Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu phát triển công cụ đo phổ thông lượng và liều bức xạ nơtron

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:105

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Vật lý "Nghiên cứu phát triển công cụ đo phổ thông lượng và liều bức xạ nơtron" được nghiên cứu với mục tiêu: Phát triển hệ phổ kế hình trụ (CNS); Phát triển phần mềm tách phổ UFCV; Xác định các đặc trưng của trường chuẩn bức xạ nơtron; Xác định hàm đáp ứng của thiết bị đo nơtron.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu phát triển công cụ đo phổ thông lượng và liều bức xạ nơtron

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM -------------------------------------------- NGUYỄN NGỌC QUỲNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG CỤ ĐO PHỔ THÔNG LƯỢNG VÀ LIỀU BỨC XẠ NƠTRON LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Hà Nội - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM -------------------------------------------- NGUYỄN NGỌC QUỲNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG CỤ ĐO PHỔ THÔNG LƯỢNG VÀ LIỀU BỨC XẠ NƠTRON LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9.44.01.06 Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Lê Ngọc Thiệm 2. PGS. TS. Phạm Đức Khuê Hà Nội – 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những số liệu trong luận văn là hoàn toàn trung thực, có nguồn gốc rõ ràng. Những tài liệu tham khảo được sử dụng trong đồ án đã được trích dẫn và nêu rõ trong mục Tài liệu tham khảo. Tác giả luận án (ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Ngọc Quỳnh i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn TS. Lê Ngọc Thiệm, PGS.TS. Phạm Đức Khuê và TS. Tadahiro Kurosawa đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn quý báu, khích lệ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, lãnh đạo Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Trung tâm An toàn bức xạ, Trung tâm Đào tạo hạt nhân đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu, thực hiện luận án và trong suốt quá trình công tác trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép sử dụng hệ máy tính hiệu năng cao để thực hiện mô phỏng. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Quỹ học bổng Vallet đã cấp học bổng năm 2021 động viên, hỗ trợ nghiên cứu sinh học tập và nghiên cứu; Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia đã tài trợ nghiên cứu (thông qua đề tài mã số: 103.04- 2021.140). Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp, người thân đã luôn ủng hộ, động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất trong học tập, nghiên cứu và công tác. NCS. Nguyễn Ngọc Quỳnh i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................... v DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... viii GIỚI THIỆU ........................................................................................................ 1 Tính cấp thiết của luận án .................................................................................. 1 Mục tiêu của luận án .......................................................................................... 2 Phạm vi và đối tượng của luận án ...................................................................... 2 Bố cục của luận án ............................................................................................. 3 Một số quy ước .................................................................................................. 4 CHƯƠNG 1. PHÁT TRIỂN HỆ PHỔ KẾ HÌNH TRỤ (CNS) ...................... 5 1.1. Giới thiệu .................................................................................................... 5 1.2. Trang thiết bị và phương pháp .................................................................... 5 1.2.1. Thiết kế hệ phổ kế hình trụ .................................................................. 5 1.2.2. Mô phỏng hàm đáp ứng bằng chương trình MCNP ............................ 6 1.2.3. Kiểm chứng hệ phổ kế ......................................................................... 8 1.3. Kết quả và thảo luận.................................................................................. 10 1.3.1. Kết quả thiết kế hệ phổ kế CNS......................................................... 10 1.3.2. Kết quả mô phỏng hàm đáp ứng của hệ phổ kế CNS ........................ 11 1.3.3. Kết quả kiểm chứng hệ phổ kế CNS.................................................. 12 1.4. Kết luận chương 1 ..................................................................................... 17 CHƯƠNG 2. PHÁT TRIỂN PHẦM MỀM TÁCH PHỔ UFCV.................. 18 2.1. Giới thiệu .................................................................................................. 18 2.2. Trang thiết bị và phương pháp .................................................................. 18 2.2.1. Phương pháp tách phổ SVD .............................................................. 18 2.2.1. Xây dựng giao diện đồ họa ................................................................ 21 2.2.2. Kiểm chứng phần mềm tách phổ ....................................................... 21 2.3. Kết quả và thảo luận.................................................................................. 21 2.3.1. Giao diện đồ họa và cấu trúc phần mềm UFCV ................................ 21 ii
2.3.2. Kiểm chứng phần mềm tách phổ ....................................................... 25 2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................... 29 CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA TRƯỜNG CHUẨN BỨC XẠ NƠTRON..................................................................................................... 30 3.1. Giới thiệu .................................................................................................. 30 3.2. Trang thiết bị và phương pháp .................................................................. 30 3.2.1. Trường bức xạ nơtron ........................................................................ 30 3.2.2. Phương pháp quy hoạch tuyến tính để xác định H*(10) .................... 32 3.3. Kết quả và thảo luận.................................................................................. 34 3.3.1. Kết quả xác định đặc trưng trường bức xạ từ phổ thông lượng nơtron34 3.3.2. Kết quả xác định H*(10) bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính .. 43 3.4. Kết luận chương 3 ..................................................................................... 47 CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH HÀM ĐÁP ỨNG CỦA THIẾT BỊ ĐO NƠTRON ............................................................................................................................. 48 4.1. Giới thiệu .................................................................................................. 48 4.2. Trang thiết bị và phương pháp .................................................................. 49 4.2.1. Phương pháp xác định hàm đáp ứng.................................................. 49 4.2.2. Trường chuẩn bức xạ nơtron.............................................................. 49 4.2.3. Hệ phổ kế BSS ................................................................................... 50 4.2.4. Thiết bị đo liều cầm tay Aloka TPS-451C ........................................ 50 4.3. Kết quả và thảo luận.................................................................................. 51 4.4. Kết luận chương 4 ..................................................................................... 54 CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG HỆ PHỔ KẾ CNS XÁC ĐỊNH PHỔ THÔNG LƯỢNG GÓC............................................................... 55 5.1. Giới thiệu .................................................................................................. 55 5.2. Phương pháp và trang thiết bị ................................................................... 56 5.2.1. Nguyên lý xác định phổ thông lượng góc......................................... 56 5.2.2. Thiết kế vị trí lá vàng để hệ phổ kế CNS có đáp ứng phụ thuộc vào góc ......................................................................................................................... 56 iii
5.3. Kết quả và thảo luận.................................................................................. 63 5.4. Kết luận chương 5 ..................................................................................... 73 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 75 DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN..................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 79 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 86 A. Các đại lượng vật lý và liều bức xạ............................................................. 86 B. Tập tin MCNP mô phỏng đáp ứng thông lượng hệ phổ kế CNS ................ 89 C. Đáp ứng thông lượng của hệ phổ kế CNS................................................... 92 iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt International Organization for Tổ chức Tiêu chuẩn hoá ISO Standarlization quốc tế International Atomic Energy Cơ quan Năng lượng IAEA Agency nguyên tử Quốc tế International Commission on Ủy ban Quốc tế về Đơn vị ICRU Radiation Units and và Đo lường bức xạ Measurements International Commission on Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ ICRP Radiological Protection chống Phóng xạ BSS Bonner spheres spectrometer Hệ phổ kế cầu Bonner Cylindrical Nested Neutron Hệ phổ kế nơtron hình trụ CNS spectrometer lồng nhau Phân tách trị riêng (của ma SVD Singular value decomposition trận) LP Linear programming Quy hoạch tuyến tính Chương trình mô phỏng vận MCNP Monte Carlo N-Particle Transport chuyển phóng xạ Optically Stimulated OSL Quang phát quang Luminescence TLD Thermoluminescent Dosimeter Liều kế nhiệt phát quang PE Polyethylene Nhựa polyethylene ĐKĐBĐ Uncertainty Độ không đảm bảo đo Institute for Nuclear Science and Viện Khoa học và Kỹ thuật KH&KTHN Technology hạt nhân Military Institute for Chemical Viện Hóa học Môi trường HHMTQS and Environmental Engineering Quân sự v
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình hệ phổ kế CNS trong chương trình MCNP6 ........................ 7 Hình 1.2: Thí nghiệm kiểm chứng hệ phổ kế CNS ........................................... 10 Hình 1.3: Hệ phổ kế CNS và đầu dò 6LiI(Eu) ................................................... 10 Hình 1.4: Hàm đáp ứng chuẩn hóa về góc 90o của hệ phổ kế CNS .................. 11 Hình 1.5: Đáp thông lượng của hệ phổ kế CNS sử dụng đầu dò 6LiI(Eu) (nét liền: hệ phổ kế CNS; nét đứt: hệ phổ kế BSS) .......................................... 12 Hình 1.6: Phổ thông lượng nơtron nguồn 241Am-Be sử dụng sử dụng hệ phổ kế BSS và CNS. ..................................................................................... 13 Hình 1.7: Phổ thông lượng nơtron nguồn 241Am-Be(Mod30-PE) sử dụng hệ phổ kế BSS và CNS.................................................................................. 13 Hình 2.1: Giao diện chương trình UFCV được thu gọn .................................... 22 Hình 2.2: Giao diện chương trình UFCV: bước 1 - nhập thông tin đầu vào..... 22 Hình 2.3: Giao diện chương trình UFCV: bước 2 - Chạy chương trình ........... 23 Hình 2.4: Giao diện chương trình UFCV: bước 3 - Lưu kết quả ...................... 23 Hình 2.5: Kết quả kiểm chứng phần mềm tách phổ UFCV với nguồn 241Am-Be ........................................................................................................... 26 Hình 2.6: Kết quả kiểm chứng phần mềm UFCV với nguồn 241Am-Be(Mod30- PE) ..................................................................................................... 26 Hình 3.1: Sơ đồ phòng chuẩn nơtron tại Viện KH&KTHN (đơn vị mm) ........ 31 Hình 3.2: Phổ thông lượng nơtron trực tiếp của nguồn 241Am-Be .................... 35 Hình 3.3: Phổ thông lượng nơtron tổng cộng của nguồn 241Am-Be ................. 35 Hình 3.4: Phổ nơtron tổng cộng của nguồn 241Am-Be(Mod20-PE).................. 37 Hình 3.5: Phổ nơtron tổng cộng của nguồn 241Am-Be(Mod30-PE).................. 37 Hình 3.6: Kết quả xác định phổ thông lượng nơtron tổng cộng của nguồn 239Pu- Be sử dụng chương trình FRUIT....................................................... 40 Hình 3.7: Kết quả xác định phổ thông lượng nơtron tổng cộng của nguồn 239Pu- Be sử dụng chương trình MAXED ................................................... 40 Hình 3.8: Kết quả xác định phổ thông lượng nơtron tổng cộng của nguồn 239Pu- Be sử dụng phương pháp SVD .......................................................... 41 vi
Hình 3.9: Kết quả xác định H*(10) của nguồn 241Am-Be bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính ................................................................................ 44 Hình 3.10: Kết quả xác định H*(10) của nguồn 241Am-Be(Mod20-PE) bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính ................................................... 45 Hình 3.11: Kết quả xác định H*(10) của nguồn 241Am-Be(Mod30-PE) bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính ................................................... 45 Hình 4.1: Thí nghiệm xác định hàm đáp ứng của thiết bị Aloka TPS-451C .... 51 Hình 4.2: Kết quả xác định đáp ứng thông lượng của hệ phổ kế Bonner bằng phương pháp SVD ............................................................................. 52 Hình 4.3: Kết quả xác định đáp ứng thông lượng của thiết bị Aloka TPS-451C ........................................................................................................... 53 Hình 5.1: Vị trí các lá vàng để hệ phổ kế CNS có đáp ứng phụ thuộc vào góc 57 Hình 5.2: Vị trí lá vàng bên ngoài lớp làm chậm C3: ....................................... 59 Hình 5.3: Vị trí lá vàng bên ngoài khối làm chậm C3 – bên cạnh: ................... 59 Hình 5.4: Hệ trục tọa độ vị trí các lá vàng......................................................... 60 Hình 5.5: Tính đối xứng của hệ CNS sử dụng lá vàng...................................... 62 Hình 5.6: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C5.C2 ......................... 63 Hình 5.7: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C5.C3 ......................... 64 Hình 5.8: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C5.C5 ......................... 65 Hình 5.9: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C8.C2 ......................... 66 Hình 5.10: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C8.C3 ....................... 67 Hình 5.11: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C8.C5 ....................... 68 Hình 5.12: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C8.C8 ....................... 69 Hình 5.13: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C10.C2 ..................... 70 Hình 5.14: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C10.C3 ..................... 71 Hình 5.15: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C10.C5 ..................... 72 Hình 5.16: Hàm đáp ứng của một số lá vàng ở cấu hình C10.C8 ..................... 73 vii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Kí hiệu và kích thước các khối làm chậm của hệ phổ kế CNS ............ 6 Bảng 1.2: Tỉ lệ khối lượng (%) của vật liệu trong mô phỏng MCNP6................. 7 Bảng 1.3: So sánh các đại lượng đặc trưng của phổ thông lượng nơtron của nguồn 241 Am-Be khi sử dụng hệ phổ kế BSS và CNS ................................... 15 Bảng 1.4: So sánh các đại lượng đặc trưng của phổ thông lượng nơtron của nguồn 241 Am-Be (Mod30-PE) khi sử dụng hệ phổ kế BSS và CNS ............. 16 Bảng 2.1: Ví dụ tập tin hàm đáp ứng của phần mềm UFCV .............................. 23 Bảng 2.2: Ví dụ tập tin số đọc của thiết bị của phần mềm UFCV ...................... 24 Bảng 2.3: Ví dụ tập tin phổ thông lượng dự đoán của phần mềm UFCV .......... 24 Bảng 2.4: So sánh các đại lượng đặc trưng của phổ thông lượng nơtron của nguồn 241 Am-Be khi sử dụng phần mềm tách phổ UFCV và MAXED ........ 27 Bảng 2.5: So sánh các đại lượng đặc trưng của phổ thông lượng nơtron của nguồn 241 Am-Be (Mod30-PE) khi sử dụng phần mềm tách phổ UFCV và MAXED .............................................................................................. 28 Bảng 3.1: Kết quả xác định đặc trưng trường bức xạ nơtron của nguồn 241Am-Be ............................................................................................................. 34 Bảng 3.2: Kết quả xác định đặc trưng trường bức xạ nơtron của nguồn 241Am-Be làm chậm ............................................................................................. 38 Bảng 3.3: Kết quả xác định đặc trưng trường chuẩn nơtron thành phần tổng của nguồn 239Pu-Be .................................................................................... 42 Bảng 3.4: Kết quả xác định đặc trưng trường chuẩn nơtron thành phần trực tiếp của nguồn 239Pu-Be ............................................................................. 43 Bảng 3.5: Giá trị H*(10) (đơn vị µSv/h) xác định bằng phương pháp LP ......... 46 Bảng 5.1: Số lượng các lá vàng xung quanh mỗi khối làm chậm....................... 58 Bảng 5.2: Các hướng mô phỏng hàm đáp ứng thông lượng của hệ phổ kế CNS sử dụng lá vàng ........................................................................................ 62 viii
GIỚI THIỆU Tính cấp thiết của luận án Các ứng dụng của bức xạ ngày càng tăng trong nhiều lĩnh vực của xã hội. Bên cạnh các ưu điểm mà chỉ có bức xạ mang lại, việc đảm bảo an toàn, hạn chế ảnh hưởng xấu đối với con người và môi trường luôn được quan tâm. Sự ảnh hưởng của bức xạ lên cơ thể người được thể hiện qua các hiệu ứng ngẫu nhiên và hiệu ứng tất định. Trong an toàn bức xạ, các hiệu ứng ngẫu nhiên được đánh giá qua đại lượng liều hiệu dụng [1, 2] và được xấp xỉ thông qua các đại lượng hoạt động, như là tương đương liều môi trường, H*(10), và tương đương liều cá nhân, Hp(d). [3, 4] Cho đến hiện nay, việc đo đạc và đánh giá liều liên quan đến bức xạ nơtron vẫn còn nhiều hạn chế so với bức xạ photon. Nguyên nhân chính là do liều bức xạ nơtron phụ thuộc nhiều vào năng lượng và hướng tới của chùm bức xạ. Nơtron có dải năng lượng lớn dẫn đến không có loại thiết bị đo liều nào có thể đo liều bức xạ nơtron chính xác ở cả dải năng lượng rộng như vậy. Liều bức xạ nơtron chỉ có thể được đo chính xác khi xác định chính xác hàm đáp ứng của thiết bị đo và phổ thông lượng nơtron [5]. Hệ phổ kế cầu Bonner (Bonner Spheres Spectrometer, BSS) là thiết bị đo nơtron truyền thống và phổ biến trong các phòng thí nghiệm [6, 7]. Nguyên lý chung của các thiết bị đo phổ nơtron kiểu này là sử dụng một đầu dò nhạy nơtron và nhiều lớp làm chậm khác nhau. Tuy nhiên hệ phổ kế này với cấu hình làm chậm là nhiều quả cầu có kích thước khác nhau để riêng biệt, dẫn đến nhiều bất tiện khi thực hiện các phép đo tại hiện trường, các phép đo nhanh và thường xuyên. Mặt khác, phổ kế có giá thành khá cao, do đó hiệu quả sử dụng đa mục đích chưa tối ưu. Gần đây trên thế giới có xu hướng nghiên cứu, phát triển các thiết bị đo nơtron đáp ứng yêu cầu thuận tiện cho việc thao tác tại hiện trường và dễ dàng khi chế tạo, giá thành thấp, ví dụ chỉ sử dụng duy nhất một cầu làm chậm, hoặc sử dụng các lớp vỏ làm chậm có thể lồng nhau [8, 9]. Từ kết quả đo của hệ phổ kế BSS, phổ thông lượng nơtron được xác định thông qua một thuật toán tách phổ, được gọi là chương trình tách phổ. Cho đến nay đã có nhiều phần mềm tách phổ khác nhau được đề xuất và sử dụng. Tuy nhiên, do các phần mềm tách phổ thương mại đều đã được đóng gói nên rất khó để có thể bổ sung các chức năng mới cho phần mềm. Thêm vào đó, các phần mềm này đều được phát triển dựa trên các nhu cầu cụ thể của từng phòng thí 1
nghiệm, nếu chúng ta sử dụng mà không hiểu được bản chất bên trong của các phần mềm này thì rất dễ dẫn đến sai số trong quá trình đo đạc (trên thực tế, để sử dụng các phần mềm này đòi hỏi nhiều kinh nghiệm của người dùng). Tại Việt Nam, khả năng đo đạc phổ thông lượng và xác định các đặc trưng của trường bức xạ nơtron trong những năm gần đây đã có các bước tiến mạnh mẽ (có thể được minh chứng rõ ràng qua một số nghiên cứu gần đây của nhóm tác giả thực hiện đề tài này được đăng tải trên một số tạp chí khoa học uy tín quốc gia và quốc tế [10–13]). Tuy nhiên, hệ phổ kế BSS được sử dụng lại không thuận tiện trong việc di chuyển và đo đạc tại các trường bức xạ nơtron khác nhau. Hơn nữa, phần mềm tách phổ MAXED [14], phần mềm FRUIT [15] được sử dụng là các chương trình phần mềm đóng nên không thể can thiệp, cập nhật hay mở rộng thêm các tính năng mới. Chi tiết về thuật toán sử dụng bởi các chương trình trên được công bố rất hạn chế. Việc chuẩn bị tập tin đầu vào cũng tốn rất nhiều thời gian. Do đó, việc nghiên cứu phát triển thiết bị đo và phần mềm tách phổ để xác định chính xác liều bức xạ nơtron đối với các trường bức xạ nơtron khác nhau là hướng nghiên cứu có nhiều ý nghĩa khoa học và giá trị sử dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực an toàn bức xạ và vật lý nơtron. Đây chính là bài toán cần giải quyết của nghiên cứu này. Mục tiêu của luận án Luận án với đề tài: "Nghiên cứu phát triển công cụ đo phổ thông lượng và liều bức xạ nơtron", tập trung vào ba mục tiêu chính sau: (1) Phát triển hệ đo phổ nơtron có cấu hình làm chậm dạng hình trụ lồng nhau (Cylindrical Nested Neutron spectrometer, CNS) có khả năng xác định phổ nơtron tương tự hệ phổ kế cầu Bonner (BSS) thương mại. (2) Xây dựng phần mềm tách phổ nơtron có thể sử dụng cho hệ phổ kế CNS và phổ kế BSS. (3) Áp dụng hệ phổ kế và phần mềm đã phát triển để xác định đặc trưng của trường chuẩn nơtron và đặc trưng đáp ứng của thiết bị đo nơtron. Phạm vi và đối tượng của luận án Phạm vi và đối tượng của nghiên cứu trong luận án bao gồm: 2
- Đại lượng quan tâm chính của nghiên cứu này là tương đương liều môi trường của bức xạ nơtron. - Dải năng lượng nơtron được nghiên cứu là từ vùng năng lượng nhiệt đến khoảng 20 MeV. Các trường bức xạ nơtron đa năng được tạo ra từ các nguồn nơtron đồng vị 241Am-Be, 239Pu-Be. Bố cục của luận án Ngoài phần Giới thiệu, Kết luận, Tài liệu tham khảo và Phụ lục, nội dung chính của luận án được chia thành 2 phần chính, bao gồm 5 chương: Phần thứ nhất, bao gồm Chương 1 và Chương 2, trình bày kết quả phát triển công cụ đo nơtron, bao gồm: hệ phổ kế hình trụ CNS và phần mềm mô phỏng UFCV. Phần thứ hai trình bày các áp dụng của các công cụ đã được phát triển, bao gồm các Chương 3, Chương 4 và Chương 5. Chương 1 trình bày kết quả phát triển hệ phổ kế hình trụ CNS có nguyên lý và khả năng xác định phổ thông lượng nơtron tương tự hệ phổ kế thương mại hình cầu BSS. Hệ phổ kế CNS được kiểm chứng bằng cách so sánh với hệ phổ kế BSS trong việc xác định phổ và tương đương liều môi trường của một số trường bức xạ nơtron chuẩn. Chương 2 trình bày kết quả phát triển phần mềm tách phổ UFCV có giao diện đồ họa. Phần mềm UFCV sử dụng phương pháp phần tách ma trận SVD để tách phổ thông lượng nơtron từ số đọc của hệ phổ kế CNS và các hệ phổ kế có nguyên lý tương tự. Phần mềm UFCV được sử dụng để tách phổ thông lượng nơtron của nguồn 241Am-Be và 241Am-Be (Mod30-PE) và so sánh với phần mềm tách phổ MAXED. Chương 3 trình bày kết quả xác định phổ thông lượng và tương đương liều môi trường của các trường bức xạ chuẩn sử dụng nguồn đồng vị 241Am-Be và 239 Pu-Be sử dụng hệ phổ kế CNS và phần mềm tách phổ UFCV. Bên cạnh đó, sử dụng hệ phổ kế CNS, giá trị H*(10) của trường chuẩn nơtron nguồn 241Am-Be, 241 Am-Be (Mod20-PE) và 241Am-Be (Mod30-PE) cũng được xác định bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính. Chương 4 trình bày kết quả áp dụng phương pháp tách phổ SVD của phần mềm UFCV để xác định đặc trưng đáp ứng của thiết bị đo liều nơtron cầm tay Aloka TPS-451C. 3
Chương 5 trình bày khả năng mở rộng hệ phổ kế CNS để có thể đo phổ thông lượng góc (bao gồm cả phần bố năng lượng và phần bố góc) của trường bức xạ nơtron. Hàm đáp ứng của hệ phổ kế sử dụng lá vàng kích hoạt được mô phỏng với các năng lượng nơtron và hướng tới khác nhau. Từ sự phụ thuộc của đáp ứng vào năng lượng và hướng tới của bức xạ nơtron, hệ phổ kế CNS sử dụng lá vàng kích hoạt có khả năng sử dụng để đo phổ thông lượng nơtron góc của trường bức xạ. Một số quy ước  Đại lượng “tương đương liều môi trường” và “suất tương đương liều môi trường” là hai đại lượng khác nhau. Tuy nhiên, trong luân án này, hai đại lượng này sẽ được gọi chung là “tương đương liều môi trường”, và cùng được ký hiệu là H*(10). Việc gọi chung hai đại lượng này không thay đổi các kết luận được đưa ra trong nghiên cứu. Việc phân biệt cụ thể hai đại lượng này, trong từng hoàn cảnh, phụ thuộc vào đơn vị của chúng.  Cũng tương tư lý do như trên, đại lượng “phổ thông lượng” và “suất phổ thông lượng” sẽ được gọi chung là “phổ thông lượng”. 4
CHƯƠNG 1. PHÁT TRIỂN HỆ PHỔ KẾ HÌNH TRỤ (CNS) 1.1. Giới thiệu Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để chế tạo các hệ phổ kế có hình dạng các lớp làm chậm khác nhau: (i) hệ phổ kế sử dụng một đầu dò chứa khí 3He đặt trong các khối làm chậm hình trụ dùng để xác định phổ thông lượng nơtron của nguồn 252Cf [16] hoặc phòng máy xạ trị tuyến tính [17]; (ii) hệ phổ kế có dạng hình trụ và hình cầu được sử dụng để xác định phổ thông lượng nơtron xung quanh lò phản ứng nghiên cứu [18]; (iii) hệ phổ kế hình trụ sử dụng đầu dò chủ động 6LiI(Eu) để xác định đặc trưng trường chuẩn bức xạ nơtron của nguồn 241 Am-Be [19, 20]; (iv) hệ phổ kế BSS sử dụng đầu dò thụ động là các lá vàng và indium để đo đạc trường bức xạ nơtron của nguồn 252Cf và 241Am-Be [21]; (v) hệ phổ kế BSS với nhiều đầu dò sử dụng để nghiên cứu trường bức xạ nơtron có dạng xung [22], tại nơi có độ cao lớn [23], và trường bức xạ nơtron của các nguồn đồng vị [24, 25], của trường nơtron thực tế [26]; (vi) nhiều đầu dò chủ động được sử dụng đồng thời bên trong một khối làm chậm duy nhất để đánh giá bức xạ nơtron tại nơi làm việc [27, 28]. Chương này trình bày thiết kế và quá trình kiểm chứng hệ phổ kế hình trụ (CNS) sử dụng đầu dò chủ động 6LiI(Eu). So với hệ phổ kế cầu Bonner truyền thống, hệ phổ kế CNS có các lớp làm chậm hình trụ có thể lồng vào nhau nên hệ phổ kế CNS dễ dàng vận chuyển và gọn hơn khi sử dụng. 1.2. Trang thiết bị và phương pháp 1.2.1. Thiết kế hệ phổ kế hình trụ Hệ phổ kế hình trụ (CNS) bao gồm đầu dò nhạy nơtron, các khối làm chậm có dạng hình trụ có thể lồng vào nhau, và hệ điện tử ghi đo tín hiệu Đầu dò nhạy nơtron bao gồm tinh thể nhấp nháy 6LiI(Eu), ống dẫn sáng và ống nhân quang điện. Tinh thể nhấp nháy 6LiI(Eu) có dạng hình trụ với chiều cao 4 mm và đường kình 4 mm. Tỉ lệ đồng vị 6Li được làm giàu tới 96%. Do đó, tinh thể nhấp nháy 6LiI(Eu) có thể ghi nhận nơtron nhiệt thông qua phản ứng 6 Li(n,α)3H. Các phản ứng này sẽ được ghi nhận bởi bộ đếm Ludlum 2200 dưới dạng các xung điện tử. Các khối làm chậm bằng nhựa polyethylene có dạng hình trụ có thể lồng vào nhau. Theo đó, khối làm chậm có kích thước nhỏ hơn có thể được đặt trong lớp 5
làm chậm có kích thước lớn hơn để tạo nên một khối làm chậm có kích thước lớn. Khối lượng riêng của các lớp làm chậm polyethylene là 0,95 g/cm3, được xác định thực nghiệm bằng tỉ số giữa khối lượng và thể tích. Để tối ưu hóa kích thước các khối làm chậm, 6 kích thước các khối làm chậm hình trụ (đường kính và chiều cao) được lựa chọn tương tự như các khối làm chậm của hệ phổ kế BSS. Tỉ lệ giữa chiều cao và đường kính tối ưu được xác định để hệ phổ kế CNS có đáp ứng đẳng hướng nhất là 0,9. Bảng 1.1 trình bày kí hiệu và kích thước ngoài các khối làm chậm của hệ phổ kế CNS. Do hệ phổ kế là các lớp nhựa polyethylene lồng vào nhau nên các khối làm chậm bé hơn sẽ được đặt vào bên trong lớp làm chậm lớn hơn. Cụ thể là: khối làm chậm CNS3 được tạo thành bởi khối làm chậm CNS2 đặt trong một lớp polyethylene có bề dày thích hợp để tạo thành khối làm chậm có đường kính 6,9 cm và đường cao 6,2 cm; khối làm chậm CNS5 được tạo thành bởi khối làm chậm CNS3 đặt trong một lớp polyethylene có bề dày thích hợp để tạo thành khối làm chậm có đường kính 11,4 cm và đường cao 10,3 cm. Bảng 1.1: Kí hiệu và kích thước các khối làm chậm của hệ phổ kế CNS STT Ký hiệu Đường kính (cm) Chiều cao (cm) 1 CNS2 4,6 4,2 2 CNS3 6,9 6,2 3 CNS5 11,4 10,3 4 CNS8 18,3 16,6 5 CNS10 22,9 20,7 6 CNS12 27,5 24,9 Tiếp theo, hàm đáp ứng của hệ phổ kế sẽ tiếp tục được mô phỏng với các hướng nơtron khác nhau từ 0o đến 90o với bước thay đổi 15o. Chương trình mô phỏng MCNP được sử dụng để mô phỏng đáp ứng của hệ phổ kế CNS theo các hướng. Hàm đáp ứng của hệ phổ kế theo các hướng khác nhau sẽ được chuẩn hóa về hướng 90o và so sánh với tiêu chuẩn IEC 61005 [29]. 1.2.2. Mô phỏng hàm đáp ứng bằng chương trình MCNP Mô hình hệ phổ kế CNS được xây dựng chi tiết trong chương trình MCNP được biểu diễn trên Hình 1.1. Kích thước của các khối làm chậm hình trụ trong 6
mô phỏng bằng với kích thước thật của hệ phổ kế (xem Bảng 1.1). Thành phần của từng vật liệu sử dụng trong mô phỏng được trình bày ở Bảng 1.2. Hình 1.1: Mô hình hệ phổ kế CNS trong chương trình MCNP6 Bảng 1.2: Tỉ lệ khối lượng (%) của vật liệu trong mô phỏng MCNP6 Đồng vị Không khí Tinh thể LiI Nhựa PE Ống dẫn sáng Nhôm 1 H 14,3716 8,0538 6 Li 4,3431 7 Li 2,1107 nat C 0,0124 85,6284 59,9848 14 Ni 75,5268 16 O 23,1781 31,9614 27 Al 100 nat Ar 1,2827 127 I 95,4459 Do cùng sử dụng đầu đo tinh thể 6LiI(Eu) và có cùng nguyên lý ghi nhận bức xạ nơtron, phương pháp mô phỏng và các thông số mô phỏng hàm đáp ứng của hệ phổ kế CNS cũng tương tự như hệ phổ kế BSS. Các quả cầu làm chậm được làm bằng vật liệu nhựa polyethylene (PE) mật độ cao với khối lượng riêng 0,95 g/cm3. Nhựa polyethylene có công thức hóa học (C2H4)n nên rất giàu đồng vị hydro. Tinh thể 6LiI(Eu) có dạng hình trụ với đường kính 4 mm và chiều cao 4 mm, có khối lượng riêng 3,84 g/cm3. Thành phần đồng vị 6Li được làm giàu tới 96%. 7
Thành phần nguyên tố Eu chiếm tỉ lệ rất nhỏ và không ảnh hưởng tới số phản ứng của bức xạ nơtron với tinh thể nên không được tính đến trong mô phỏng. Bao quanh tinh thể 6LiI(Eu) là một lớp không khí mỏng. Ống dẫn sáng có thành phần là nhựa polymethyl methacrylate (PMMA) với khối lượng riêng 1,19 g/cm3. Ống dẫn sáng còn có nhiều tên gọi thương mại khác như là plexiglas, perspex, lucite. Nhựa PMMA thường được gọi là nhựa acrylic hoặc nhựa mica ở Việt Nam. Hàm đáp ứng thông lượng của phổ kế BSS là số phản ứng 6Li(n,α)3H xảy ra trong tinh thể 6LiI(Eu) trên một đơn vị thông lượng nơtron. Số phản ứng 6 Li(n,α)3H trong tinh thể 6LiI(Eu) có thể được xác định bằng tally F4 và thẻ FM trong chương trình MCNP. Tally F4 cho phép xác định phổ thông lượng nơtron trong tinh thể 6LiI(Eu), thẻ FM cho phép lựa chọn tiết diện phản ứng (𝑛, 𝛼). Kết hợp tally F4 và thẻ FM cho phép tính toán số phản ứng 6Li(n,α)3H. Để mô phỏng chính xác tương tác của nơtron với vật chất khi tính đến năng lượng liên kết của nguyên tử hydro trong nhựa polyethylene và nhôm, bảng tiết diện 𝑆(𝛼, 𝛽) đối với nhôm al-27.40t và hydro trong nhựa polyethylene h-poly.40t được sử dụng thông qua thẻ MT. 1.2.3. Kiểm chứng hệ phổ kế Hệ phổ kế CNS sử dụng đầu dò 6LiI(Eu) được kiểm chứng bằng cách so sánh với hệ phổ kế BSS. Hệ phổ kế BSS đã được kiểm chứng tại phòng chuẩn nơtron tại Viện KH&KTHN [12, 30]. Để việc so sánh chính xác nhất, cả hai hệ phổ kế (CNS và BSS) đều được sử dụng để xác định phổ thông lượng và đặc trưng của trường bức xạ nơtron của cùng nguồn bức xạ nơtron và cùng sử dụng một chương trình tách phổ MAXED [14]. Nguồn bức xạ nơtron được sử dụng là nguồn 241Am-Be và 241Am-Be (Mod30-PE) (nguồn 241Am-Be được làm chậm bởi quả cầu polyethylene đường kính 30 cm). Các đại lượng đặc trưng của trường bức xạ nơtron được sử dụng để so sánh bao gồm: tổng thông lượng nơtron, Φ; suất tương đương liều môi trường, 𝐻∗ (10); hệ số chuyển đổi thông lượng-tương đương liều môi trường (gọi tắt là hệ số ̅ chuyển đổi), ℎ; năng lượng trung bình phổ, ̅ ; và năng lượng trung bình tương 𝐸 đương liều môi trường, ̃ . Các đại lượng đặc trưng này được tính toán từ phổ 𝐸 8
thông lượng nơtron theo các phương trình (1.1)-(1.5). Hệ số chuyển đổi thông lượng-tương đương liều môi trường của bức xạ nơtron đơn năng được lấy từ tài liệu ICRP74 [1] và nội suy theo các mức năng lượng của phổ thông lượng nơtron. Φ = ∫ Φ 𝐸 (𝐸). ℎ(𝐸). 𝑑𝐸 (1.1) 𝐻 ∗ (10) = ∫ Φ 𝐸 (𝐸). ℎ(𝐸). 𝑑𝐸 (1.2) 𝐻 ∗ (10) ̅ ℎ= (1.3) Φ ∫ Φ 𝐸 (𝐸). 𝐸. 𝑑𝐸 ̅= 𝐸 (1.4) Φ ∫ Φ 𝐸 (𝐸). ℎ(𝐸). 𝐸. 𝑑𝐸 ̃= 𝐸 (1.5) 𝐻∗ (10) Hệ phổ kế CNS được đặt tại các khoảng cách 80, 100, 150 và 200 cm tính từ tâm nguồn bức xạ đến tâm hệ phổ kế CNS. Thiết bị được đặt sao cho bức xạ nơtron từ nguồn tới thiết bị vuông góc với trục đối xứng của hệ phổ kế (xem Hình 1.2). Hệ thống lase giúp định vị tinh thể 6LiI(Eu) nằm ở mặt phẳng ngang với nguồn bức xạ. Số đọc thực nghiệm của hệ CNS trong một khoảng thời gian được ghi nhận bằng bộ đếm đơn kênh Ludlum 2200. Thời gian đo đối với mỗi khối làm chậm được thay đổi sao cho độ không đảm bảo đo của số đếm nhỏ hơn 1%. 9