
⁄ , phương trình trên có thể được viết như sau: ( ) = 1 +d
2. (2.13) đại lượng d phụ thuộc đôi chút vào [3], tuy nhiên trong phần lớn trường hợp d = 0.5 ± 0.1.
Chúng ta cịn có một cơng thức khác có thể tính hệ số hiệu chỉnh hình học cho một nguồn điểm, nhưng lại là cách duy nhất để tính hệ số hiệu chỉnh hình học cho nguồn hình cầu (nghĩa là nguồn có chất làm chậm bởi ) như sau[11]:
( ) = 1 +
(1 + . ) (2.14) với: = và là bán kính nguồn. Đối với một nguồn có kích thước vật lý nhỏ (coi như nguồn điểm, = 0) thì = 0.29 ± 0.02 và = 1.79 ± 0.02 đối với 8 cm ≤ 2 ≤ 25 cm. Giá trị này cũng có thể dùng cho nguồn − khi chuẩn thiết bị hình cầu với » 10 .
Trên thực tế khoảng cách từ nguồn đến đầu đo cũng cần phải chọn sao cho giá trị ( ) gần bằng 1 (nghĩa là khoảng cách phải lớn hơn hai lần đường kính của thiết bị)[10]. Phần thực nghiệm của luận văn này cũng giả thiết ( ) = 1.
Phương pháp tấm che chắn
Trong phòng chuẩn neutron, trường bức xạ neutron tại vị trí thiết bị được chuẩn ngoài chùm neutron trực tiếp cịn có cả neutron tán xạ. Phổ năng lượng neutron tán xạ và neutron trực tiếp là khác nhau dẫn đến đáp ứng của thiết bị với hai loại neutron này sẽ khác nhau (trừ khi đầu đo của thiết bị có đáp ứng năng lượng với neutron là hằng số). Do đó, cần phải tách biệt phổ neutron tán xạ và neutron trực tiếp, nghĩa là cần tính tốn được phần đóng góp do neutron tán xạ gây ra vào trong trường chuẩn và do vậy cần phải đưa vào hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng tán xạ của neutron.
Độ chính xác của phương pháp tấm che chắn phụ thuộc rất nhiều vào việc thiết kế tấm che chắn và khoảng cách hình học từ nguồn đến đầu đo. Trong luận văn này, tác giả cũng đề suất mơ hình thiết kế tấm che chắn (mục 4.1) dùng cho công tác chuẩn các thiết bị đo dạng hình trụ (ví dụ như: máy Aloka-TPS 451C).
Nói chung, đo đạc sẽ được thực hiện tại các khoảng cách lớn hơn hai lần kích thước của tấm che chắn (để cho hệ số hiệu chỉnh hình học ( ) = 1)[10].
Gọi ( ) và ( ) là số đọc nhận được bởi thiết bị khi có và khơng có tấm che chắn đặt giữa đầu đo và nguồn, ( ) là hệ số suy giảm trong khơng khí (sẽ được trình bày ở phần dưới). Khi đó ta có mối liên hệ:
[ ( ) − ( )]. ( ) = ( ). 1 − ( )
42
Một loạt các phép đo đạc sẽ được thực hiện để có được giá trị số đọc tổng cộng ( ) và số đọc tán xạ ( ) tại các khoảng cách khác nhau với điều kiện: kích thước che chắn của tấm che chắn cho phép lớn nhất bằng hai lần kích thước của nguồn chiếu lên đầu đo, khoảng cách mặt sau của tấm che chắn đến tâm hiệu dụng của đầu đo có kích thước nhỏ nhất bằng kích thước tổng cộng của tấm che chắn[5,6]. Đưa các giá trị ( ), ( ) vào cơng thức (2.15) để tính tốn. Khi thấy cơng thức (2.15) thỏa mãn, nghĩa là đáp ứng F được xác định theo cũng phù hợp với một trong các phương pháp hiệu chỉnh tán xạ khác. Khi đó thực hiện đo đạc ( ), ( ) trong dải mà công thức (2.15) thỏa mãn, và nếu biết ( ), ta sẽ tính được giá trị . Áp dụng cơng thức (2.8) ta sẽ tính được F và sẽ được suy ra từ phương trình (2.9). Hệ số chuẩn của thiết bị là nghịch đảo của giá trị
Hệ số hiệu chỉnh sự suy giảm trong khơng khí, ( )
Đóng góp vào hệ số suy giảm trong khơng khí chủ yếu gây ra bởi oxygen (O) và nitrogen (N). Tại nhiệt độ 21 , áp suất 100.4 kPa, độ ẩm 50% thì hệ số hiệu
chỉnh sự suy giảm trong khơng khí cho bởi cơng thức[10]:
( , ) = [( .S ( ) ) ] = {[3.88 ( ) + 1.04 ( )]. 10 . } (2.16) với: : là khoảng cách (tính theo cm) từ tâm của nguồn đến tâm của thiết bị đo
, : là tiết diện tương tác tổng cộng của neutron với N và O như là một hàm theo năng lượng cho trường bức xạ neutron đơn năng (ví dụ từ tệp tin dữ liệu hạt nhân - Evaluated Nuclear Data File ENDF/B-V).
S: hệ số suy giảm tuyến tính có được bằng cách lấy trung bình tiết diện tương tác tổng cộng của neutron đối với N và O qua dải phân bố phổ năng lượng neutron của nguồn. Một số giá trị của S của trường bức xạ neutron từ các nguồn đồng vị cho trong Bảng 2.5.
Bảng 2.5: Hệ số suy giảm tuyến tính S lấy trung bình qua tồn phổ của nguồn bức xạ neutron (độ lệch chuẩn ±15%)[3,4,9]
Nguồn neutron Hệ số suy giảm tuyến tính S
(10 )
làm chậm bởi bán kính 15 cm 2964 1055
(a, ) 833