28 4 5 5 2 6 1 7 0 159
Quá trình nhân M vốn đã liên hệ với hệ số nhân , khi < 1. Bằng cách tính tổng toàn bộ số neutron trong tất cả các thế hệ ta có thế có được tổng số neutron cho toàn bộ cấu trúc hình học và ta có mối liên hệ:
= 1
(1 − ) ; với < 1 (1.34) khi tiến gần đến 1 thì quá trình nhân trở nên lớn dần (xem Hình 1.8). Khi = 1 số neutron tạo ra sẽ vô hạn, trên thực tế thì có lượng xác định các nhân phát neutron nên số neutron sẽ xác định, tuy nhiên là rất lớn. Khi = 1 ta gọi là trạng thái tới hạn, khi > 1 mẫu là siêu tới hạn, khi < 1 mẫu gọi là trạng thái dưới tới hạn.
Hình 1.9: Quá trình nhân M như là một hàm của hệ số nhân keff. Chỉ
trường hợp dưới tới hạn (keff < 1) được đề cập ở hình này
Hệ số nhân, k Q uá trình nh ân , M
29
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ CHUẨN THIẾT BỊ ĐO LIỀU NEUTRON
2.1. Đại lượng chuẩn và hệ số chuyển đổi trong đo liều neutron
Tùy vào mục đích chuẩn và các thiết bị cần chuẩn khác nhau mà các đại lượng chuẩn trong trường bức xạ neutron có thể là các đại lượng sau:
Đại lượng “thông lượng, F” được sử dụng để chuẩn trường bức xạ neutron chuẩn và thiết bị chuẩn đo thông lượng neutron.
Đại lượng “tương đương liều môi trường, ∗(10)” được dùng để chuẩn trong không khí cho các thiết bị đo suất liều neutron môi trường hoặc các liều kế neutron môi trường.
Đại lượng “tương đương liều cá nhân, ( )” được dùng để chuẩn trên các phantom thích hợp cho liều kế cá nhân hoặc máy đo suất liều cá nhân.
Hệ số chuyển đổi từ thông lượng neutron sang tương đương liều ∗( ) hoặc ( ) theo hướng cơ bản (0 ) hay theo các hướng a khác nhau (Hình 2.1) có trong các tài liệu tham khảo[5,6,8,11], một số hệ số chuyển đổi này được chỉ ra trong Bảng 2.1, Bảng 2.2 và Bảng 2.3 như là các ví dụ.
Hình 2.1: Tỷ số Hp(10,a)/Hp(10,0o) theo các hướng khác nhau a và năng lượng khác nhau của neutron (chiếu trên phantom cơ thể người)
30
2.2. Nguồn bức xạ neutron chuẩn dùng trong chuẩn liều
Trên thực tế, các liều kế cá nhân hay các thiết bị đo liều, đo suất liều neutron đều có sự phụ thuộc lớn vào năng lượng trong việc đo tương đương liều. Do đó, trường bức xạ neutron chuẩn được nghiên cứu đưa ra với các đặc tính phổ tương đương với phổ neutron thường gặp trong công việc thực tế (ví dụ: nguồn với 15 cm chất làm chậm tạo ra trường chuẩn neutron với sự ra tăng phân bố năng lượng ở mức trung bình, dùng trong chuẩn các thiết bị đo liều neutron được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân).
Có nhiều trường bức xạ neutron khác nhau có thể tạo ra bức xạ chuẩn dùng trong chuẩn liều neutron như được chỉ ra như sau:
2.2.1. Trường neutron từ nguồn đồng vị phóng xạ
Trường neutron từ nguồn đồng vị phóng xạ thường thuận lợi nhất cho mục đích chuẩn liều neutron. Trường neutron loại này thường được sinh ra do quá trình
tự phát xạ ( ) hay do phản ứng (a, ) như các nguồn − e, − ,
− .
Suất thông lượng neutron đối với các nguồn đồng vị phóng xạ được tính theo hiệu suất phát neutron trong góc khối W và cho bằng công thức:
W =
W (2.1)
với là số neutron trong một đơn vị thời gian truyền theo hướng xác định trong một góc khối W. Đơn vị của W là . . Một số đặc tính cơ bản của các nguồn neutron đồng vị phóng xạ khác nhau được đưa ra trong Bảng 2.1 (phía dưới).
2.2.2. Trường neutron từ máy gia tốc
Trường neutron có được, trong trường hợp này, bằng cách gia tốc các hạt tích điện đến đập vào một bia thích hợp. Việc tạo ra trường neutron từ các máy gia tốc là phức tạp hơn nhiều so với trường neutron từ nguồn đồng vị phóng xạ. Tuy nhiên, trường neutron từ máy gia tốc có một đặc tính ưu điểm là chúng có năng lượng đơn năng (khác với các nguồn đồng vị phóng xạ thì neutron thường đa năng và liên tục). Với đặc tính đơn năng này, chúng ta có thể dễ ràng khảo sát đặc trưng phụ thuộc
31
năng lượng của các thiết bị đo hoặc liều kế. Năng lượng và mật độ dòng neutron được xác định thông qua năng lượng và loại hạt tích điện, loại vật liệu và bề dày bia, vị trí đo so với bia và hướng của chùm hạt tích điện. Một số năng lượng của neutron được sinh ra bởi máy gia tốc với các phản ứng đi kèm cùng với một số hệ số chuyển đổi được đưa ra trong Bảng 2.2.
Bảng 2.1: Nguồn neutron chuẩn dùng trong chuẩn các thiết bị đo liều neutron
Nguồn Chu kỳ bán rã Năng lượng trung bình toàn thông lượng Năng lượng trung bình tương đương liều Hệ số chuyển đổi thông lượng trung
bình phổ sang tương đương liều
(năm) (MeV) (MeV) (pSv. )
(làm chậm bởi ) 2.65 0.55 2.1 105
2.65 2.13 2.3 385
− (a, ) 432 2.72 2.8 408
− (a, ) 432 4.16 4.4 391
Bảng 2.2: Neutron đơn năng được sinh ra do máy gia tốc và một số hệ số chuyển đổi thông lượng sang tương đương liều
Neutron sinh ra từ máy gia tốc
Năng lượng (MeV) Phản ứng Hệ số chuyển đổi ∗(10)/ F ( . ) (10)/F ( . )
-phantom thân người-
0.144 T(p,n) He 127 134
Li(p, n) Be 127 134
5.0 D (d,n) He 405 420
32
2.2.3. Trường neutron từ lò phản ứng
Lò phản ứng thường tạo ra neutron với phổ phát xạ thay đổi. Tuy nhiên, một số lò phản ứng được thiết kế đặc biệt để sinh ra neutron nhiệt và trung bình dùng cho mục đích chuẩn. Neutron nhiệt với phân bố phổ có năng lượng trung bình khoảng 0.025eV có thể có được tại một số vị trí của lò phản ứng loại này. Một số vị trí khác của lò có các phin lọc thích hợp có thể tạo ra các neutron gần như đơn năng với năng lượng 2,24 hay 144 keV. Bảng 2.3 đưa ra một số đặc tính của neutron sinh ra từ lò phản ứng.
Bảng 2.3: Neutron đơn năng sinh ra từ lò phản ứng và một số hệ số chuyển đổi thông lượng sang tương đương liều
Neutron sinh ra từ lò phản ứng Năng lượng (MeV) Phin lọc Hệ số chuyển đổi ∗(10)/F ( . ) (10)/F ( . ) -phantom toàn thân-
2.5E-8 Graphite 10.6 11.4
(nhiệt)
0.002 Scandium 7.7 8.72
0.024 Sắt 19.3 20.2
0.144 Silicon 127 134
2.3. Yêu cầu chung đối với một cơ sở chuẩn liều neutron
2.3.1. Điều kiện vật chất
Cơ sở cần phải có ít nhất một phòng chiếu xạ và kho lưu giữ nguồn hợp lý, bố trí sắp xếp phòng làm việc phù hợp, đáp ứng được các yêu cầu an toàn và luật pháp của các cơ quan quản lý. Phòng phải được thiết kế sao cho tránh được các loại bức xạ bên ngoài để đảm bảo phông bức xạ neutron là không đáng kể.
Nhiệt độ phải được điều chỉnh trong dải 20 ± 4 và độ ẩm từ 20% đến 65%. Phòng chiếu xạ neutron có thể là loại “mở” hoặc “đóng kín”.
33
Loại phòng “mở” nghĩa là tường và trần của phòng được làm từ vật liệu nhẹ không chứa nước, có thể coi không cản neutron. Loại phòng kiểu này thường đòi hỏi diện tích thiết kế lớn
Loại phòng “đóng kín” thì tường và trần thường làm từ các vật liệu nặng (thường là bêtông) để có thể che chắn phóng xạ. Loại phòng kiểu này thì càng rộng càng tốt để giảm tán xạ neutron, chiều nhỏ nhất của phòng nên lớn hơn 6m.
Nguồn, thiết bị đo hoặc phantom nên được đỡ bởi các giá đỡ có ảnh hưởng tán xạ thấp trong loại phòng “mở” và phải ít nhất cao 2 so với sàn. Trong loại phòng “đóng kín” thì nguồn nên được đặt ở mặt phẳng tối ưu nhất là giữa trần và sàn. Trong các phòng thí nghiệm lớn thì nên lắp đặt một mặt phẳng trung gian bằng vật liệu nhẹ để sắp đặt, bố trí cho việc chuẩn. Nguồn nên được đặt gần với tâm của phòng chuẩn và nên để các vật gây tán xạ cách xa với nguồn. Phải bố trí, thiết kế phòng chiếu chuẩn sao cho có thể quan sát quá trình chuẩn trực tiếp hoặc gián tiếp qua màn hình ti vi.
2.3.2. Che chắn an toàn bức xạ
Đối với nhiều cơ sở chuẩn, thì những nguồn neutron lớn nhất thường là với hiệu suất phát neutron khoảng 5E+9 neutron trên giây ( / ). Với những nguồn cường độ như thế này thì thường cần tường bêtông dày 100 cm để giảm tương đương liều phía ngoài tường xuống mức có thể chấp nhận được. Phần tán xạ trong không khí xuyên qua mái trần cũng cần được quan tâm, đặc biệt là đối với các phòng được cải tạo thành phòng chuẩn từ các phòng cũ đã có từ trước dùng cho các mục đích khác (vì những phòng như thế thường không có bề dày bêtông của trần đủ che chắn phóng xạ). Chi tiết về che chắn an toàn bức xạ cho các phòng chuẩn neutron cần phải được tham khảo, tìm hiểu chi tiết để có thiết kế phù hợp trước khi xây dựng.
2.3.3. Lưu giữ và di chuyển nguồn
Nguồn phóng xạ dùng trong chuẩn cần phải được che chắn an toàn khi không sử dụng. Nguồn chuẩn thường được lưu giữ trong một đường dẫn ở dưới sàn của phòng hay được che chắn an toàn trong một bình chứa trên mặt sàn.
34
Khi chuẩn thì các nguồn chuẩn được di chuyển đến vị trí chuẩn thích hợp với hệ thống bàn đẩy hoặc ròng rọc hay các hệ thống cơ khí thủy lực khác. Việc thiết kế hệ thống chuyển động của nguồn cần được xem xét cẩn thận tránh những nguy cơ bị tắc nguồn trong quá trình di chuyển (đặc biệt là nguồn bị tắc ở các vị trí có thể gây ra chiếu xạ cao khi cần khắc phục). Một điều cũng rất quan trọng cần phải chú ý là các thiết bị di chuyển nguồn phải không gây tán xạ lớn trong quá trình chuẩn. Các loại tán xạ kiểu này thường rất khó đánh giá và gây ra sai số đáng kể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép chuẩn.
Nói chung cần có các thùng chứa che chắn an toàn phóng xạ cho các nguồn trong quá trình di chuyển hay lưu giữ tạm thời. Những thùng chứa như thế có thể được thiết kế với một hình trụ bằng chì bên trong với độ dày 8 cm được bao quanh bởi lớp paraffin có pha lithium với tỷ lệ 30 lithium thường trên 1 paraffin.
2.4. Thiết bị chuẩn cần thiết
Trường neutron dùng cho mục đích chuẩn phải được đo đạc với các thiết bị chuẩn thích hợp. Các thiết bị chuẩn phải có độ ổn định lâu dài, độ nhạy thích hợp, biết rõ đáp ứng năng lượng trong dải phân bố của phổ neutron cần đo đạc. Các thiết bị chuẩn cấp một thường dùng là ống đếm dài De Pangher và buồng ion hóa tương đương mô. Ống đếm dài cho phép đo chính xác thông lượng qua toàn dải năng lượng từ nhiệt đến 7MeV, trong khi đó buồng ion hóa tương đương mô có thể đo chính xác Kerma trong mô.
Cho mục đích an toàn bức xạ, có thể dùng các thiết bị ổn định được thiết kế cho mục đích đo tương đương liều để thực hiện đo đạc. Các thiết bị này thường có chất làm chậm phía ngoài bao bọc các loại đầu đo bên trong, ví dụ như: ống đếm hình trụ Andersson Braun, ống đếm làm chậm bởi hình cầu 12 inch của Bonner. Ống đếm tỷ lệ tương đương mô cũng được thiết kế để đo tương đương liều thông qua đo liều hấp thụ và đo phân bố năng lượng tuyến tính và có thể được dùng như một thiết bị chuẩn. Một số thiết bị thường được dùng như thiết bị chuẩn trong chuẩn liều neutron được đưa ra trong Bảng 2.4.
35
Bảng 2.4: Một số thiết bị chuẩn dùng trong chuẩn liều neutron
Thiết bị chuẩn Đại lượng đo Dải năng lượng Đầu đo neutron hoặc phản ứng
Buồng ion hóa tương đương mô
Kerma trong mô
của n và photon tất cả H+n, C+n O+n, N+n Ống đếm Geiger-Müller Liều photon, kém nhạy với neutron Máy đo suất tương
đương liều hình trụ Tương đương liều tất cả
( ,a) -ống đếm tỷ lệ-
Ống đếm tỷ lệ Trọng số thông
lượng nhiệt đến nhanh ( ,a)g
Ống đến dài Thông lượng nhiệt đến 7 MeV ( ,a)
-ống đếm tỷ lệ- Đầu đo kích hoạt
(Au, Fe, S)
Thông lượng
neutron nhiệt nhiệt ( ,a)
Trên thực tế có nhiều máy đo liều neutron khá nhạy với photon, do đó cần phải có một thiết bị đo photon (không nhạy với neutron) được sử dụng để tách phần đóng góp của neutron và photon ra khỏi nhau. Có hai loại đầu đo thông dụng nhất cho việc này đó là: 1) ống đếm Geiger-Müller bù trừ năng lượng và 2) liều kế nhiệt phát quang không nhạy với neutron (ví dụ: TLD 700 làm giàu với ). Đối với ống đếm Geiger-Müller thì phải cẩn thận khi sử dụng, tránh các vật liệu làm ống đếm bị kích hoạt bởi neutron và có thể làm tăng phông phóng xạ photon của thiết bị. Tuy nhiên, cho mục đích chuẩn ở mức an toàn thì vấn đề này không đáng quan ngại.
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 thông 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 quét chùm tia qua toàn bộ bề mặt của đầu đo. Trong trường hợp chiếu liều kế cùng với phantom, thì chùm tia phải quét qua toàn 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 thông 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 thông lượng, ổn định và có độ nhạy phù hợp.
Khi sử dụng máy gia tốc để tạo ra trường chuẩn neutron thì thông 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 không 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
37
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