1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
Lê Anh Đức
ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA KỸ THUẬT QUÉT GAM-MA
PHÂN ĐOẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGẪU NHIÊN
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Thành phố Hồ Chí Minh - 2012
1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
Lê Anh Đức
ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA KỸ THUẬT QUÉT GAM-MA
PHÂN ĐOẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGẪU NHIÊN
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số: 60 44 05
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học:
TS. Trần Quốc Dũng
Thành phố Hồ Chí Minh - 2012
1
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được sự
quan tâm và giúp đỡ rất nhiều từ Thầy Cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Tôi xin
được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến:
Thầy TS. Trần Quốc Dũng, người hướng dẫn khoa học, đã mang đến cho tôi
những kiến thức và phương pháp nghiên cứu khoa học, truyền đạt tinh thần học hỏi
và luôn động viên giúp tôi vượt qua những khó khăn, vướng mắc trong suốt quá
trình thực hiện luận văn.
Thầy ThS Trần Thiện Thanh đã gợi ý những phương hướng nghiên cứu, đóng
góp ý kiến, và truyền đạt kinh nghiệm cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Quý Thầy Cô giảng dạy bộ môn Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng
cao, Trường ĐH Sư Phạm TP.HCM đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình học tập tại trường.
Quý Thầy Cô phản biện và Hội đồng chấm luận văn đã đọc và có những nhận
xét cũng như những góp ý quý giá về luận văn.
Quý Thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân và Khoa Vật lý, Trường Đại học
Sư phạm TP HCM đã đóng góp những ý kiến và luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi về
cơ sở vật chất để tôi có thể thực hiện các nghiên cứu phục vụ cho luận văn.
Cảm ơn những người bạn, những người anh em đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong
quá trình chế tạo hệ máy đo thực nghiệm.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình đã luôn động viên và hỗ trợ tôi mọi mặt, về
vật chất lẫn tinh thần để tôi hoàn thành luận văn.
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012
Lê Anh Đức
2
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 1
MỤC LỤC .................................................................................................................. 2
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................ 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. 6
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 8
Chương 1: Tổng quan về các kỹ thuật gam-ma thụ động ................................... 12
1.1 Tổng quan về các kỹ thuật gam-ma thụ động ................................................. 12
1.2 Kỹ thuật chụp cắt lớp gam-ma TGS................................................................ 13
1.3 Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn SGS ........................................................... 16
Chương 2: Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn và đánh giá sai số theo mô
phỏng………………………………………………………………………………18
2.1 Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn. .................................................................. 18
2.2 Đánh giá sai số hệ thống ................................................................................. 20
2.3 Tính toán giá trị sai số bằng phương pháp ngẫu nhiên. .................................. 22
2.3.1 Gieo một nguồn ngẫu nhiên vào một phân đoạn................................................ 22
2.3.2 Gieo nhiều nguồn ngẫu nhiên vào một phân đoạn ............................................. 22
2.3.3 Trường hợp tổng quát gieo nhiều nguồn vào thùng phóng xạ ........................... 26
Chương 3: Xây dựng hệ đo thực nghiệm .............................................................. 30
3.1 Cơ sở thực nghiệm .......................................................................................... 30
3.2 Cấu tạo của thiết bị thí nghiệm ....................................................................... 32
3.2.1 Máy đơn kênh Ludlum thế hệ 2200 ................................................................ 32
3.2.2 Đầu dò nhấp nháy thế hệ 44-10 .......................................................................... 35
3.2.3 Giá đỡ và ống chuẩn trực chì ............................................................................. 36
3.2.4 Hệ nâng thùng rác thải phóng xạ ...................................................................... 37
3.2.5 Hệ quay và thùng rác thải .................................................................................. 39
3.2.6 Bộ nguồn sử dụng trong quá trình đo đạc .......................................................... 42
Chương 4: Đánh giá kết quả đo đạc, sai số trong các thí nghiệm với hệ đo SGS
3
bằng phương pháp ngẫu nhiên và bình luận ........................................................ 44
4.1 Khảo sát định tính khả năng quét gam-ma của hệ đo SGS với nguồn và chất
độn không đồng nhất ............................................................................................. 44
4.1.1 Các bước tiến hành ............................................................................................. 44
4.1.2 Kết quả thí nghiệm: ............................................................................................ 45
4.1.3 Đánh giá và bình luận ........................................................................................ 49
4.2 Khảo sát sai số của phương pháp SGS do phân bố của nguồn ....................... 50
4.2.1 Các bước tiến hành ............................................................................................. 51
4.2.2 Xác định hệ số hấp thụ tuyến tính µ của cát sử dụng với nguồn Cs137 . ............ 53
4.2.3 Xác định hệ số α và công thức tính sai số .......................................................... 53
4.2.4 Kết quả thực nghiệm với K = 87 cm .................................................................. 54
4.2.5 Kết quả thực nghiệm với K = 116 cm ............................................................... 59
4.2.6 Đánh giá và bình luận ........................................................................................ 60
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 61
KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................... 62
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ...................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 64
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 67
4
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
NDA
Non-Destructive Assay: Phân tích không huỷ mẫu.
PGT
Passive Gamma Technique: Kỹ thuật gam-ma thụ động.
SGS
Segmented Gamma Scanning: Quét gam-ma phân đoạn.
TGS
Tomographic Gamma Scanning: Kỹ thuật chụp cắt lớp.
5
DANH MỤC CÁC BẢNG
TT Bảng
1
2.1
2
2.2
Diễn giải
Giá trị sai số theo phân bố r (cm) khi cho một nguồn ngẫu
nhiên vào một phân đoạn.
Giá trị I tb và sai số khi cho nhiều nguồn giống nhau vào một
phân đoạn.
Trang
22
24
Giá trị sai số khi cho nhiều nguồn vào thùng với 10 phân
3
2.3
đoạn, với µ = 0,03; 0,06; và 0,12 cm-1 và K = 87 cm;
27
K = 116 cm.
4
3.1
5
4.1
6
4.2
7
4.3
8
4.4
9
4.5
10
4.6
Thông tin bộ nguồn sử dụng trong quá trình đo.
Số đếm thô khi cho 8 nguồn chuẩn vào bốn phân đoạn của
thùng với các lần cho ngẫu nhiên khác nhau.
Số đếm thô khi cho 11 nguồn vào năm phân đoạn của thùng
với các lần cho ngẫu nhiên khác nhau.
Số đếm thô khi cho 10 nguồn vào năm phân đoạn của thùng
với các lần cho ngẫu nhiên khác nhau.
Hệ số hấp thụ tuyến tính trung bình.
Số đếm và sai số theo phân bố khoảng cách r (cm), với
K = 87 cm và µ = 0,04987 cm-1.
Số đếm và sai số theo phân bố khoảng cách r (cm), với
K = 116 cm và µ = 0,04987 cm-1.
42
45
47
48
53
54
58
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TT Hình
Diễn giải
Trang
1
1.1
Các kỹ thuật gam-ma thụ động của Ortec
12
2
1.2
Mô hình cấu tạo của một hệ đo TGS
13
3
1.3
Bản đồ hệ số suy giảm tuyến tính trong kỹ thuật TGS
14
4
1.4
5
1.5
Hình chụp cắt lớp phân bố chất độn trong thùng
16
6
1.6
Hệ SGS thương mại của Ortec
17
7
2.1
Minh hoạ nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật SGS
18
8
2.2
Mặt cắt ngang của một phân đoạn
21
9
3.1
10
3.2
Máy đơn kênh Ludlum thế hệ 2200
33
11
3.3
Đầu dò nhấp nháy NaI thế hệ 44-10 và giá đỡ
35
12
3.4
Ống chuẩn trực được chế tạo riêng cho đầu dò nhấp nháy NaI
36
13
3.5
Tỉ lệ đường kính ống chuẩn trực và bề dày phân đoạn
37
14
3.6
15
3.7
Mô tơ quay và hệ nâng
38
16
3.8
Mô tơ, bánh đà và dây xích truyền động
38
17
3.9
Cáp trượt, thanh trượt và thước đo của hệ nâng
39
18
3.10
Mô tơ được gắn với giá đỡ của hệ quay
40
19
3.11
Thùng rác thải trên giá đỡ và hệ quay
41
20
3.12
Chất độn là cát và vải vụn được cho vào thùng với nguồn
41
21
3.13
Bộ nguồn phóng xạ sử dụng trong thí nghiệm
42
22
3.14
Lắp đặt hệ thí nghiệm
43
Hệ TGS thương mại theo chuẩn hộp và chuẩn thùng của Ortec
- Hệ TGS theo chuẩn thùng của Canberra
Sử dụng nguồn ngoài để tính hệ số hấp thụ tuyến tính trung
bình
Ống chuẩn trực được gắn gới đầu dò trên giá đỡ cùng với hệ
máy Ludlum 2200
15
31
37
7
23
4.1
24
4.2
25
4.3
26
4.4
27
4.5
28
4.6
29
4.7
30
4.8
31
4.9
Lắp đặt đầu dò, ống chuẩn trực và thước đo khoảng cách K
Nguồn Cs137 với hoạt độ I = 12,2 MBq, dạng ống với hộp chì
đựng
Các vị trí của nguồn có thể có khi cho vào thùng một cách
ngẫu nhiên
Xác suất nguồn rơi vào hình vành khăn
Biểu đồ phân bố xác suất nguồn rơi vào các khoảng cách
r (cm) khi cho nguồn ngẫu nhiên vào thùng, K = 87 cm.
Biểu đồ sai số thực nghiệm theo khoảng cách r (cm),
với K = 87 cm
Biểu đồ sai số của hệ SGS theo khoảng cách r (cm) với K = 87
cm và µ = 0,04987 cm-1 với số liệu tính toán mô phỏng
Biểu đồ phân bố xác suất nguồn rơi vào các khoảng cách
r (cm) khi cho nguồn ngẫu nhiên vào thùng, với K = 116 cm
Biểu đồ sai số thực nghiệm theo khoảng cách r (cm),
với K = 116 cm
44
51
52
56
56
57
57
58
59
Biểu đồ sai số của hệ SGS theo khoảng cách r (cm) với
32
4.10
K = 116 cm và µ = 0,04987 cm-1 với số liệu tính toán mô
phỏng
59
8
MỞ ĐẦU
Ngày nay, kỹ thuật nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao đã được sử dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trên thế giới. Việc ứng dụng phản ứng hạt nhân nhằm
nhiều mục đích khác nhau như: xây dựng trung tâm nghiên cứu sản xuất đồng vị
phóng xạ nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu, y tế, quân sự… Bên cạnh đó, khi
nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt và góp phần gia tăng sự ô
nhiễm môi trường do phát thải khí độc hại ra môi trường xung quanh: nước, đất,
không khí và sinh vật, thì một số quốc gia đang theo đuổi những dự án lò phản ứng
hạt nhân, nhà máy điện hạt nhân, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn về năng
lượng.
Tại Việt Nam, chúng ta hiện đang có lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu ở Đà
Lạt, và sắp tới là nhà máy điện hạt nhân ở Ninh Thuận dự định sẽ khởi công xây
dựng. Dự kiến đến khoảng năm 2020, có thể tổ máy đầu tiên của Nhà máy điện hạt
nhân Ninh Thuận sẽ được vận hành thương mại. Tuy nhiên quá trình hoạt động của
các lò phản ứng hạt nhân này sinh ra một lượng rác thải phóng xạ đáng kể, được
chứa trong các thùng kín lớn, và chúng ta sẽ phải đối mặt với vấn đề xử lí và quản lí
chất thải hạt nhân ở quy mô lớn. Câu hỏi lớn đặt ra, chúng ta sẽ xử lý như thế
nào với lượng chất thải được tạo ra?
Việc kiểm tra và đánh giá hoạt độ phóng xạ trong các thùng rác thải này là cần
thiết trước khi chúng được đem đi xử lý và tiêu hủy. Song song với việc thẩm định
các vấn đề về an toàn bức xạ, ảnh hưởng đến môi trường trong quá trình lò hoạt
động thì việc xử lý rác thải phóng xạ từ các lò phản ứng này cũng rất quan trọng, để
bảo vệ sức khỏe con người và và không bị rò rĩ chất phóng xạ ra môi trường. Điều
này đòi hỏi cần phải có một phương pháp để xác định hoạt độ phóng xạ trong các
thùng rác thải. Do đó việc nghiên cứu để tìm ra một phương pháp thích hợp, hiệu
quả để áp dụng vào thực tế là vô cùng cần thiết và cấp bách.
Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn SGS (segmented gamma scanning
technique) là một kỹ thuật quan trọng để đo đạc, phân tích hoạt độ và thành phần
9
của rác thải phóng xạ. Trong kỹ thuật SGS, thùng rác thải phóng xạ được đo thành
nhiều phân đoạn, và do đó nó được phân tích một cách chi tiết hơn cách đo thông
thông thường, nếu kết quả đo của đầu dò trên từng phân đoạn là tốt thì sẽ kéo theo
kết quả cuối cùng cũng tốt.
Do phương pháp đo SGS dựa trên giả thuyết là nguồn và chất độn (matrix)
phân bố đồng nhất trên một phân đoạn, điều này không phù hợp với thực tế dẫn đến
sai số phép đo. Việc đánh giá sai số này là một nhiệm vụ quan trọng trong việc kiểm
tra và quản lý chất thải phóng xạ.
Trước những nhu cầu thực tiễn như trên, tôi chọn đề tài: “Đánh giá sai số của
kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn bằng phương pháp ngẫu nhiên” làm đề tài
nghiên cứu.
Luận văn đã tìm hiểu khả năng sử dụng phương pháp ngẫu nhiên bằng tính
toán mô phỏng và thực nghiệm khi cho nguồn phóng xạ vào thùng để đánh giá sai
số của kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn.
Luận văn đã đi sâu vào:
- Tìm hiểu tổng quan về các kỹ thuật gam-ma thụ động PGT (passive gamma
technique) đặc biệt là kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn SGS (segmented gamma
scanning technique) trong việc đo hoạt độ của thùng rác thải nhằm biết được các
các nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến sai số hệ thống của kỹ thuật
quét gam-ma phân đoạn.
- Hệ đo quét gam-ma phân đoạn đã được chế tạo để đo đạc và tính toán được
sai số thực nghiệm.
Quá trình chế tạo hệ đo SGS và đo đạc thực nghiệm cần tốn nhiều thời gian,
kinh phí, thiết bị, nhân lực. Quá trình đo đạc thực nghiệm cần có cùng một lượng
nguồn phóng xạ nhiều để giả định như thùng rác thải thật sự. Vì vậy, trong một
khoảng thời gian ngắn, đề tài này tập trung vào một số phép đo đơn giản với số
nguồn phóng xạ có sẵn và thực hiện các mô phỏng tính toán. Chủ yếu là ghi nhận số
đếm và đánh giá sai số về hoạt độ của phép đo. Kiểm chứng sai số do yếu tố phân
bố của nguồn trong phép đo SGS.
10
Nhằm đạt được các mục tiêu đã đề ra ở trên, luận văn này tập trung thực hiện
các nội dung sau:
- Nắm rõ nguyên lý hoạt động và quy trình đo trong kĩ thuật quét gam-ma phân
đoạn, tiến hành mô phỏng tính toán lí thuyết.
- Chế tạo hệ quét gam-ma phân đoạn theo một số mô hình của các hệ này trên thế
giới để có thể sử dụng đo đạc được.
- Tiến hành thực nghiệm: kiểm chứng sai số do sự phân bố của nguồn, kiểm chứng
định tính khả năng quét gam-ma của hệ SGS tự chế tạo.
- Thu thập, xử lý số liệu thu nhận được từ mô phỏng và thực nghiệm.
- Tiến hành phân tích, so sánh và đánh giá kết quả.
Luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về các kỹ thuật gam-ma không hủy mẫu.
Chương này trình bày tổng quan về các kỹ thuật phân tích không huỷ mẫu - kỹ
thuật gam-ma thụ động và nguyên tắc hoạt động, đánh giá sai số của kỹ thuật chụp
cắt lớp gam-ma và kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn.
Chương 2: Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn và đánh giá sai số theo mô phỏng.
Nội dung chương này sẽ trình bày rõ ràng hơn về kỹ thuật quét gam-ma phân
đoạn, cùng với các công thức tính toán lý thuyết. Sai số của kỹ thuật SGS do các
yếu tố phân bố của nguồn, khoảng cách và hệ số suy giảm tuyến tính sẽ được tính
toán mô phỏng bằng phương pháp ngẫu nhiên để làm cơ sở xây dựng hệ đo thực
nghiệm.
Chương 3: Xây dựng hệ đo thực nghiệm.
Chương này trình bày cấu tạo của hệ đo SGS do tác giả tự chế tạo, nguyên tắc
hoạt động của từng bộ phận trong hệ đo này, cách lắp đặt hệ đo để tiến hành thực
nghiệm đo đạc.
Chương 4: Đánh giá kết quả đo đạc và sai số trong các thí nghiệm với hệ đo SGS
bằng phương pháp ngẫu nhiên và bình luận.
Xây dựng các bước tiến hành thí nghiệm để kiểm tra định tính và tính toán
định lượng sai số của hệ đo SGS tự chế tạo bằng phương pháp ngẫu nhiên khi cho
11
nguồn vào thùng rác thải phóng xạ. Đưa ra kết luận về sai số của phép đo do các
yếu tố phân bố của nguồn gây ra.
Trong quá trình thực hiện và trình bày luân vặn, vì còn hạn chế về kiến thức,
nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi sai sót. Kính mong nhận được sự góp ý
của quý Thầy Cô và bạn đọc. Tôi xin chân thành cảm ơn.
12
Chương 1: Tổng quan về các kỹ thuật gam-ma thụ động
1.1 Các kỹ thuật gam-ma thụ động
Kỹ thuật gam-ma thụ động (Passive Gamma Technique) là một kỹ thuật trong
phép phân tích không huỷ mẫu NDA (Non-Destructive Assay), đã được sử dụng
rộng rãi từ rất lâu để xác định hoạt độ và thành phần các đồng vị phóng xạ của Pluto-ni-um, U-ra-ni-um và các sản phẩm phân hạch khác trong thùng rác thải. Hiện
nay các công ty như Ortec, Canberra… đã phát triển và tiến hành bán rất nhiều hệ
đo, phân tích gam-ma thụ động. Các hệ đo này dựa trên những nguyên lý hoạt động
và kỹ thuật khác nhau tương ứng với giá thành.
Hình 1.1. Các kỹ thuật gam-ma thụ động của Ortec [10]
Kỹ thuật Iso-cart có giá thành tương đối rẻ, và độ tiện dụng cao.
Kỹ thuật QED có độ nhạy cao nhất khi sử dụng để xác định các đồng vị
phóng xạ trong thùng rác thải có hoạt độ thấp.
Kỹ thuật SGS có độ tin cậy cao, độ nhạy khi sử dụng để xác định các đồng vị
phóng xạ tốt.
Kỹ thuật TGS cho độ tin cậy và độ chính xác cao nhất trong quá trình đo đạc
và phân tích với mẫu và chất độn không đồng nhất.
Yêu cầu của các phép đo là phải nhận biết được các gam-ma đặc trưng của các
đồng vị phóng xạ, xác định được hoạt độ phóng xạ và thêm vào đó là thực hiện đo
đạc càng nhanh càng tốt. Các hệ đo này sử dụng hệ phổ kế đa kênh đo gam-ma, có
thể kiểm tra thành phần thùng rác thải gồm có những chất phóng xạ nào dựa vào
13
phổ năng lượng gam-ma của chúng và kiểm tra hoạt độ của thùng dựa vào số đếm
đầu dò ghi nhận được ứng với từng năng lượng đặc trưng của gam-ma. Sai số của
phép đo không chỉ phụ thuộc vào nguồn và chất độn trong thùng mà còn phụ thuộc
vào kỹ thuật nào được sử dụng. Cho đến nay, có rất nhiều kỹ thuật gam-ma không
phá huỷ mẫu để phân tích hoạt độ và thành phần thùng rác thải phóng xạ, và nổi bật
trong số đó là hai kỹ thuật với độ tin cậy cao:
• Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn SGS (Segmented Gamma Scanning
Technique).
• Kỹ thuật chụp cắt lớp gam-ma (Tomographic Gamma Scanning Technique).
1.2 Kỹ thuật chụp cắt lớp gam-ma TGS
Kỹ thuật chụp cắt lớp gam-ma (TGS) được phát triển bởi phòng thí nghiệm
quốc gia Los Alamos vào đầu những năm 1990 cho Bộ Năng lượng Mỹ. TGS sử
dụng nguồn truyền dẫn phát xạ đơn phô-tôn để hiệu chỉnh, chụp cắt lớp vi tính để
xác định sự phân bố không gian, và phân tích thành phần nguồn phóng xạ của thùng
rác thải bằng cách sử dụng đầu dò cùng hệ phổ kế gam-ma độ phân giải cao. Kỹ
thuật này là một bước tiến đáng kể trong công nghệ phân tích không huỷ mẫu, nó
hướng tới một kết quả chính xác nhất vì có thể cho thấy được hình ảnh về sự phân
bố của chất độn và nguồn phóng xạ, tuy nhiên nó đòi hỏi nhiều kinh phí để đầu tư
và kĩ thuật với công nghệ rất cao.
Hình 1.2. Mô hình cấu tạo của một hệ đo TGS [9]
14
Quá trình hoạt động của TGS gồm hai bước với khả năng quét và phân tích
cho độ chính xác cao. Bước đầu tiên là chụp cắt lớp vi tính hoạt động, giống như kỹ
thuật chụp ảnh X-quang y tế, để đo sự suy giảm của cường độ bức xạ đi từ một
nguồn bên ngoài thông qua chất độn đến đầu dò, từ đó xác định hệ số hấp thụ tuyến
tính trên từng phân lớp và trung bình. Các nguồn phát ra tia gam-ma ở mức năng
lượng rời rạc, khi các tia đi qua thùng với chất độn không đồng nhất ở bên trong,
chúng sẽ bị suy giảm ở nhiều mức độ khác nhau. Ở phía bên kia của thùng, hệ phổ
kế gam-ma sẽ đo được bức xạ gam-ma suy yếu. Bằng cách ghi nhận và đo tia gamma cường độ suy yếu ở mức năng lượng cụ thể của nguồn truyền dẫn, người ta có
thể xác định bản đồ của hệ số suy giảm tuyến tính của thùng rác thải. Các bản đồ
này có thể được xây dựng lại để mô tả sự suy giảm do chất độn của thùng [19].
Hình 1.3. Bản đồ hệ số suy giảm tuyến tính trong kỹ thuật TGS [9]
Bước thứ hai là đo gam-ma thụ động, máy dò ghi nhận gam-ma và cho ta
phổ tia gam-ma phát ra từ bên trong thùng. Sự suy giảm gam-ma gây ra bởi vật liệu
trong các phép đo đồng vị phóng xạ được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng bản đồ hệ
15
số suy giảm tuyến tính, sự điều chỉnh này cho một kết quả chính xác hơn về các
đồng vị phóng xạ bên trong thùng. Phổ thu được sử dụng để tự động xác định các
đồng vị trong thùng, bởi vì các đồng vị phóng xạ khác nhau sẽ phát ra một năng
lượng đặc trưng duy nhất của riêng chúng trong phổ năng lượng [19].
Máy chụp cắt lớp TGS là một hệ thống mở rộng hơn nữa của hệ máy SGS,
mở rộng phạm vi của các ứng dụng cho phép đo lường đối với các nguồn và chất
thải không đồng nhất với kết quả chính xác cao hơn, độ chính xác của phép đo TGS
trong khoảng từ 10-50% cho dù chất độn không đồng nhất [10]. Sự chuyển động
tương đối của thùng chất thải và đầu dò cũng khác nhau. Thay vì chỉ đơn giản là
xoay và nâng thùng, nó có thể được đồng thời xoay và dịch theo chiều ngang. Đối
với một một thùng rác thải với hoạt độ và chất độn không đồng nhất, kết quả đo
lường TGS cho một sai số thấp hơn nhiều so với các kỹ thuật khác [10].
(a)
(b)
Hình 1.4. Hệ TGS thương mại theo chuẩn hộp và chuẩn thùng của Ortec (a)
Hệ TGS theo chuẩn thùng của Canberra (b)
16
Hình 1.5. Hình chụp cắt lớp phân bố chất độn trong thùng [9]
1.3 Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn SGS
Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn SGS có thể sử dụng cho hầu hết các trường
hợp trong thực tiễn với độ tin cậy cao. SGS là một kỹ thuật quan trọng để đo đạc và
phân tích hoạt độ của rác thải phóng xạ, được phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc
gia Los Alamos – Mỹ vào đầu những năm 1970. Kỹ thuật này sử dụng giả thiết rằng
các nguồn phóng xạ và chất độn mẫu (thường làm bằng xi măng - bê tông) được
phân bố đồng nhất trong thùng rác thải phóng xạ. Quá trình dùng SGS có thể gây ra
sai số rất lớn nếu mẫu không thỏa mãn các giả thiết này, đó là nguồn và chất độn
phân bố không đồng nhất, sai số thực nghiệm có thể lên tới 500% [10].
Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn cũng là kỹ thuật phổ biến nhất trong số các
kĩ thuật phân tích không huỷ mẫu chất thải hạt nhân vì giá thành sản xuất và độ tiện
lợi mà nó mang lại. Hệ thống SGS có một lợi thế là sử dụng các dụng cụ đo và lắp
ráp không quá phức tạp, cùng với một sự điều chỉnh truyền dẫn để ước tính hệ số
suy giảm trung bình của các chất thải phóng xạ có hoạt độ khác nhau với chất độn.
Bằng cách sử dụng một ống chuẩn trực và đầu dò gắn đồng trục cùng với một
nguồn truyền dẫn, SGS có thể xác định sự suy giảm số đếm của nguồn khi đi qua
lớp chất độn vật chất chứa trong thùng rác thải phóng xạ. Các nguồn truyền dẫn
17
được đặt ở phía đối diện của đầu dò so với thùng, tia gam-ma từ nguồn truyền qua
trục trung tâm của thùng và được ghi nhận bởi đầu dò khi chúng xuất hiện từ phía
đối diện. Với cách này ta có thể xác định tương đối gần đúng được hệ số hấp thụ
tuyến tính trung bình của chất độn.
Trong kỹ thuật SGS, thùng rác thải phóng xạ được chia thành nhiều phân đoạn
nằm ngang, đầu dò với ống chuẩn trực sẽ ghi số đếm và phân tích thành phần dựa
vào phổ năng lượng thu được trên từng phân đoạn, nếu kết quả đo của đầu dò trên
từng phân đoạn là tốt thì kết quả cuối cùng trên cả thùng cũng tốt [4].
Kỹ thuật này sẽ được phân tích và trình bày rõ ràng hơn ở phần chính của luận
văn.
Hình 1.6. Hệ SGS thương mại của ORTEC [5]
18
Chương 2: Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn và đánh giá sai
số theo mô phỏng
2.1 Kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn
Nguyên tắc hoạt động cơ bản của kỹ thuật quét gam-ma phân đoạn SGS là
phân chia thùng rác thải phóng xạ thành các phân đoạn nằm ngang nhỏ hơn rất
nhiều so với chiều cao của thùng, và sử dụng đầu dò (detector) gắn ống chuẩn trực
để phân tích mỗi phân đoạn bằng phương pháp đo gam-ma thông thường. Khi tất cả
các phân đoạn được đo hoàn thành, kết quả số đếm cả thùng sẽ được tính bằng cách
lấy tổng của tất cả các kết quả đo trên từng phân đoạn. Để giảm thiểu tối đa sai số
gây ra do sự phân bố không đồng đều của nguồn và chất độn không đồng nhất trong
mỗi phân đoạn thì thùng sẽ được quay trong quá trình đo [15].
Hình 2.1. Minh hoạ nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật SGS
Thùng được chia thành nhiều phân đoạn, i = 1, 2, 3…n là số thứ tự đánh dấu
của từng phân đoạn, mỗi phân đoạn lần lượt được đo bởi đầu dò. Số đếm thô CR i
trên mỗi phân đoạn được xác định bởi đầu dò. Số đếm hiệu chỉnh C i được tính bằng
công thức:
Ci = CR i .CFi
(2.1)
Trong đó CF i là hệ số suy giảm do chất độn bởi phân đoạn thứ i [15], có thể
- Xem thêm -