Tệp đầu vào dùng để khai báo thông tin về cấu trúc hình học, vật liệu, vị trí của các vật bên trong khu vực cần mô phỏng.
Tệp đầu vào gồm ba phần chính là: thẻ ô, thẻ mặt và thẻ dữ liệu có cấu trúc như sau: [5] Thẻ ô ( định nghĩa các ô mạng) ……….. Dòng trống Thẻ mặt (định nghĩa các mặt) ………... Dòng trống
Thẻ dữ liệu (loại hạt tới, vật liệu, nguồn, Tally,…) ………
a.Thẻ ô
MCNP có khả năng mô tả hình học ba chiều bất kì. Hình học của vật chất được tạo thành từ nhiều ô, mỗi ô là sự kết hợp của một hay nhiều mặt thông qua các toán tử Boolean: toán tử giao (khoảng trắng), toán tử hợp (dấu “:”) và toán tử bù ( dấu “#”). Một ô có thể được lấp đầy bằng vật chất hay chân không
Một ô được định nghĩa trên thẻ ô theo cấu trúc sau: j m d geom params Trong đó: j: chỉ số ô.
m: chỉ số vật chất trong ô, m=0 là ô trống.
d: mật độ vật chất tạo nên ô, d mang giá trị dương nếu lấy đơn vị của mật độ nguyên tử [nguyên tử/cm3] và d mang giá trị âm nếu lấy đơn vị của mật độ khối [g/cm3].
31 geom: phần mô tả hình học của ô.
params: các thông số hình học khác nếu cần.
b.Thẻ mặt
MCNP xử lý các mặt trong hệ tọa dộ Descartes. Mặt được mô tả bởi các phương trình mặt. Mỗi mặt chia không gian thành hai vùng với giá trị dương và âm tương ứng. Trong MCNP5, vùng không gian được xác định bởi chỉ số dấu của mặt, dấu “+” chỉ vùng không gian bên chiều dương của mặt. Quy ước về chiều của mặt có thể được xác định một cách đơn giản hơn đối với một số mặt cụ thể như : đối với các mặt phẳng vuông góc với trục tọa độ, vùng phía chiều dương của trục tọa độ sẽ mang dấu “+”, ngược lại mang dấu trừ “-“. Đối với các mặt trụ, cầu, nón, elip, parabolic, vùng bên ngoài mặt sẽ mang dấu “+”, bên trong mang dấu “-“.
Cú pháp của một mặt như sau: j a list Trong đó: j: chỉ số mặt, 1j 99999,
a: kí hiệu các loại mặt,
list: các hệ số cần thiết để mô tả hình học mặt đó.
c. Thẻ dữ liệu
Trong MCNP, thẻ dữ liệu dùng để định nghĩa các loại hạt tới, vật liệu, nguồn, tally và số hạt gieo.
Loại hạt tới: phần này mô tả hạt phát ra từ nguồn mà ta đang muốn xét. Cú pháp: mode x (n-neutron, p-photon, e-electron)
Mô tả vật liệu: mô tả vật liệu ứng với chỉ số cell khai báo ở cell cards.
Cú pháp : mi ZZZAAA.nnX fraction.
Trong đó: i là chỉ số vật liệu.
ZZZ là bậc số nguyên tử. AAA là số khối.
nn là tiết diện tương tác. X là thư viện dữ liệu.
fraction là tỷ lệ số nguyên tử hay tỉ lệ trọng lượng của vật liệu. Nếu phía trước là dấu “-“ thì đó là tỉ lệ trọng lượng, nếu phía trước là dấu “+” thì đó là tỉ lệ nguyên tử.
32
Mô tả nguồn:
Cú pháp: sdef các biến nguồn Các biến nguồn bao gồm.
POS= x y z: vị trí nguồn EGR: năng lượng nguồn CEL: cell của nguồn
PAR=n: loại hạt, n=1: neutron, n=2: photon, n=3: electron.
Tally cards được sử dụng để tính toán các giá trị của đại lượng vật lý quan tâm. MCNP cung cấp 7 loại Tally tính toán cho neutron, 6 loại Tally tính toán cho photon và 4 loại tally tính toán cho electron. Bảng 3.1 trình bày các loại tally dùng để tính toán.
Bảng 3.1: Các Tally dùng để tính toán [5]
Ký hiệu Tally Mô tả Đơn vị
F1:N hoặc F1:P hoặc F1:E F2:N hoặc F2:P hoặc F2:E F4:N hoặc F4:P hoặc F4:E Fmesh:P
F5:N hoặc F5:P
F6:N hoặc F6:N,P hoặc F6:P
F7:N
F8:P hoặc F8:E hoặc F8:P,E
Dòng mặt
Thông lượng mặt trung bình Thông lượng cell trung bình
Thông lượng trung bình qua các cell đã chia lưới
Thông lượng điểm hay đầu dò Năng lượng trung bình để lại trong cell
Năng lượng mất mát trong phân hạch Phân bố năng lượng xung tạo ra trong đầu dò Hạt Hạt/cm2 Hạt/cm2 Hạt/cm2 MeV/g MeV/g Xung 3.1.2.2 File output
Sau khi chạy xong chương trình, kết quả sẽ được xuất ra với file output. Bên cạnh các kết quả được xuất ra theo yêu cầu người sử dụng, file output còn có các
33
bản chứa thông tin tóm tắt cần thiết cho người sử dụng biết rõ thêm về quá trình chạy mô phỏng MCNP. Các thông tin này làm sáng tỏ vấn đề vật lý của bài toán và sự thích ứng của mô phỏng Monter Carlo. Nếu có xảy ra sai sót trong khi chạy chương trình, MCNP sẽ in chi tiết cảnh báo trên file output để người sử dụng tìm và loại bỏ. Các kết quả tính toán được in ra cùng với độ lệch chuẩn. Ngoài ra, đi kèm với các kết quả là một bản phân tích chi tiết để xác định độ tin cậy của các kết quả này.
File output gồm ít nhất 2 file gồm: file.r và file.o. Trong đó file.o là file kết quả xuất ra cần quan tâm. Nếu trong quá trình mô tả có sử dụng tally Fmesh, file kết quả sẽ có thêm file meshtal lưu giá trị tính toán của tally Fmesh.
3.1.2.3 Sai số tương đối
Trong MCNP kết quả được đưa ra cho một nguồn cùng với sai số tương đối R, các đại lượng cần được đánh giá sai số tương đối R sẽ được tính toán sau mỗi quá trình mô phỏng bằng phương pháp Monte-Carlo sau mỗi số hạt lịch sử. Sai số tương đối R là tỉ số độ lệch chuẩn và trị trung bình. Trong MCNP giá trị này được xác định thông qua R như sau.
x S R= x (3.1) Trong đó: N i i=1 1 x= x N với N là số lần thử. (3.2) 2 2 x S S = N (3.3) Với N 2 i 2 i=1 2 2 (x -x) S = x - x N-1 (3.4) N 2 2 i i=1 1 x = x N (3.5)
Kết hợp (3.1), (3.2), (3.3), (3.4), (3.5), giá trị N có thế viết như sau ( khi N lớn):
1 1 2 N 2 2 2 i i=1 2 N i i=1 x 1 x 1 R= -1 = - N x x N (3.6)
Từ phương trình (2.6) ta thấy sai số tương đối R tỉ lệ với 1
N , với N là số hạt lịch sử đã tính. Nếu giá trị R > 0.5 không có ý nghĩa, nếu R từ 0,2 – 0,5 có thể chấp nhận
34
trong một vài trường hợp, nếu R từ 0,1 – 0,2 chưa tin cậy hoàn toàn, nếu R < 0,1 tin cậy (ngoại trừ detector điểm hay vòng), R < 0,05 tin cậy đối với cả detector điểm hay vòng. Trong khóa luận số hạt lịch sử N là 60000000 với R< 0,05.
3.2Xây dựng mô hình phòng X quang nha tại phòng khám Thế Hệ Mới bằng chương trình M NP5
3.2.1 Sơ đồ phòng máy X quang nha tại phòng khám Thế Hệ Mới
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.1: (a) Sơ đồ bố trí của phòng, (b) mặt cắt XY, (c) mặt cắt XZ và (d) mặt cắt
35
3.2.2 Cấu trúc đầu máy X quang nha khoa tại phòng khám Thế Hệ Mới được vẽ bằng MCNP5 vẽ bằng MCNP5
Máy X quang phòng khám Thế Hệ Mới được sử dụng là máy TOSHIBA DG-073B-AC.
Hình 3.2: Máy X quang TOSHIBA DG-073B-AC.
Các thông số cần quan tâm khi xây dựng mô hình máy X quang:
Anode: thuộc loại anode cố định, làm bằng Molybdenum bề mặt được phủ hợp kim Rhenium-Tungsten, đường kính 117 mm, góc vát 200.
Cathode: Tungsten có một vết tiêu thực 0,7mm. Điện thế tối đa 70kV.
Vỏ bóng: hình trụ dài 680mm làm bằng nhôm, đường kính lớn nhất 330mm.
Vỏ máy: lớp chì dày 1mm hình trụ đường kính lớn nhất 16cm, dài 27,1cm. Bộ lọc bằng nhôm dày 1mm.
36
XZ YZ
Hình 3.3: Hình vẽ mặt cắt đầu bóng X quang nha của phòng khámThế Hệ Mới. 3.2.3 Khảo sát độ chính xác của mô hình
3.2.3.1 Tally đánh giá
Trong khóa luận này loại hạt mà tôi mô phỏng là electron, photon và sử dụng hai loại Tally *F8 và Tally Fmesh4. Tally *F8 dùng để tính năng lượng hấp thụ của chùm photon trong các ô 122, 123, 124 và 125. Dùng Tally Fmesh4 để chia không gian khảo sát thành nhiều ô nhỏ theo đó trục X chia 130 ô, trục Y 130 ô, trục Z chia 150 ô.
3.2.3.2 Giới thiệu về đầu dò Piranha
Đầu dò Piranha là một đầu dò được thiết kế đặc biệt để đo suất liều thấp. Nó có kích thước nhỏ gọn được bao bọc bởi vỏ kim loại nên rất bền. Vì là một máy dò ở thể rắn nên không cần điều chỉnh nhiệt độ hay áp suất và không cần điện áp phân cực.
Để kiểm tra tính chính xác của mô hình mô phỏng, tôi tiến hành khảo sát suất liều chiếu của chùm tia sơ cấp theo những khoảng cách khác nhau tính từ nguồn phát bằng đầu dò Piranha sau đó suất liều được đổi sang mGy/s để so sánh với giá trị suất liều hấp thụ từ mô phỏng.
37
3.2.3.3 Công thức chuyển đổi từ tally sang suất liều.
+ Tally *f8 là tally được sử dụng để tính năng lượng hấp thụ chùm electron hoặc chùm photon trong một ô. Sau đó để chuyển sang liều hấp thụ chúng tôi tham khảo các tài liệu [1], [3] và xây dựng các công thức chuyển đổi như sau:
-10 e cell *f8[MeV]×1.602×10 [Gy]= ×N m [g] (3.7) Trong đó Ne là: số hạt electron Số hạt Ne: -3 e -19 mAs×10 N = 1.602×10 (3.8)
Trong đó mAs là: mật độ tia X.
+ Tally fmesh4 để chia không gian trong phòng thành các voxel nhỏ có kích thước bằng kích thước của đầu dò detector để tiện cho việc so sánh với giá trị thực nghiệm đo đạc và đánh giá phân bố liều chiếu cao thấp bên trong phòng.
e rem fmesh[ ] Gy h [ ]= ×N s 3600×100 (3.9) Số hạt Ne : -3 e -19 mAs×10 N = 1.602×10
Bảng 3.2: So sánh giá trị mô phỏng bằng MCNP5 với giá trị đo đạc bằng thiết bị Detector Piranha
Khoảng cách (cm)
Suất liều thực nghiệm (mGy/s)
Suất liều mô phỏng (mGy/s) MP/TN 50 0,344 0,637 1,85 70 0,237 0,326 1,37 80 0,195 0,250 1,28 100 0,136 0,169 1,24
Nhìn vào bảng 3.2, ta thấy có sự sai lệch giữa suất liều theo thực nghiệm và suất liều theo mô phỏng. Đối với kết quả mô phỏng, có hai nguyên nhân dẫn đến sai số là sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống.
38
Sai số ngẫu nhiên của kết quả được tạo nên bởi thăng giáng thống kê (loại tally tính toán, phương thức tính toán, kĩ thuật giảm phương sai, số lịch sử của hạt).
Sai số hệ thống do mô tả hình học (không chính xác cấu hình, vật liệu và phân bố góc của nguồn,…), lỗi của người dùng(sử dụng sai các lựa chọn, sử dụng chương trình không đúng,…), mô hình vật lý, tương tác, thư viện tiết diện.
Đối với kết quả thực nghiệm, nguyên nhân do sai số của dụng cụ đo, sự hấp thụ bức xạ của các vật đặt trong phòng X quang,…
Việc xác định hệ số MP/TN giúp chúng ta thấy được độ chính xác của mô hình mô phỏng và sử dụng để hiệu chỉnh giá trị mô phỏng về giá trị thực nghiệm. Ở đây hệ số MP/TN trung bình là 1,44 do đó các kết quả mô phỏng sẽ được chia cho 1,44 để đưa về giá trị thực nghiệm.
3.3 Giới hạn an toàn cho người làm việc ở phòng X quang nha trong mỗi ca chụp tại phòng khám Thế Hệ Mới. chụp tại phòng khám Thế Hệ Mới.
Hình 3.4 trình bày kết quả mô phỏng phân bố suất liều mặt XZ của chùm tia X từ ống phát tia X tại phòng Nha khoa Thế Hệ Mới. Mặt phẳng cách nguồn phát 75cm, được biểu diễn theo thang 0-0,01mGy/s.
Đối với phòng khám Nha khoa Thế Hệ Mới, năng lượng nguồn phát 70 keV và bán kính cửa thoát của chùm tia khỏi ống tia X là 6cm. Tôi cũng lựa chọn các thông số như: U=1, T=1 giống với trường hợp chụp X-ray thông thường và N=100 bệnh nhân/tuần, 1 năm có 50 tuần và 242ms cho một lần chụp (tương ứng với chụp răng hàm trên của người lớn) và suất liều tối thiểu cho 1 kỹ thuật viên trong 1 năm là 20mSv/năm (theo NCRP 147). Vì vậy: norm m K K 50.N.U.T.t [2] (3.10) Trong đó:
50 là số tuần trong một năm, N: số lần chụp X quang /1 tuần, -3 -3 -3 20 mSv mGy =16,53.10 =16,53.10 50.100.242.10 .1.1 s s
39 U: hệ số sử dụng,
T: hệ số chiếm cứ,
Knorm: là suất liều sau khi qua tường che chắn tại vị trí khảo sát cho mỗi ca chụp,
K: suất liều nhận được tại vị trí khảo sát trong 1 năm, tm: thời gian 1 lần chụp (s).
Hình 3.4: Phân bố suất liều mặt XZ của chùm tia X đến mặt phẳng hướng chùm tia
cách nguồn 75cm, vẽ theo thang 0-0,01mGy/s được mô phỏng theo mô hình của phòng Nha Thế Hệ Mới.
40
Hình 3.5: Đường contour các vùng suất liều của phòng X-quang Nha Thế Hệ Mới. Bảng 3.3: Giá trị suất liều trong các vùng contour ở phòng X quang nha Thế Hệ Mới.
Vùng Suất liều (mGy/s) Bán kính tính từ tâm chiếu (cm) A ≤ 1.10-4 >150 B 1.10-4 – 8,26.10-3 >100 C 8,26.10-3 – 16,53.10-3 100 D 16,53.10-3 – 33,06.10-3 35 E 33,06.10-3 – 1 15 F 1 -10 10 G 10 -100 3 H >100 2
Kết luận: Theo hình 3.5 phân bố suất liều cực đại ở vị trí tâm chiếu là >100
mGy/s. Càng ra xa suất liều càng giảm dần, cách tâm trường chiếu 80cm theo hướng phát tia suất liều vào khoảng 1 -10mGy/s. Cách tâm chiếu 100cm theo hướng phát tia suất liều giảm còn 33,06.10-3 – 1mGy/s. Cách tâm chiếu lớn hơn 35cm theo ba hướng còn lại giá trị suất liều vào khoảng 8,26.10-3 – 16,53.10-3mGy/s. Bên
41
ngoài phòng theo bốn hướng suất liều 0 - 1.10-4 mGy/s, rất bé không ảnh hưởng tới người dân đứng bên ngoài. Dựa vào hình 3.5, với cấu hình mô phỏng thì máy X quang không có sự rò rỉ bức xạ. Vậy phòng X quang Nha Thế Hệ Mới đảm bảo an toàn bức xạ cho người dân khi đứng bên ngoài phòng cũng như đảm bảo an toàn cho kỹ thuật viên khi đứng cách tâm trường chiếu lớn hơn 35cm, tức là bên ngoài vùng D hay đứng sau đầu X quang.
3.4 Đánh giá độ an toàn của vật liệu che chắn
Chúng tôi lựa chọn các thông số như: U= 1, T=1 và N bệnh nhân/tuần, 1 năm có 50 tuần và 1430ms cho một lần chụp. Nếu chọn Knorm ứng với liều chiếu dân chúng là 1mSv/năm và chọn N sao cho Knorm giảm ngang phông môi trường 0,2µSv/h thì ta có số ca chụp trong 1 năm sẽ được tính theo phương trình:
3 8 3 1 0, 2 5,56.10 10 50 1430.10 1 1 3600 K mSv mSv NUT N s s (3.11) Do đó N= 251547ca/năm và Knorm < 5,56.10-8 mSv/s
Bảng 3.4: Bảng phân bố suất liều cho từng vùng trong phòng
Vùng Suất liều (mGy/s) Bán kính tính từ tâm chiếu (cm)
A <5,56.10-8 >130
B 5,56.10-8 – 1,865.10-4 130 và phía sau đầu máy X quang
C 1,865.10-4 – 5,59.10-4 100 D 5,59.10-4 – 11,18.10-3 60 E 11,18.10-3 – 32.10-2 15 F 32.10-2 – 3,2 8 G 3,2 – 11,18 3 H 11,18 ≤ 2
42
Như vậy để người dân được an toàn thì phải đứng ngoài vùng B.
Để đánh giá độ an toàn bức xạ của vật liệu che chắn và độ dày của vật liệu che chắn chúng tôi khảo sát một số trường hợp với các vật liệu che chắn phổ biến như chì, bê tông và gạch như sau:
Trường hợp 1: Tường chỉ có lớp chì dày 1,5mm
Hình 3.6: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều khi tường chỉ có lớp
chì dày 1,5mm
Hình trên cho thấy rằng, những khu vực xung quanh tường phòng X quang – tường hứng chùm tia thứ cấp (trừ tường hứng chùm tia trực tiếp- tia sơ cấp) của trường hợp trên có suất liều <5,56.10-8
mGy/s thì trường hợp này đảm bảo. Tuy nhiên, khu vực trong vùng trường chiếu của tường hứng chùm tia sơ cấp lại không an toàn. Với trường hợp chỉ che chắn bằng tường chì 1,5 mm (hình 3.6) có thể thấy rằng tường chì chỉ làm giảm suất liều của chùm tia từ F (32.10-2– 3,2mGy/s) xuống B (5,56.10-8 – 1,865.10-4mGy/s) và đâm xuyên hơn 50cm trong không khí. Vì vậy với việc che chắn này không đảm bảo an toàn cho người dân nếu đứng sau tường