Tài liệu Xác định tương đương liều bức xạ nơtron bằng phổ kế cầu bonner

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------------------------------------- CHU VŨ LONG XÁC ĐỊNH TƯƠNG ĐƯƠNG LIỀU BỨC XẠ NƠTRON BẰNG PHỔ KẾ CẦU BONNER Chuyên Nghành: KỸ THUẬT HẠT NHÂN LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. TRẦN NGỌC TOÀN HÀ NỘI, 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các thiết kế thí nghiệm, các kết quả đo đạc thực nghiệm được thể hiện trong bản luận văn này đều do chính tác giả làm và hoàn toàn không sao chép từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Nếu không đúng như đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về luận văn của mình. Hà Nội, ngày 18 tháng 10 năm 2017 TÁC GIẢ LUẬN VĂN CHU VŨ LONG LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành bản luận văn này, trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Ngọc Toàn, người đã hướng cho tôi đến với lĩnh vực nghiên cứu này, đã chỉ bảo rất tận tình trong thời gian tôi làm luận văn tốt nghiệp. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Trần Kim Tuấn và các thầy, cô khác ở Viện Kỹ thuật Hạt nhân - Vật lý Môi trường - nơi tôi học tập - đã ủng hộ, nhiệt tình truyền đạt những kiến thức cơ bản và quý báu về chuyên môn cho chúng tôi. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành khóa học, hoàn thành bản luận văn. MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .......................................................... .. 1 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ......................................................................... .. 2 Danh mục các bảng ....................................................................................... .. 5 MỞ ĐẦU 7 Chương I. Tổng quan về phổ kế nơtron và vai trò của phổ kế nơtron trong liều lượng an toàn bức xạ .................................................................. .. 9 1.1. Các thuật ngữ, định nghĩa và đại lượng cơ bản được sử dụng trong liều lượng nơtron ................................................................................................... 9 1.1.1. Các đại lượng vật lý đặc trưng cho liều lượng trường bức xạ .. 9 1.1.2. Các đại lượng thao tác ............................................................. . 10 1.1.3. Các thuật ngữ ........................................................................... . 13 1.2. Kỹ thuật phổ kế nơtron ……………………………………................... .. 15 1.2.1. Lịch sử hình thành và phát triển ................................................. . 15 1.2.2. Phổ kế nơtron và các kỹ thuật chính trong phổ kế nơtron ............ 16 1.2.3. Vai trò của phổ kế nơtron trong liều lượng an toàn bức xạ …… 23 Chương II. Kỹ thuật phổ kế cầu Bonner .................................................... .. 26 2.1. Phương pháp làm chậm và ghi nhận ....................................................... .. 27 2.2. Số lượng các quả cầu và hàm đáp ứng ..................................................... .. 29 2.3. Lựa chọn đầu dò nhiệt cho phổ kế cầu Bonner ........................................ .. 34 2.4. Nguyên lý xác định tương đương liều bằng kỹ thuật phổ kế nơtron .......... 37 2.5. Phương pháp tách phổ ………………………………………………… .. 38 2.5.1. Tổng quan về phương pháp tách phổ .......................................... . 38 2.5.2. Phần mềm tách phổ NSDUAZ6LiI .............................................. . 40 2.6. Kỹ thuật trường tự do ………………………………………………….. 44 2.7. Kỹ thuật loại trừ tán xạ ………………………………………………… .. 44 2.7.1. Phương pháp côn che chắn ........................................................ . 45 2.7.2. Phương pháp xác định đáp ứng tổng .......................................... . 46 Chương III: Xác định phổ, tương đương liều trong trường bức xạ nơtron bằng kỹ thuật phổ kế ...................................................................... .. 50 3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... .. 50 3.2. Thiết bị và công cụ được sử dụng ............................................................ .. 50 3.2.1. Hệ chiếu xạ nơtron 241 Am-Be ..................................................... . 50 3.2.2. Nguồn bức xạ nơtron 241Am-Be .................................................. . 51 3.2.3. Hệ phổ kế cầu Bonner ................................................................ . 52 3.3. Phổ thông lượng, tương đương liều trong trường tự do ............................ . 54 3.3.1. Khoảng cách 115 cm từ nguồn ................................................... . 54 3.3.2. Khoảng cách 135 cm từ nguồn ................................................... . 54 3.3.3. Khoảng cách 155 cm từ nguồn ................................................... . 55 3.3.4. Khoảng cách 175 cm từ nguồn ................................................... . 56 3.3.5. Khoảng cách 195 cm từ nguồn ................................................... . 57 3.3.6. Khoảng cách 215 cm từ nguồn ................................................... . 57 3.3.7. Khoảng cách 235 cm từ nguồn ................................................... . 58 3.3.8. Khoảng cách 255 cm từ nguồn ................................................... . 59 3.3.9. Khoảng cách 275 cm từ nguồn ................................................... . 60 3.3.10. Khoảng cách 295 cm từ nguồn ................................................. . 60 3.3.11. Khoảng cách 315 cm từ nguồn ................................................. . 61 3.3.12. Khoảng cách 335 cm từ nguồn ................................................. . 62 3.3.13. Khoảng cách 355 cm từ nguồn ................................................. . 63 3.3.14. Khoảng cách 375 cm từ nguồn ................................................. . 64 3.3.15. Khoảng cách 395 cm từ nguồn ................................................. . 64 3.3.16. Tổng hợp kết quả và thảo luận ................................................. . 65 3.4. Phổ thông lượng, tương đương liều được đo trong trường tổng 241 Am-Be ... 70 3.4.1. Khoảng cách 115 cm từ nguồn ................................................... . 70 3.4.2. Khoảng cách 135 cm từ nguồn ................................................... . 71 3.4.3. Khoảng cách 155 cm từ nguồn ................................................... . 72 3.4.4. Khoảng cách 175 cm từ nguồn ................................................... . 72 3.4.5. Khoảng cách 195 cm từ nguồn ................................................... . 73 3.4.6. Khoảng cách 215 cm từ nguồn ................................................... . 74 3.4.7. Tổng hợp kết quả và thảo luận ................................................... . 74 KẾT LUẬN ................................................................................................... .. 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. .. 79 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh/Pháp Tên tiếng Việt BIPM Bureau International des Poids et Mesures Viện đo lường quốc tế BSS Basic Safety Standards Các tiêu chuẩn an toàn cơ bản IAEA International Atomic Energy Agency Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế ICRP International Commission on Radiological Protection Ủy ban quốc tế về An toàn Bức xạ ICRU International Commission on Radiation Units & Measurements Ủy ban quốc tế về Đo lường và Đơn vị Bức xạ IEC International Electrotechnical Commission Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế INST Institute for Nuclear Science and Technology Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân ISO International Organization for Standardization Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa LET Linear Energy Transfer Năng lượng truyền tuyến tính NIST US National Institute for Standards and Technology Viện Công nghệ và Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ NPL National Physics Laboratory (UK) Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh WHO World Health Organization Tổ chức Y tế thế giới 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên Hình vẽ, Đồ thị Trang 1.1 Mối quan hệ giữa trường bức xạ chuẩn với các đại lượng ………… 11 1.2 Định nghĩa của H*(d) trong trường mở rộng và đẳng hướng ……… 12 1.3 Đầu dò bán dẫn kiểu sandwich …………………………………… 19 1.4 Telescope proton giật lùi ……………………………………… …. 20 1.5 Đầu dò chất nhấp nháy hữu cơ NE213 …………………………… 21 1.6 Hàm đáp ứng của ống đếm 3He với chín quả cầu có kích thước khác nhau …………………………………………………… …… 22 1.7 Sự phụ thuộc năng lượng của hệ số chuyển đổi từ Kerma sang tương đương liều xung quanh ……………………………………. 24 1.8 Sự phụ thuộc năng lượng của hệ số chuyển đổi từ thông lượng sang tương đương liều ……………………………………………… …. 24 1.9 Sự không đồng nhất giữa hàm đáp ứng và hệ số chuyển đổi ……… 25 2.1 Tiết diện tương tác của nơtron với hydro …………………………. 28 2.2 Tiết diện tương tác của nơtron với cacbon ………………………... 28 2.3 Các quá trình có thể của nơtron khi tương tác với cầu Bonner ……. 29 2.4 Hàm đáp ứng của cầu Bonner theo các kích thước khác nhau …... 30 2.5 Sự biến đổi số đọc cầu Bonner theo kích thước cho ba trường bức xạ nơtron khác nhau ………………………………………… …… 31 2.6 Cầu Bonner với các vỏ kim loại bên trong để đo nơtron năng lượng cao 32 2.7 Ma trận đáp ứng của phổ kế cầu Bonner ………………………….. 34 2.8 Sơ đồ cấu tạo của đầu dò 6LiI(Eu) ………………………………... 35 2.9 Phổ cao độ xung của đầu dò 6LiI(Eu) …………………………….. 36 2.10 Phổ năng lượng của nơtron và phổ cao độ xung ………………….. 39 2 2.11 Thuật toán của phương pháp lặp …………………………………. 41 2.12 Giao diện của phần mềm NSDUAZ ……………………………… 42 2.13 Một file dữ liệu đầu vào cho NSDUAZ …………………………... 43 2.14 Kết quả tách phổ ……………………………………………… …. 43 2.15 Kích thước và cấu trúc của côn che chắn …………………………. 45 2.16 Làm khớp bán thực nghiệm với rem-counter Aloka ……………… 48 2.17 Làm khớp đa thức cho các quả cầu Bonner có kích thước 8 và 10 inch ………………………………………………………………. 49 3.1 Hệ chiếu xạ N40-1-E ……………………………………………. .. 50 3.2 Nguồn bức xạ nơtron 241 Am-Be kiểu X14 ………………………... 51 3.3 Phổ bức xạ nơtron của nguồn theo ISO 8529-1 ………... 51 3.4 Hệ phổ kế cầu Bonner với đầu dò chủ động 6LiI(Eu) …………… 52 3.5 Hệ phân tích đa kênh để ghi, đo tín hiệu ………………………… 53 3.6 Giao diện chính của phần mềm xử lý phổ Genie 2000 ………….. 53 3.7 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 115 cm …………. 54 3.8 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 135 cm …………. 54 3.9 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 155 cm …………. 55 3.10 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 175 cm …………. 56 3.11 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 195 cm …………. 57 3.12 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 215 cm …………. 57 3.13 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 235 cm …………. 58 3.14 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 255 cm …………. 59 3.15 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 275 cm …………. 60 3.16 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 295 cm …………. 61 241 Am-Be 3 3.17 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 315 cm …………. 61 3.18 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 335 cm …………. 62 3.19 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 355 cm …………. 63 3.20 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 375 cm …………. 64 3.21 Phổ thông lượng bức xạ nơtron ở khoảng cách 395 cm …………. 64 3.22 So sánh phổ nơtron tách được ở khoảng cách 95 cm và phổ chuẩn ISO-8529 ………………………………………………………… 68 3.23 So sánh phổ nơtron tách được ở khoảng cách 95 cm và phổ tách của J. Dubeau …………………………………………………… .. 68 3.24 Suất thông lượng nơtron biến thiên theo khoảng cách ……………. 69 3.25 Suất tương đương liều xung quanh biến thiên theo khoảng cách … 69 3.26 Phổ thông lượng bức xạ nơtron tổng cộng ở khoảng cách 115 cm 70 3.27 Phổ thông lượng bức xạ nơtron tổng cộng ở khoảng cách 135 cm 71 3.28 Phổ thông lượng bức xạ nơtron tổng cộng ở khoảng cách 155 cm 72 3.29 Phổ thông lượng bức xạ nơtron tổng cộng ở khoảng cách 175 cm 72 3.30 Phổ thông lượng bức xạ nơtron tổng cộng ở khoảng cách 195 cm 73 3.31 Phổ thông lượng bức xạ nơtron tổng cộng ở khoảng cách 215 cm 74 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Tên Bảng Trang 1.1 Các đại lượng thao tác ……………………………………… ……. . 11 2.1 Các phản ứng có thể của nơtron với nguyên tố H, C theo năng lượng ……………………………………………………………... 29 2.2 Kích thước của các côn tại phòng chuẩn bức xạ nơtron …………… 46 3.1 Các giá trị đo được ở khoảng cách 115 cm trong trường tự do …….. 54 3.2 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 115 cm trong trường tự do 54 3.3 Các giá trị đo được ở khoảng cách 135 cm trong trường tự do …….. 55 3.4 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 135 cm trong trường tự do 55 3.5 Các giá trị đo được ở khoảng cách 155 cm trong trường tự do …….. 55 3.6 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 155 cm trong trường tự do 56 3.7 Các giá trị đo được ở khoảng cách 175 cm trong trường tự do …….. 56 3.8 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 175 cm trong trường tự do 56 3.9 Các giá trị đo được ở khoảng cách 195 cm trong trường tự do …….. 57 3.10 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 195 cm trong trường tự do 57 3.11 Các giá trị đo được ở khoảng cách 215 cm trong trường tự do …….. 58 3.12 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 215 cm trong trường tự do 58 3.13 Các giá trị đo được ở khoảng cách 235 cm trong trường tự do …….. 58 3.14 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 235 cm trong trường tự do 59 3.15 Các giá trị đo được ở khoảng cách 255 cm trong trường tự do …….. 59 3.16 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 255 cm trong trường tự do 59 3.17 Các giá trị đo được ở khoảng cách 275 cm trong trường tự do …….. 60 3.18 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 275 cm trong trường tự do 60 3.19 Các giá trị đo được ở khoảng cách 295 cm trong trường tự do …….. 61 3.20 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 295 cm trong trường tự do 61 3.21 Các giá trị đo được ở khoảng cách 315 cm trong trường tự do …….. 62 3.22 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 315 cm trong trường tự do 62 3.23 Các giá trị đo được ở khoảng cách 335 cm trong trường tự do …….. 62 3.24 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 335 cm trong trường tự do 63 5 3.25 Các giá trị đo được ở khoảng cách 355 cm trong trường tự do …….. 63 3.26 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 355 cm trong trường tự do 63 3.27 Các giá trị đo được ở khoảng cách 375 cm trong trường tự do …….. 64 3.28 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 375 cm trong trường tự do 64 3.29 Các giá trị đo được ở khoảng cách 395 cm trong trường tự do …….. 65 3.30 So sánh giá trị suất liều ở khoảng cách 395 cm trong trường tự do 65 3.31 So sánh giá trị suất thông lượng trong trường tự do và bằng phương pháp tách phổ ………………………………………………… ….. . 66 3.32 So sánh giá trị suất tương đương liều trong trường tự do và bằng phương pháp tách phổ ……………………………………… ……. . 67 3.33 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 115 cm …... 70 3.34 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 115 cm …………….. 71 3.35 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 135 cm …... 71 3.36 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 135 cm …………….. 71 3.37 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 155 cm …... 72 3.38 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 155 cm …………….. 72 3.39 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 175 cm …... 73 3.40 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 175 cm …………….. 73 3.41 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 195 cm …... 73 3.42 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 195 cm …………….. 74 3.43 Các giá trị đo được trong trường tổng ở khoảng cách 215 cm …... 74 3.44 So sánh giá trị suất liều tổng ở khoảng cách 215 cm …………….. 74 3.45 Hệ số chuẩn của Rem-Counter Aloka …………………………….. 75 3.46 So sánh giá trị suất tương đương liều trong trường tổng bằng phương pháp tách phổ và rem-counter Aloka …………………….. 76 6 MỞ ĐẦU Ứng dụng của bức xạ ion hóa càng ngày càng tăng trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ nghiên cứu khoa học cho đến y tế, công nghiệp, nông nghiệp và các nghành kinh tế quốc dân khác. Điều này dẫn đến nhu cầu và yêu cầu của việc đòi hỏi công tác kiểm soát, xác định các đại lượng liều lượng bức xạ ion hóa ngày càng phải tin cậy và chính xác. Tuy vậy so với các trường bức xạ khác thì bức xạ nơtron là không hề dễ dàng để xác định được chính xác. Điều này một phần đến từ sự thật rằng: gần như không có cơ chế phản ứng gây bởi nơtron xảy ra trong các đầu dò giống với quá trình xảy ra trong mô, nơtron tồn lưu năng lượng của nó bằng cách tạo ra phổ các hạt mang điện thứ cấp rất phức tạp. Thêm vào đó năng lương nơtron trong trường hoạt động rất rộng từ nhiệt tới hàng trăm MeV. Do đó việc xác định chính xác phụ thuộc vào hiểu biết về phổ thông lượng nơtron để lựa chọn thiết bị đo phù hợp, các điều kiện chuẩn thích hợp và xác định các hệ số hiệu chỉnh tính đến sự sai lệch giữa trường chuẩn và trường bức xạ hoạt động. Mặc dầu đã tồn tại một số các phương pháp như xoắn phổ liều hấp thụ theo hệ số phẩm chất hay sử dụng các đầu dò có hàm đáp ứng giống như hàm chuyển đổi, phổ kế nơtron vẫn được xem như là phương pháp chuẩn để đánh giá điều kiện an toàn bức xạ ở trường hoạt động. Mỗi một lần phổ thông lượng được xác định ta có thể xác định được các đại lượng thao tác nhờ việc áp dụng các hệ số chuyển đổi. Phổ kế nơtron là một chủ đề rất lớn và phức tạp. Lịch sử phát triển của nó tính từ khi Chadwick khám phá ra nơtron năm 1932 đến nay đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau với nhiều phương pháp khác nhau đã ra đời và được ứng dụng để đo phân bố thông lượng của nơtron. Trước năm 1960 có thể kể đến các phương pháp phổ kế sau: nhũ tương hạt nhân, ống đếm tỷ lệ, buồng mây, ống đếm tỷ lệ 3He và chất nhấp nháy 6 LiI (Eu). Năm 1960, một bước phát triển quan trọng trong kỹ thuật đo ra đời, khi Bramblett giới thiệu hệ phổ kế đa quả cầu còn được gọi là phổ kế cầu Bonner với một đầu dò nơtron nhiệt 6LiI(Eu) được đặt ở tâm của một quả cầu bằng vật liệu polyethylene với các đường kính khác nhau. Dựa trên số đọc của phổ kế với các quả 7 cầu khác nhau và sử dụng phương pháp tách người ta có thể xác định được phổ của nơtron. Từ những năm 80 của thế kỷ trước cùng với sự phát triển của kỹ thuật máy tính thì phương pháp này càng trở nên quan trọng cho việc xác định hàm đáp ứng của đầu dò và tách phổ nơtron, chủ yếu sử dụng các code của phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Kể từ năm 2013, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã chủ trì một dự án “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật đo liều nơtron”, trong đó có phát triển một phòng chuẩn nơtron với nguồn đồng vị phóng xạ 241Am-Be, đi kèm với hệ đo phổ kế cầu Bonner sử dụng đầu dò nơtron nhiệt 6LiI(Eu). Trên cơ sở phân tích và thực tiễn nêu trên, trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu: “Xác định tương đương liều bức xạ nơtron bằng phổ kế cầu Bonner” . Luận văn trình bày việc khảo sát, đo đạc đánh giá, tính toán các hệ số hiệu chỉnh, sử dụng code tách phổ để xác định phổ thông lượng nơtron trong trường tự do. Từ đó xác định tương đương liều bức xạ thông qua hệ số chuyển đổi. Luận văn cũng trình bày việc đo đạc, xác định phổ, tương đương liều nơtron trong trường tổng 241Am-Be. Cấu trúc của luận văn gồm: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về phổ kế nơtron và vai trò của phổ kế nơtron trong liều lượng an toàn bức xạ. Chương 2: Kỹ thuật phổ kế cầu Bonner. Chương 3: Xác định phổ, tương đương liều trong trường bức xạ nơtron bằng kỹ thuật phổ kế cầu Bonner. Kết luận Tài liệu tham khảo 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỔ KẾ NƠTRON VÀ VAI TRÒ CỦA PHỔ KẾ NƠTRON TRONG LIỀU LƯỢNG AN TOÀN BỨC XẠ 1.1. Các thuật ngữ, định nghĩa và đại lượng cơ bản được sử dụng trong liều lượng nơtron 1.1.1. Các đại lượng vật lý đặc trưng cho liều lượng trường bức xạ 1.1.1.1. Thông lượng ɸ: Thông lượng ɸ là tỷ số của dN trên da, trong đó dN là số hạt nơtron đến hình cầu có tiết diện cắt là da: 𝑑𝑁 ɸ= (1.1) 𝑑𝑎 Đơn vị là: m-2, thường được sử dụng là: cm-2. 1.1.1.2. Suất thông lượng  : Suất thông lượng  là tỷ số của 𝑑ɸ trên 𝑑𝑡, trong đó 𝑑ɸ là số gia của thông lượng nơtron trong khoảng thời gian 𝑑𝑡: 𝜑= 𝑑ɸ 𝑑𝑡 = 𝑑2𝑁 𝑑𝑎. 𝑑𝑡 (1.2) Đơn vị là: m-2.s-1 . 1.1.1.3. Phổ thông lượng nơtron (phân bố thông lượng theo năng lượng) ɸE: Phổ thông lượng nơtron ɸE là tỷ số của 𝑑ɸ trên 𝑑𝐸, trong đó 𝑑ɸ là số gia của thông lượng nơtron trong khoảng năng lượng 𝐸 và 𝐸 + 𝑑𝐸: ɸ𝐸 = 𝑑ɸ (1.3) 𝑑𝐸 Đơn vị là: m-2.J-1 , thường được sử dụng là: cm-2.eV-1. 1.1.1.4. Phổ suất thông lượng nơtron  E: Phổ suất thông lượng nơtron  E là tỷ số của 𝑑ɸ𝐸 trên 𝑑𝑡, trong đó 𝑑ɸ𝐸 là số gia của phổ thông lượng nơtron trong khoảng thời gian 𝑑𝑡: 𝐸 = 𝑑ɸ𝐸 𝑑𝑡 = 𝑑2ɸ 𝑑𝐸. 𝑑𝑡 (1.4) Đơn vị là: m-2.s-1 .J-1, thường được sử dụng là: cm-2 .s-1.eV-1 . 9 1.1.1.5. Liều hấp thụ D: Liều hấp thụ D là tỷ số của 𝑑𝜀̅ trên 𝑑𝑚, trong đó 𝑑𝜀̅ là năng lượng truyền trung bình của bức xạ ion hóa cho vật chất có khối lượng 𝑑𝑚: 𝐷= 𝑑𝜀̅ 𝑑𝑚 (1.5) Đơn vị là: J.kg-1. Tên riêng của đơn vị liều hấp thụ là Gray (Gy). 1.1.1.6. Suất liều hấp thụ 𝐷̇ : Suất liều hấp thụ 𝐷̇ là tỷ số của dD trên dt, trong đó dD là số gia của liều hấp thụ trong khoảng thời gian dt: 𝐷̇ = 𝑑𝐷 (1.6) 𝑑𝑡 Đơn vị là: J.kg-1s-1. Tên riêng của đơn vị liều hấp thụ là Gray trên giây (Gy.s -1). 1.1.2. Các đại lượng thao tác Năm 1991, ICRP đã đưa ra một hệ thống các khuyến cáo về giới hạn liều cho mục đích an toàn bức xạ. Các khuyến cáo này đã được IAEA đưa vào trong bộ các tiêu chuẩn an toàn cơ bản (BSS). Hệ thống giới hạn liều này dựa trên các đại lượng an toàn được định nghĩa trong mô, tổ chức sống của cơ thể người. Đây là các đại lượng không thể đo đạc được, chỉ có thể được đánh giá thông qua các đại lượng thao tác cho kiểm soát môi trường và kiểm soát cá nhân. Các đại lượng này có thể đo đạc được, có thể dẫn suất được theo các chuẩn đo lường bằng cách xác định trực tiếp từ các đại lượng vật lý và hệ số chuyển đổi. Do đó chúng cung cấp một đánh giá hợp lý cho các đại lượng an toàn. Bảng 1.1 dưới đây đưa ra tổng kết về các đại lượng thao tác cho bức xạ đâm xuyên yếu và đâm xuyên mạnh. Hình 1.1 minh họa mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất liều lượng của trường bức xạ chuẩn và các đại lượng thao tác được sử dụng cho mục đích chuẩn và kiểm tra kiểu. Việc thiết lập các trường bức xạ chuẩn đã được ISO hướng dẫn trong các tài liệu đã xuất bản. Dựa trên việc xác định các đại lượng vật lý đặc trưng cho trường bức xạ chuẩn bằng thiết bị chuẩn, ta có thể xác định được các đại lượng thao tác khi nhân với các hệ số chuyển đổi thích hợp. 10 Bảng 1.1. Các đại lượng thao tác Bức xạ Đại lượng chiếu ngoài an toàn Môi trường Cá nhân Liều hiệu dụng 𝐻 ∗ (10) 𝐻𝑝 (10) Liều da 𝐻 , (0.07, Ω) 𝐻𝑝 (0.07) 𝐻 , (3, Ω) 𝐻𝑝 (3) Bức xạ đâm xuyên mạnh Bức xạ đâm xuyên yếu Đại lượng thao tác cho kiểm soát Liều thủy tinh thể của mắt Trường bức xạ chuẩn Đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất liều lượng của trường bức xạ chuẩn: Thông lượng ɸ(𝐸, Ω) Kerma trong mô 𝐾𝑇 ; Kerma trong không khí 𝐾𝑎 Liều hấp thụ trong mô 𝐷𝑇 ; Liều hấp thụ trong không khí 𝐷𝑎 Đại lượng thao tác được sử dụng cho mục đích chuẩn: Tương đương liều xung quanh 𝐻 ∗ (d) Tương đương liều định hướng 𝐻 ′ (𝑑, Ω) Tương đương liều cá nhân 𝐻𝑝 (𝑑) Hình 1.1. Mối quan hệ giữa trường bức xạ chuẩn với các đại lượng đo a) Tương đương liều 𝐻: Tương đương liều 𝐻 tại một điểm trong mô được định nghĩa là tích của 𝑄 và 𝐷, trong đó 𝐷 là liều hấp thụ và 𝑄 là hệ số chất lượng của bức xạ ở điểm quan tâm: 𝐻 = 𝑄. 𝐷 (1.7) Đơn vị là: J.kg-1. Tên đặc biệt là Sievert: Sv. 11 b) Suất tương đương liều 𝐻̇ : Suất tương đương liều 𝐻̇ là tỷ số của 𝑑𝐻 trên 𝑑𝑡, trong đó 𝑑𝐻 là số gia của tương đương liều trong khoảng thời gian 𝑑𝑡 : 𝐻̇ = 𝑑𝐻 𝑑𝑡 (1.8) Đơn vị là: J.kg-1.s-1. Tên đặc biệt là: Sv.s -1. 1.1.2.1. Kiểm soát môi trường: Một định nghĩa quan trọng liên quan đến các đại lượng thao tác đó là khối cầu ICRU. Khối cầu ICRU là khối cầu có đường kính 30 cm làm bằng vật liệu tương đương mô có tỷ trọng riêng bằng 1g/cm3 và thành phần khối lượng như sau: 76,2% ôxy, 11,1% carbon, 10,1% hydro, 2,6% nitơ. a) Tương đương liều xung quanh, 𝐻 ∗ (d): Tương đương liều xung quanh 𝐻 ∗ (d) tại một điểm trong trường bức xạ là tương đương liều được sinh ra bởi một trường bức xạ mở rộng và định hướng trong khối cầu ICRU tại độ sâu d trên bán kính ngược hướng với hướng của trường xạ. Khi nói đến tương đương liều xung quanh cần phải chỉ rõ độ sâu d (mm). Đối với bức xạ đâm xuyên mạnh, d = 10 mm. Còn đối với bức xạ đâm xuyên yếu, d = 3 mm cho thủy tinh thể của mắt và d =0.07 mm cho da. Trường bức xạ mở rộng và định hướng là trường bức xạ trong đó sự phân bố năng lượng, thông lượng là giống như ở điểm đo nhưng phân bố góc là đơn hướng. Người ta giả thiết rằng giá trị của 𝐻 ∗ (𝑑 ) được tính ở điểm P là đại diện cho liều hiệu dụng. Hình 1.2 minh họa định nghĩa 𝐻 ∗ (𝑑) trong trường bức xạ mở rộng và định hướng. Hình 1.2. Định nghĩa của 𝐻 ∗ (𝑑) trong trường mở rộng và định hướng theo ICRU 12 b) Tương đương liều định hướng, 𝐻 ′ (𝑑, Ω): Tương đương liều định hướng 𝐻 ′ (𝑑, Ω) tại một điểm trong trường bức xạ là tương đương liều được sinh ra bởi một trường bức xạ mở rộng trong khối cầu ICRU tại độ sâu d trên bán kính ở một hướng nhất định. Tương tự như trên d cũng có thể nhận các giá trị sau: 0,07; 3 và 10 mm. 1.1.2.2. Kiểm soát cá nhân: Tương đương liều cá nhân 𝐻𝑝 (𝑑) là tương đương liều trong mô ở độ sâu d tại một điểm xác định trong cơ thể. Khác với 𝐻 ∗ (d), 𝐻𝑝 (𝑑) được định nghĩa trong cơ thể người. Đối với bức xạ đâm xuyên mạnh như photon và nơtron, d = 10 mm. Còn đối với bức xạ đâm xuyên yếu, d = 3 mm cho thủy tinh thể của mắt và d =0,07 mm cho da. Để tính toán hệ số chuyển đổi người ta phải sử dụng các phantom. Phantom được khuyến cáo là phantom khối có kích thước 30 cm x 30 cm x 15 cm với vật liệu, tỷ trọng và thành phần khối lượng như khối cầu ICRU. Hệ số chuyển đổi cho 𝐻𝑝 (𝑑) đối với bức xạ photon và nơtron có thể được tìm thấy trong các tài liệu đã phát hành như ICRU 57, ICRP 74. Vì định nghĩa của 𝐻𝑝 (𝑑) phụ thuộc vào góc của bức xạ tới nên hệ số chuyển đổi cũng được xem như là hàm của cả năng lượng và góc của bức xạ tới. 1.1.3. Các thuật ngữ 1.1.3.1. Đáp ứng 𝑅: Được định nghĩa như là tỷ số giữa số đọc của thiết bị M với giá trị thật quy ước của đại lượng cần đo H. Kiểu đáp ứng của thiết bị cần được chỉ định rõ theo đại lượng đo nào như: đáp ứng tương đương liều 𝑅𝐻 , đáp ứng thông lượng 𝑅ɸ. 𝑅𝐻 = 𝑅ɸ = 𝑀 𝐻 𝑀 (1.9) (1.10) ɸ Đáp ứng R của thiết bị đo với đại lượng thông lượng và tương đương liều thường phụ thuộc vào phân bố năng lượng (E) và hướng (Ω) của bức xạ tới. Do đó người ta còn cân nhắc đáp ứng như là hàm 𝑅(𝐸, Ω): đáp ứng năng lượng và đáp ứng góc. 13 1.1.3.2. Hệ số chuyển đổi: Được định nghĩa như là tỷ số giữa đại lượng thao tác cần xác định với đại lượng vật lý đặc trưng cho trường bức xạ. Trong phạm vi của luận văn này ta chỉ quan tâm đến hệ số chuyển đổi từ thông lượng sang tương đương liều áp dụng cho trường bức xạ nơtron. ℎɸ = 𝐻 (1.11) ɸ Tương tự như hàm đáp ứng, hệ số chuyển đổi cũng phụ thuộc vào phân bố năng lượng và góc của bức xạ tới nên hệ số chuyển đổi còn được xem như là hàm của hai đại lượng kể trên ℎ(𝐸, Ω). 1.1.3.3. Cường độ nguồn nơtron 𝐵: Cường độ nguồn nơtron 𝐵 tại một thời điểm là tỷ số của 𝑑𝑁 ∗ trên 𝑑𝑡, trong đó 𝑑𝑁 ∗ là số các nơtron được phát ra bởi nguồn trong khoảng thời gian 𝑑𝑡: 𝐵= 𝑑𝑁 ∗ (1.12) 𝑑𝑡 Đơn vị là: s-1 . 1.1.3.4. Phân bố góc của cường độ nguồn 𝐵Ω : Phân bố góc của cường độ nguồn nơtron 𝐵Ω tại một thời điểm là tỷ số của 𝑑𝐵 trên 𝑑Ω, trong đó 𝑑𝐵 là số các nơtron phát ra trong một khoảng thời gian, được lan truyền theo một hướng nhất định trong góc khối 𝑑Ω: 𝐵Ω = 𝑑𝐵 (1.13) 𝑑Ω Đơn vị là: s-1 .sr-1 . 1.1.3.5. Phổ của cường độ nguồn (phân bố cường độ nguồn theo năng lượng): Phổ của cường độ nguồn 𝐵𝐸 là tỷ số của 𝑑𝐵 trên 𝑑𝐸, trong đó 𝑑𝐵 là số gia của cường độ nguồn trong khoảng năng lượng 𝐸 và 𝐸 + 𝑑𝐸: 𝐵𝐸 = 𝑑𝐵 (1.14) 𝑑𝐸 Đơn vị là: s-1 .J-1, đơn vị thường dùng là: s -1 .eV-1. 1.1.3.6. Năng lượng nơtron trung bình thông lượng 𝐸̅ : 14 Là năng lượng nơtron được tính trung bình trên toàn bộ phổ thông lượng nơtron: 𝐸̅ = ∝ 1 ɸ ∫ 𝐸ɸ𝐸 (𝐸 )𝑑𝐸 (1.15) 0 1.1.3.7. Năng lượng nơtron trung bình tương đương liều 𝐸̅ : Là năng lượng nơtron được tính trung bình trên toàn bộ phổ tương đương liều: 𝐸̅ = 1 𝐻 ∝ ∫ 𝐸ℎɸ (𝐸 )ɸ𝐸 𝑑𝐸 (1.16) 0 Từ công thức (1.16) ta tính được tương đương liều theo công thức sau: ∝ 𝐻 = ∫ ℎɸ (𝐸 )ɸ𝐸 𝑑𝐸 (1.17) 0 1.2. Kỹ thuật phổ kế nơtron 1.2.1. Lịch sử hình thành và phát triển Từ năm 1932, phổ kế nơtron có đóng góp rất nhiều vào sự phát triển của vật lý hạt nhân và trở thành một công cụ quan trọng trong một vài lĩnh vực khác như công nghệ hạt nhân, xạ trị và an toàn bức xạ. Chúng ta có thể chia sự phát triển của phổ kế nơtron thành 03 giai đoạn kể từ năm 1932 đến nay, giai đoạn 1 từ 1932-1959, giai đoạn 2 từ 1960-1979 và giai đoạn 3 từ 1980 đến nay. - Giai đoạn 1: Phần lớn các phổ kế nơtron đang được sử dụng hiện nay hoạt động dựa trên các phương pháp được giới thiệu trong giai đoạn này. Phổ kế giật lùi có thể kể đến: buồng ion hóa, ống đếm tỷ lệ, buồng mây, nhũ tương hạt nhân, chất nhấp nháy hữu cơ, telescope giật lùi. Phổ kế dựa trên việc đo năng lượng của các hạt mang điện là kết quả của phản ứng hạt nhân với nơtron gồm: ống đếm tỷ lệ 3 He, đầu dò nhấp nháy 6LiI(Eu). Phương pháp thời gian bay, đầu dò ngưỡng cũng phát triển trong giai đoạn này. - Giai đoạn 2: Trong giai đoạn này đáng kể nhất là việc giới thiệu phương pháp cầu Bonner và những tiến bộ có được với kỹ thuật phổ kế dựa trên đầu dò nhấp nháy, đầu dò ion hóa khí. Một sự phát triển đi kèm là sự ra đời của phương pháp tách phổ nhằm xác định phổ nơtron từ các phép đo đa kênh hoặc đơn kênh. Ngoài ra có thể kể đến việc ứng dụng đầu dò bán dẫn vào phổ kế nơtron và việc giới thiệu đầu dò giọt quá nhiệt. 15