Thiết kế tấm che chắn

Trong phần này, tác giả muốn giới thiệu tới bạn đọc một thiết kế tấm che chắn phù hợp với việc chuẩn máy đo liều neutron cầm tay Aloka-TPS 451C tại khoảng cách 75 cm so với nguồn phát xạ neutron có kích thước như đề cập ở trên. Trên thực tế, việc thiết kế tấm che chắn này dựa chủ yếu trên kích thước của nguồn chuẩn, kích của máy đo liều neutron cần chuẩn và khoảng cách giữa nguồn và điểm chuẩn. Việc thiết kế tấm che chắn này dựa chủ yếu vào những khuyến cáo của tài liệu tham khảo[5,6] có tính đến đặc tính của nguồn phát xạ neutron, đặc tính đo đạc của thiết bị đo, khoảng cách chuẩn,... Trong luận văn này, tấm che chắn được đề xuất thiết kế như ở mục này chỉ sử dụng trong cấu hình mô phỏng (do điều kiện khó khăn về kinh phí, khuôn khổ của luận văn này không thể chế tạo được tấm che chắn này).

Tấm che chắn sẽ được đặt đối xứng nhau qua trục X (trục đi qua tâm của nguồn phóng xạ và thiết bị đo liều cầm tay), cấu tạo gồm hai phần chính: Phần gần nguồn (gọi là phần trước) là lớp chì lá dày 0.5 (kích thước này giữ không đổi) mục đích nhằm che chắn thành phần đóng góp của photon từ nguồn đồng vị phát xạ neutron; phần sau là lớp polyethylene (PE) được đặt tại khoảng cách chính giữa nguồn và điểm chuẩn có khối lượng riêng là 0.93 . với thành phần cấu tạo và tỷ lệ phần trăm theo khối lượng tương ứng của các nguyên tố như sau: 1H(14.4%), C(85.6%)[13].

Phần 0.5 chì của tấm che chắn có mục đích che chắn phần đóng góp của các loại photon bẩn sinh ra do sự không tinh khiết của nguồn hay do tương tác của neutron với môi trường vật chất xung quanh vào số đo tổng cộng. Tuy nhiên, với nguồn 252Cf, thành phần đóng góp từ photon là không đáng kể (≤ 5% trong 20 năm đầu)[9].

Theo thiết kế, tấm che chắn gồm sáu mặt. Hai mặt vuông góc với trục X (mặt trước và mặt sau) của tấm che chắn đều có dạng là hình chữ nhật (nhỏ phía gần nguồn, lớn hơn phía gần đầu đo). Bốn mặt xung quanh có dạng hình thang cân với đáy nhỏ nằm gần nguồn, đáy lớn nằm gần thiết bị đo.

Hình 4.1 mô tả cấu tạo chung của một tấm che chắn. Kích thước của tấm che chắn sẽ phụ thuộc vào kích thước tương đối giữa nguồn và đầu đo. Khi nguồn có

kích thước lớn (ví dụ nguồn làm chậm bởi hình cầu đường kính 30 cm)

khi đó phần trước của tấm che chắn sẽ phải có kích thước lớn hơn tương ứng. Ngoài ra, thành phần cấu tạo của các phần tạo nên tấm che chắn cũng tùy thuộc vào lựa chọn của người sử dụng phù hợp với mục đích riêng (ví dụ phần trước của nó có thể thay bằng sắt hoặc đồng, thậm chí là tổ hợp của các vật liệu khác nhau).

Hình 4.1: Cấu tạo tấm che chắn dùng trong mô phỏng

Theo những lập luận trên, sau khi tính toán và tham khảo khuyến cáo về việc chế tạo một tấm che chắnnhư: khoảng cách từ mặt sau của tấm che chắn đến bề mặt của đầu đo phải lớn hơn hoặc bằng tổng chiều dài của tấm che chắn, kích thước che chắn của tấm che chắn tại đầu đo không được lớn hơn hai lần diện tích đầu đo bị chiếu bởi nguồn…[5,6], tấm che chắn dùng trong mô phỏng của luận văn này được thiết kế giới hạn bởi sáu mặt phẳng sau: Bốn mặt phẳng xung quanh có dạng Ax+By+Cz+D=0 với các hằng số A, B, C, D của từng mặt phẳng được liệt kê trong Bảng 4.1 (áp dụng cho khoảng cách từ nguồn đến đầu đo là 75 cm).Hai mặt phẳng vuông góc với trục X (mặt trước và mặt sau của tấm che chắn) có thể thay đổi tùy vào cấu hình của bài toán. Khoảng cách giữa hai mặt này chính là chiều dài của tấm che chắn. Mục đích của phần này là tìm ra độ dài của tấm che chắn thích hợp để có thể che chắn gần như toàn bộ thành phần neutron trực tiếp từ nguồn đến thiết bị đo.

PE dày 30 cm tấm che chắn lớp chì 0.5cm nguồn Đ ầu đo

Bảng 4.1: Các mặt phẳng xung quanh của tấm che chắn

Mặt phẳng Hệ số tương ứng A B C D 1 29.1 0.0 -195.0 177.1 2 54.8 399.8 0.0 325.0 3 29.1 0.0 195.0 177.1 4 -54.8 399.8 0.0 -325.0 4.2. Mô phỏng

4.2.1. Các đối tượng chính đưa vào trong bài toán mô phỏng

Nguồn phát xạ neutron

Thể tích chứa nguồn neutron có dạng hình trụ với bán kính 0.217 , dài 0.612 được đặt đối xứng tại tâm của phòng chuẩn (chọn là gốc tọa độ của bài toán mô phỏng), trục hình trụ của nguồn vuông góc với bề mặt sàn và trần. Nguồn

chứa tinh khiết 100% có khối lượng riêng là 15.1 . .

Lớp vỏ của nguồn được làm bằng lớp thép không gỉ loại 304L có khối lượng riêng 8.00 . [13] với chiều dày lớp thép xung quanh là 0.059 , chiều dày đáy dưới là 0.187 , chiều dày đáy trên là 0.393 . Thành phần lớp thép không gỉ 304L của vỏ nguồn bao gồm các nguyên tố và tỷ lệ phần trăm theo khối lượng như sau[13]: C(0.015%), Si(0.500%), P(0.023%), S(0.015%), Cr(19.0%),

Mn(1.00%), Fe(69.4%) , Ni(10%).

Phổ năng lượng của nguồn neutron được lấy từ Bảng 4.V của tài liệu[7] hoặc từ tài liệu tham khảo[9]. Phổ lối ra của kết quả mô phỏng được chia theo các nhóm năng lượng như trong Bảng V-5 của tài liệu tham khảo[5] để thuận tiện cho việc chuyển đổi thông lượng phổ sang tương tương liều môi trường.

Tường bêtông của phòng chuẩn.

Tất cả các tường bêtông xung quanh của phòng chuẩn, sàn và trần của phòng chuẩn được mô tả chi tiết với những kích thước thiết kế thực tế (bề dày, chiều cao, chiều rộng) như được chỉ ra trong Hình 3.1 và Hình 3.2.

Khối lượng riêng của bêtông là 2.35 . với các thành phần cấu tạo bao gồm các nguyên tố và phần trăm khối lượng tương ứng như sau[13]: H(0.849%),

C(5.01%), O(47.3%), Mg(2.42%), Al(3.61%), Si(14.5%), S(0.297%),

K(0.170%), Ca(24.7%), Fe(1.10%) Sàn nhôm

Sàn nhôm trên thực tế là hình hộp chữ nhật giỗng ở giữa, bề dày của lớp nhôm là 0.1 được đan cách nhau khoảng 3 tại độ cao 230 so với sàn bêtông của phòng. Tuy nhiên trong bài toán mô phỏng, để đơn giản hóa, tác giả đã mô tả lớp mặt phẳng nhôm trung gian là một mặt phẳng liền làm bằng nhôm Al tinh khiết có khối lượng riêng là 2.699 . [13] với bề dày lớp nhôm là 0.2 nằm dưới gốc tọa độ 120 (trên sàn bêtông 230 cm ).

Tấm che chắn, tấm suy giảm

Tấm suy giảm gồm 0.5 cm chì phía gần nguồn kết hợp với lớp PE có độ dày khác nhau ở phía sau (cực đại là 30 cm PE) được đưa vào trong cấu trúc hình học của bài toán mô phỏng (mô tả như trong mục 4.1). Kết quả mô phỏng đối với tấm suy giảm loại này nhằm giới thiệu tới đọc giả phương pháp mô phỏng dùng MCNP5 để xác định chiều dày thích hợp của tấm che chắn.

Tấm che chắn dùng trong thực nghiệm là hình nón cụt với thành phần vật liệu là lớp polyethylene pha với Boron (10%)-PEB, có mật độ khối lượng 1.0 g/cm3, với đáy nhỏ và đáy lớn có đường kính lần lượt là 9 cm và 15 cm.

Cửa cản xạ

Cửa cản xạ của phòng chuẩn có cấu tạo gồm ba lớp: hai lớp sắt bao bọc bên ngoài, mỗi lớp có bề dày 0.7 ; lớp paraffin pha chộn 10% B nằm ở giữa hai lớp sắt. kích thước của cửa chờm lên tường 10 về mỗi phía. Hai lớp sắt của cửa cản xạ được làm từ sắt nguyên chất 100% (khối lượng riêng là 7.874 . )[13]. Lớp paraffin của cửa cản xạ có khối lượng riêng là 1.00 . với các thành phần cấu tạo và phần trăm khối lượng như sau: H(12.5%), C(77.5%) và B(10%).

52 Môi trường trong phòng chuẩn

Môi trường trong phòng chuẩn là không khí với các nguyên tố và tỷ lệ phần trăm khối lượng tương đương như sau[13]: C(0.0124), N(75.5%), O(23.2%), Ar(1.28%). Khối lượng riêng của không khí là 0.001205 . [13].

Theo lập luận này, cấu hình cơ bản của mô phỏng và thực nghiệm trong luận văn này có thể đơn giản chia thành hai cấu hình chính như sau:

Cấu hình I (không có tấm suy giảm/ che chắn)

a) Tiết diện đứng XZ b) Tiết diện bằng XY

Hình 4.2: Cấu hình I cho việc mô phỏng và đo đạc thực nghiệm; (+): nguồn tại gốc tọa độ; (o): Vị trí tính toán/ đo đạc. Trục X đi từ trái sang phải. Trục Y đi từ ngoài vào trong trang giấy. Trục Z đi từ dưới lên trên

- Cấu hình I được minh họa như trong Hình 4.1 là cấu hình số 1 (Bảng 4.2 và Bảng 4.3), cấu hình 3,5 (Bảng 4.3)

- Nguồn được đặt tại tâm của phòng chuẩn (gốc tọa độ x=y=z=0 cm)

- Mô phỏng và đo đạc thực nghiệm được thực hiện để tính toán và xác định tương đương liều neutron môi trường tạo ra tại các vị trí có tọa độ x=75 , y=z=0 cm; x=125 , y=z=0 cm và x=150 , y=z=0 cm

Cấu hình II (có tấm suy giảm/ che chắn)

a) Tiết diện đứng XZ b) Tiết diện bằng XY

Hình 4.3: Cấu hình II cho việc mô phỏng và đo đạc thực nghiệm; (+): nguồn tại gốc tọa độ; (o): Vị trí tính toán/ đo đạc; ( )Tấm chắn suy giảm. Trục X đi từ trái sang phải. Trục Y đi từ ngoài vào trong trang giấy. Trục Z đi từ dưới lên trên

- Cấu hình II được minh họa như trong Hình 4.3 là các cấu hình số 2, 3, 4 (Bảng 4.2) và 2, 4, 6 (Bảng 4.3).

- Nguồn được đặt tại tâm của phòng chuẩn (gốc tọa độ x=y=z=0 cm)

- Tấm chắn suy giảm/ tấm che chắn (như mục 4.2.1) được đặt đối xứng nhau qua trục X và nằm giữa nguồn chuẩn và điểm chuẩn (như các điều kiện ở Bảng 4.2 và Bảng 4.3)

4.2.2. Cấu hình mô phỏng để xác định chiều dài thích hợp của tấm che chắn

Để xác định được chiều dài thích hợp của tấm che chắn (khi khoảng cách giữa nguồn và điểm chuẩn là 75 cm) trước tiên ta xác định thông lượng neutron tại điểm khảo sát (75 cm) khi không có tấm che chắn ở giữa nguồn và điểm khảo sát.

Sau đó ta đưa các tấm che chắn với các kích thước khác nhau (từ nhỏ đến lớn) vào giữa nguồn và điểm khảo sát. Xác định thông lượng neutron tại điểm khảo sát,

sau đó so sánh tỷ số thông lượng khi có tấm che chắn với các chiều dày khác nhau với khi không có tấm che chắn để xác định độ dày thích hợp của tấm che chắn (độ dày thích hợp là khi che gần như toàn bộ thành phần thông lượng neutron trực từ nguồn đến điểm khảo sát).

Dựa trên những lập luận này, cấu hình mô phỏng để xác định chiều dày thích hợp của tấm che chắn được đề xuất như Bảng 4.2 sau:

Bảng 4.2: Các cấu hình mô phỏng để xác định chiều dày thích hợp của tấm che chắn

Thứ tự cấu hình Khoảng cách từ nguồn đến điểm chuẩn Tấm suy giảm Dạng hình học PE (cm) Pb (cm) 1 75 cm mục 4.1 0.0 0.0 2 10 0.5 3 20 0.5 4 30 0.5

4.2.3. Cấu hình cơ bản của mô phỏng và thí nghiệm

Dựa trên những điều kiện thực tế và cơ sở vật chất hiện có, cấu hình cơ bản của mô phỏng và thí nghiệm trong luận văn này được chỉ ra như trong Bảng 4.3.

Bảng 4.3: Các cấu hình cơ bản của mô phỏng và thí nghiệm

Thứ tự cấu hình

Khoảng cách từ nguồn đến điểm chuẩn/mặt trước của tấm che chắn

hình nón (cm) Tấm suy giảm Dạng hình học PEB (cm) 1 75/15 nón cụt (mục 3.5) 0.0 2 30 3 125/40 0.0 4 30 5 150/50 0.0 6 30

4.2.4. Chương trình mô phỏng

Với những lập luận như trên chương trình MCNP5 được viết ra như trong Phụ lục 1, cụ thể:

+ PL 1.1 minh họa cho cấu hình 1 (Bảng 4.2 và Bảng 4.3) và cấu hình 3,5 (Bảng 4.3).

+ PL1.2 minh họa cho cấu hình 2 (Bảng 4.3).

+ Trên thực tế, tất cả các cấu hình như chỉ ra trong Bảng 4.2 và Bảng 4.3 được mô phỏng.

4.3. Thực nghiệm

Việc thiết kế, sử dụng tấm che chắn như mục 4.1 khi chuẩn một thiết bị đo liều neutron hình trụ là lý tưởng nhất. Tuy nhiên, trong khuôn khổ của luận văn, việc chế tạo tấm che chắn như vậy là khá tốn kém về mặt kinh phí, nằm ngoài khả năng của đề tài. Do đó, trong phần thực nghiệm của luận văn này tác giả sử dụng một tấm che chắn hình nón cụt làm bằng PEB, mật độ khối lượng 1.0 g/cm3 có đường kính đáy nhỏ là 9 cm, đường kính đáy lớn là 15 cm (tấm che chắn hình nón này đã có sẵn tại VKHKTHN).

Trong phần thực nghiệm của luận văn này, các cấu hình 1 (Bảng 4.2 và Bảng 4.3); cấu hình 3, 5 (Bảng 4.3) được thực hiện đo đạc để xác định suất tương đương liều neutron môi trường tại các điểm có toa độ x = 75, 125, 150 cm, y=z=0 cm.

Tấm che chắn hình nón kể trên được thiết lập thí nghiệm với các cấu hình 2, 4, 6 (Bảng 4.3), các bước tiến hành thí nghiệm cụ thể như sau:

Cấu hình số 1 (Bảng 4.2 và Bảng 4.3)+Cấu hình 3, 5 (Bảng 4.3)

- Đặt nguồn neutron tại tâm của phòng chuẩn (vị trí có tọa độ x=y=z=0 ) - Đặt lần lượt một trong hai máy đo liều neutron Aloka-TPS 451C tại vị trí có tọa

độ x=75, 125, 150 , y=z=0 (quá trình đặt máy sao cho chùm tia song song với mặt sàn đi qua tâm hiệu dụng của máy đo và có hướng vuông góc với trục hình trụ của máy đo) để đo suất tương đương liều neutron tại vị trí trên.

- Các số liệu đo đạc suất tương đương liều neutron tại vị trí kể trên được ghi lại (đây là giá trị suất tương đương liều neutron tổng cộng của cấu hình 1 (Bảng 4.2 và Bảng 4.3) cấu hình 3, 5 (Bảng 4.3).

Cấu hình số 2 (Bảng 4.3)

- Đặt nguồn neutron tại tâm của phòng chuẩn (vị trí có tọa độ x=y=z=0 ) - Đặt tấm che chắn hình nón (làm từ vật liệu PEB) có chiều dài 30 cm sao cho

trục trung tâm của hình nón nằm trên trục X đi qua tâm của nguồn neutron và tâm hiệu dụng của máy đo theo hướng vuông góc với trục hình trụ của máy đo; đáy nhỏ của hình nón (có đường kính 9 cm) đặt cách nguồn neutron 15 cm (cấu hình 2 - Bảng 4.3), 40 cm (cấu hình 4 - Bảng 4.3), 50 cm (cấu hình 6 - Bảng 4.3); đáy lớn của hình nón (có đường kính 15 cm) đặt phía gần máy đo liều neutron.

- Đặt lần lượt một trong hai máy đo liều neutron Aloka-TPS 451C tại vị trí có tọa độ x=75 , y=z=0 (cấu hình 2 - Bảng 4.3); x=125 , y=z=0 (cấu hình 4 - Bảng 4.3) và x=150 , y=z=0 (cấu hình 6 - Bảng 4.3) để đo suất tương đương liều neutron môi trường tại các vị trí kể trên.

- Các số liệu đo đạc suất tương đương liều neutron tại vị trí kể trên được ghi lại (giá trị này có thể coi là giá trị suất tương đương liều neutron tán xạ tương ứng của các cấu hình 1, 3, 5 (Bảng 4.3).

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ SO SÁNH

5.1. Kết quả mô phỏng

5.1.1. Kết quả mô phỏng cơ bản

Kết quả mô phỏng cơ bản cho một cấu hình trong Bảng 4.2 hoặc Bảng 4.3 bao gồm: phổ thông lượng neutron tổng cộng (Fn-tot), thông lượng neutron trực tiếp (Fn- dir) và sai số thống kê tương ứng được sinh ra bởi một neutron tới từ nguồn 252Cf. Ngoài ra, ta còn có thể xác định được tỷ lệ (%) đóng góp của các đối tượng trong cấu trúc hình học vào giá trị thông lượng neutron tổng cộng thu nhận được từ kết quả mô phỏng.

Các bảng từ Bảng PL2.1 đến Bảng PL2.9 của Phụ lục 2 là kết quả mô phỏng phổ thông lượng neutron tổng cộng (Fn-tot), phổ thông lượng neutron trực tiếp (Fn- dir) và sai số thống kê tương ứng của các cấu hình có trong Bảng 4.2 và Bảng 4.3.

Hình 5.1: Phổ thông lượng neutron tại vị trí cách nguồn 75 cm theo các thành phần

sinh ra bởi một neutron tới từ nguồn 252Cf khi không có tấm suy giảm. Tổng:

Fn-tot; Trực tiếp: Fn-dir; Tán xạ (Tổng-Trực tiếp): Fn-sct

Hình 5.1 minh họa kết quả phổ thông lượng neutron lối ra cơ bản của một chương trình mô phỏng MCNP5. Với cách mô phỏng này ta có thể xác định được

1.0E-13 1.0E-11 1.0E-09 1.0E-07 1.0E-05

1.0E-09 1.0E-06 1.0E-03 1.0E+00

T h ô n g l ư ợ n g n eu tr o n t rê n m ộ t p h ân r ã (c m -2)

Năng lượng neutron, En(MeV) Tổng

Tán xạ Trực tiếp

phổ thông lượng neutron tổng cộng (Fn-tot), phổ thông lượng neutron trực tiếp (Fn- dir) tại bất kỳ điểm nào trong trường bức xạ đang quan tâm.

Thiết bị chuẩn cần thiết