Mâm quay thùng thải bao gồm một đĩa tròn có đường kính 62cm, trên đĩa có các chốt để cố định thùng thải, một động cơ quay nối với đĩa tròn.
Động cơ quay có công suất lớn đã gắn hệ giảm tốc, quay với tốc độc chậm để đầu dò có thể quét được toàn bộ thùng rác thải phóng xạ một cách chi tiết nhất, động cơ được gắn hệ truyền động gồm các bánh răng gắn liền với trục quay của giá đỡ thùng rác thải phóng xạ.
Hình 2.8. Mâm quay thùng thải có gắn động b. Hệ dịch chuyển đầu dò
Hệ được sử dụng là khung sắt trên đó có gắn
Bàn đặt để đặt đầu dò lên đó, có thể trượt trên hai thanh răng nằm dọc thân khung;
Máy mô-tơ điều khiển đầu dò di chuyển lên xuống dọc theo thân thùng thải bằng một nút gạt;
Công tắc đóng ngắt mô-tơ;
2.3.Giới thiệu sơ lƣợc về chƣơng trình PENELOPE
2.3.1. Giới thiệu
PENELOPE (PENetration and Energy LOss of Positrons and Electrons – Sự xuyên sâu và mất mát năng lượng của positron và electron) được phát triển bởi các trường Đại học Tây Ban Nha và Argentina, vận hành trên giao diện Dos, sử dụng ngôn ngữ lập trình Fortran 77 nên có thể chạy trên bất kỳ nền tảng nào có ngôn ngữ Fortran 77 hay Fortran 90 [9].
Lần đầu tiên được phát hành năm 1996, PENELOPE thực hiện mô phỏng Monte Carlo về sự xuyên sâu và mất mát năng lượng của positron và electron trong vật liệu, mô phỏng cho photon được phát triển sau. Mô phỏng sự lan truyền electron ở vùng năng lượng thấp trong vật liệu cũng được tính toán chính xác nhất trong giới hạn của chương trình. Các phiên bản hiện tại với những cải tiến là kết quả của sự phát triển liên tục từ phiên bản này.
Chương trình PENELOPE mô phỏng sự vận chuyển của ba loại hạt: photon, electron và positron trong hệ thống vật liệu tùy ý do người sử dụng chương trình lựa chọn sao cho phù hợp với thực tế. Hệ thống vật liệu này được giới hạn bởi những bề mặt nhất định. Sự vận chuyển các loại hạt được mô phỏng trong mức năng lượng từ 1keV đến 1GeV. Tuy nhiên, sự mô phỏng các hạt ở mức năng lượng cao vẫn chính xác hơn mức năng lượng thấp. Đối với những phép mô phỏng năng lượng dưới 1keV thì kết quả mô phỏng chỉ mang tính định tính, không mang tính định lượng. 2.3.2. Hệ thống code PENELOPE 2008
PENELOPE 2008 là kết quả của sự phát triển liên tục từ phiên bản đầu tiên được phát hành năm 1996, kết hợp những thay đổi đáng kể và bổ sung các phiên bản trước (1996, 2000, 2001, 2003, 2005, 2006) nhằm mục đích nâng cao độ tin cậy và tính tổng quát của hệ thống mã. Luận văn này sử dụng phiên bản 2008 có cấu trúc như sau:
FSOURCE gồm 6 tập tin: material.f: dữ liệu vật liệu; penelope.f: dữ liệu mô phỏng;
pengeom.f: dữ liệu định nghĩa các cấu trúc hình học không gian đơn giản được giới hạn bởi các mặt bậc hai;
penvarde.f: dữ liệu tính toán;
tables.f: bảng dữ liệu tương tác của hạt trong vật liệu.
PENDBASE gồm 995 ASCII tập tin chứa dữ liệu lấy từ thư viện dữ liệu Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL - Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore).
MAINS gồm các thư mục:
gscripts: chứa 28 tập tin có đuôi là .gnu để tính toán liều cho các bài toán xạ trị.
pencyl gồm pencyl.f, pencil.in, gviewc
- Pencyl dùng mô phỏng sự vận chuyển của electron/photon trong cấu trúc hình học đa lớp và các chùm tia đối xứng trục.
- Cấu trúc hình học của hệ thống vật liệu gồm một hoặc nhiều lớp với bề dày từng lớp cho trước. Mỗi lớp vật liệu gồm một số các vòng tròn đồng tâm có bán kính tương đương với độ dày lớp. Các lớp đều vuông góc với trục z, tâm của các vòng trong mỗi lớp được xác định bởi tọa độ x và y.
penmain: gồm penmain.f, penmain.in
- Penmain dùng mô phỏng vận chuyển electron/photon trong một cấu trúc vật liệu phức tạp.
- Cấu trúc hình học của hệ thống vật liệu được xây dựng từ gói mô phỏng Pengeom, gói Pengeom có khả năng xử lý hình học phức tạp rất hiệu quả.
Pencyl và Penmain vận hành tương tự nhau, đều đọc dữ liệu từ tập tin đầu vào tương ứng (input file) và kết quả xuất ra nằm trong một số tập tin cố định. Chúng ta cần chú ý rằng chương trình sẽ ghi đè lên kết quả cũ trong thư mục làm việc.
MANUAL: chứa các tập tin giới thiệu và hướng dẫn chi tiết về chương trình PENELPOE 2008.
PENWORK chứa ứng dụng material.exe dùng để tạo ra các tập tin vật liệu cho quá trình chạy mô phỏng và các ví dụ.
OTHER gồm các thư mục:
emfields: chứa gói chương trình con penfield.f, dùng để mô phỏng sự vận chuyển electron/positron chịu tác dụng của từ trường hay điện trường tĩnh bên ngoài và ví dụ của chương trình.
gview: trong đó gview2d để xem cấu trúc hình học 2 chiều, gview3d để xem cấu trúc hình học 3 chiều.
shower: chứa ứng dụng shower.exe dùng để phát ra những cơn mưa electron và photon qua một lớp vật liệu và hiển thị trên màn hình.
2.3.3. Các tập tin dữ liệu được dùng trong quá trình mô phỏng a. Tạo các tập tin vật liệu
Khi thực hiện mô phỏng, vấn đề đầu tiên là tạo tập tin vật liệu tương ứng với cấu trúc không gian cần mô phỏng. Chương trình sẽ đọc những thông tin vật lý cần thiết của vật liệu từ tập tin vật liệu có đuôi .mat.
Các tập tin vật liệu được tạo nên bằng cách sử dụng ứng dụng material.exe của chương trình, có hai lựa chọn
Lựa chọn 1: tự nhập các thông tin: Đặt tên cho vật liệu;
Số lượng nguyên tố của vật liệu, đơn chất là 1 và hợp chất là 2 trở lên; Công thức hóa học hoặc tỉ trọng của các nguyên tố trong vật liệu, gồm số
nguyên tử Z và số nguyên tử hoặc tỉ trọng của từng nguyên tố trong phân tử tử;
Mật độ của vật liệu (g/cm3).
Lựa chọn 2: lấy dữ liệu từ tập tin pdcompos.p08 trong thư mục PENBASE, chứa thành phần, mật độ khối và năng lượng kích thích trung
bình của 280 loại vật liệu bao gồm các đơn chất và hợp chất được sắp xếp theo alphabet.
b. Tập tin hình học
Mô tả cấu trúc không gian cần mô phỏng, gồm các lệnh khai báo như sau: SURFACE (mặt) gồm: đặt số thứ tự mặt; chỉ số mặt (INDICES) tương
ứng với hình học của mặt (tra bảng); tọa độ (x, y, z) của mặt so với gốc tọa độ tự chọn; góc quay (OMEGA, THETA, PHI) hoặc độ dịch chuyển của mặt (SHIFT) dọc theo trục x, y, z (nếu có).
BODY (bộ phận) gồm: đặt số thứ tự bộ phận; số thứ tự của một vật liệu (MATERIAL) đã tạo cho bộ phận này; số thứ tự các mặt giới hạn cho bộ phận; bộ phận ở bên trong hay bên ngoài, phía trên hay phía dưới của các mặt giới hạn (SIDE POINTER), quy ước phía trên và phía ngoài là 1, phía dưới và phía trong là -1. Nếu có sự chồng chập giữa các bộ phận thì phải loại bỏ bằng cách nhập số thứ tự của các bộ phận bị loại.
MODULE (bộ phận): cách khai báo cũng tương tự như BODY, tuy nhiên lệnh này sử dụng cho những cấu hình phức tạp do sự chồng chập của nhiều bộ phận mà BODY không làm được.
Tiến hành lần lượt tất cả các mặt và các bộ phận trong cấu hình mô phỏng. c. Tập tin đầu vào
Khai báo nguồn:
- Chọn loại hạt (SKPAR): 1 = electron, 2 = photon, 3 = positron;
- Đỉnh năng lượng: đơn năng (SENEGR), đa năng (SPECTR) kèm theo xác suất phát;
- Vị trí nguồn (SPOSIT); - Góc phát (SCONE).
Vật liệu và các thông số mô phỏng:
- Vật liệu: khai báo tên vật liệu theo thứ tự trùng khớp với thứ tự vật liệu đã đặt trong tập tin hình học.
- Thông số mô phỏng: tán xạ đàn hồi (EABS(1:3,M)), năng lượng mất đi do tán xạ không đàn hồi (C1(M) = C2(M) = 0,1) và sự phát bức xạ hãm (WCC(M) = EABS(1,M), WCR(M) = EABS(2,M)).
Tập tin hình học: khai báo tên tập tin hình học đã đặt Năng lượng để lại trong đầu đò
- ENDETC: khai báo ngưỡng năng lượng thấp nhất (EL), cao nhất (EU) và số kênh trong khoảng năng lượng này (NBE).
- EBODY: thứ tự vị trí của bộ phận đầu đò trong tập tin hình học (KB). Tính chất mô phỏng: số hạt mô phỏng (NSIMSH), khoảng thời gian xuất kết
quả theo mong muốn (DUMPP).
TITLE WASTE DRUM WITH NaI(Tl) MODEL 802-3X3. .
>>>>>>>> Source definition.
SKPAR 2 [Primary particles: 1=electron, 2=photon, 3=positron] 60Co gamma-ray spectrum [LARA database].
SPECTR 1.1732e6 5.0e-1 [E bin: lower-end and total probability] SPECTR 1.1732e6 1.0e-35 [E bin: lower-end and total probability] SPECTR 1.3325e6 5.0e-1 [E bin: lower-end and total probability] SPECTR 1.3325e6 1.0e-35 [E bin: lower-end and total probability] SPOSIT 1.8e1 7 35.5 [Coordinates of the source] SCONE 0 0 180 [Conical beam; angles in deg] .
>>>>>>>> Material data and simulation parameters.
MFNAME air.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] MFNAME steel C45.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] MFNAME NaI.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] MFNAME Al2O3.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] MFNAME Si.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] MFNAME Al.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] MFNAME SiO2.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] MFNAME air.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] MFNAME lead.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] MFNAME PVC.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] MFNAME EP.mat [Material file, up to 20 chars] MSIMPA 1.0e4 1.0e4 1.0e4 0.1 0.1 1.0e4 1.0e4 [EABS(1:3),C1,C2,WCC,WCR] .
>>>>>>>> Geometry definition file.
GEOMFN WD H_5_21do.geo [Geometry file, up to 20 chars] .
>>>>>>>> Energy deposition detectors (up to 25).
ENDETC 3.94e2 2.090112e6 2024 [Energy window and number of bins] EDBODY 29 [Active body; one line for each body] .
>>>>>>>> Job properties
RESUME dump.dmp [Resume from this dump file, 20 chars] DUMPTO dump.dmp [Generate this dump file, 20 chars] DUMPP 600 [Dumping period, in sec] .
NSIMSH 1e8 [Desired number of simulated showers] TIME 1e9 [Allotted simulation time, in sec] .
END [Ends the reading of input data]
d. Tạo ứng dụng penmain.exe để vận hành chương trình mô phỏng: bằng cách sử dụng tập tin penmain.f trong thư mục FSOURCE.
2.3.4. Xử lý phổ mô phỏng
Trong thực nghiệm do ảnh hưởng của ba hiệu ứng là: sự giãn nở thống kê số lượng các hạt mang điện, hiệu ứng tập hợp điện tích và sự đóng góp của nhiễu tín hiệu từ hệ điện tử làm cho các đỉnh năng lượng toàn phần của phổ gamma thực nghiệm có dạng Gauss. Khi đó phổ mô phỏng các đỉnh năng lượng toàn phần được mở rộng bằng cách lấy mẫu ngẫu nhiên theo hàm Gauss [7].
2 E - E0 - A f (E) = C.e (2.1)
với E là năng lượng photon được mở rộng, E0 là năng lượng photon không mở rộng, C là hằng số chuẩn hóa và A là độ rộng Gauss của quang đỉnh.
Với FWHM A=
2 2 (2.2)
Trong PENELOPE thì FWHM phụ thuộc vào năng lượng được tính bằng công thức:
FWHM = a + b E+c.E 2 (2.3) với a, b, c là các hệ số được xác định bằng thực nghiệm.
Hàm FWHM được khớp từ Maple có dạng:
FWHM = -0,002 + 0,0656 E -0,064.E2 (2.4) Từ hàm FWHM trên ta có thể mở rộng đỉnh năng lượng toàn phần của mô phỏng theo hàm Gauss. Trong luận văn này sử dụng các hệ số a, b, c được cho bởi phương trình (2.4).
Hình 2.11 cho thấy phổ năng lượng thu được từ chương trình mô phỏng chỉ là các đỉnh năng lượng toàn phần ứng với năng lượng đặc trưng của đồng vị phóng xạ, không thể so sánh với phổ thực tế. Do đó, để có thể sử dụng kết quả mô phỏng thì phải tiến hành tác động độ phân giải, phổ sau khi tác động được dùng làm cơ sở để đánh giá kết quả thu được từ thực nghiệm.
Hình 2.11. Phổ mô phỏng trước và sau khi tác động độ phân giải
2.4.Nhận xét chƣơng 2
Chương này đã giới thiệu chi tiết cấu tạo và công dụng của các bộ phận trong hệ đo thùng thải phóng xạ.
Với hệ đo có hệ dịch chuyển đầu dò dọc theo thân thùng nên có thể đo được thùng thải có trọng lượng lớn. Ngoài ra, các ống nhựa được cố định bằng hai tấm mút bên trong thùng nên có thể đặt nguồn tại nhiều vị trí để khảo sát cũng như định vị nguồn chính xác hơn.
Trong chương này còn giới thiệu sơ lược về cơ sở dữ liệu và các tập tin dữ liệu cho quá trình mô phỏng của chương trình PENELOPE được sử dụng trong luận văn.
Chƣơng 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.Xác định tên và vị trí của nguồn phóng xạ
3.1.1. Các bước tiến hành Bước 1: Bước 1:
Cài đặt thời gian đo 1 giờ và cao thế hoạt động tốt nhất cho đầu dò là 800V;
Đo khoảng cách từ tâm thùng đến đầu dò là 53,09 cm;
Đo phông phóng xạ môi trường trong thời gian 42 giờ. Ghi lấy số liệu. Bước 2:
Đưa thùng thải vào vị trí đĩa quay tròn, cố định vị trí bằng các vít cố định;
Thả ngẫu nhiên nguồn vào một ống nào đó trong thùng;
Trước tiên quét gamma phân đoạn theo chiều cao thùng bằng cách bật công tắc cho hệ dịch chuyển đầu dò di chuyển từ phân đoạn 3 đến phân đoạn 11 sao cho khe chuẩn trực chùm tia nằm khoảng chính giữa của mỗi phân đoạn;
Tại các phân đoạn có số đếm cao nhất, đưa hệ dịch chuyển đầu dò đến phân đoạn đó rồi tiến hành quét gamma phân đoạn qua 12 góc bằng cách xoay thùng sao cho khe chuẩn trực chùm tia nằm khoảng chính giữa của mỗi cung tròn.
Bước 3: Tiến hành xử lý số liệu thu nhận được bởi phần mềm Genie-2000 kết hợp với đường chuẩn năng lượng: E keV 17,14 1,043*Ch .
3.1.2. Thả ngẫu nhiên vào thùng một nguồn 3.1.2.1. Xác định tên nguồn 3.1.2.1. Xác định tên nguồn
Sử dụng số liệu thực nghiệm và đường chuẩn năng lượng tại một trong các phân đoạn đã quét, phổ thu được thể hiện trên hình 3.1.
Hình 3.1. Phổ của nguồn phóng xạ trong thùng tại phân đoạn 8
Nhận xét: Dựa vào đỉnh năng lượng đặc trưng của đồng vị phóng xạ [20], chúng ta nhận thấy rằng hai đỉnh năng lượng trên hình 3.1 phù hợp với hai đỉnh năng lượng của nguồn 60Co.
3.1.2.2. Xác định vị trí nguồn a. Quét theo chiều cao thùng
Số đếm trên từng phân đoạn trong bảng 3.1 được xuất ra từ chương trình Genie 2000 và biểu diễn trên đồ thị hình 3.2 bằng chương trình Origin.
Bảng 3.1. Số đếm tổng hai đỉnh trên từng vị trí phân đoạn so với đáy thùng
Phân đoạn Vị trí phân đoạn (cm)
Số đếm Phân đoạn Vị trí phân
đoạn (cm) Số đếm 3 8-16 18416 8 48- 56 65981 4 16-24 22442 9 56- 64 49256 5 24-32 22774 10 64- 72 32461 6 32-40 28703 11 72- 80 25547 7 40- 48 53357
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn số đếm tổng hai đỉnh theo vị trí phân đoạn
Nhận xét: Từ bảng 3.1 có thể xác định phân đoạn chứa nguồn là phân đoạn 8, trong khoảng độ cao từ 48-56 cm so với đáy thùng với số đếm tương ứng lớn nhất là 65981 số đếm.
b. Quét theo từng cung khi quay thùng
Số đếm trên từng phân đoạn trong bảng 3.2 được xuất ra từ chương trình Genie 2000 và biểu diễn trên đồ thị hình 3.3 bằng chương trình Origin.
Bảng 3.2. Số đếm tổng theo góc dọc chu vi thùng Góc Vị trí góc (cm) Số đếm Góc Vị trí góc (cm) Số đếm 1 0 – 15 58277 7 90 – 105 10006 2 15 – 30 58177 8 105 – 120 9366 3 30 – 45 28139 9 120-135 9596 4 45 – 60 17675 10 135 – 150 13153 5 60 – 75 11229 11 150 – 165 18608 6 75 – 90 7941 12 165 – 180 31385
Nhận xét: Từ bảng 3.2, góc chứa nguồn là góc thứ 1 tại vị trí 0 – 15cm so với điểm chọn làm mốc trên thùng với số đếm tương ứng lớn nhất là 58277 số đếm.
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn số đếm tổng theo vị trí góc của thùng
Kết luận: thùng thải chứa nguồn 60Co nằm ở phân đoạn thứ 8 và nằm ở góc thứ nhất tại phân đoạn này.
3.1.3. Thả ngẫu nhiên vào thùng hai nguồn 3.1.3.1. Xác định tên nguồn 3.1.3.1. Xác định tên nguồn
Tiến hành tương tự như đối với một nguồn ở trên, kết quả thu được như sau:
Hình 3.4. Phổ của nguồn phóng xạ trong thùng tại phân đoạn 9
Nhận xét: Dựa vào phổ trên hình 3.4 và đỉnh năng lượng đặc trưng của mỗi