Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Đánh giá an toàn bức xạ đối với máy gia tốc UERL-10-15S2

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

123
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Đánh giá an toàn bức xạ đối với máy gia tốc UERL-10-15S2 giới thiệu tổng quan về máy gia tốc UERL-10-15S2; tương tác electron với vật chất; đánh giá an toàn các thiết kế che chắn của thiết bị UERL-10-15S2.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Đánh giá an toàn bức xạ đối với máy gia tốc UERL-10-15S2

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ KIM VÂN ĐÁNH GIÁ AN TOÀN BỨC XẠ ĐỐI VỚI MÁY GIA TỐC UERL-10-15S2 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 NGUYỄN THỊ KIM VÂN ĐÁNH GIÁ AN TOÀN BỨC XẠ ĐỐI VỚI MÁY GIA TỐC UERL-10-15S2 Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HN & NLC Mã số: 64 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN VĂN HÙNG Thành phố Hồ Chí Minh 2012
1 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, trường Đại học Sư Phạm TP.HCM, tôi đã được các thầy cô tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý giá. Cho tôi gửi lời biết ơn với tất cả các thầy cô đã giảng dạy tôi trong suốt thời gian học tại trường. Xin tri ân đến thầy Trần Văn Hùng đã định hướng cho tôi lựa chọn đề tài này và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn. Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến anh Cao Văn Chung đã có những ý kiến đóng góp, hướng dẫn quí báu và nhiệt tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin được phép gửi lời cám ơn đến quý Thầy/Cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và giúp tôi hoàn chỉnh luận văn. Cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, bạn bè luôn ủng hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong trong suốt quá trình hoàn thành luận văn.
2 MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... 5 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC UERL – 10 - 15S2 ......................9 1.1 Giới thiệu máy gia tốc UERL – 10 – 15S2 [5].......................................................... 9 1.2 Khối che chắn bức xạ [5] ........................................................................................... 13 1.3 Hệ thống chiếu xạ [4] [5] .......................................................................................... 15 1.4 Klystron [4] [5] ........................................................................................................... 18 CHƯƠNG II: TƯƠNG TÁC ELECTRON VỚI VẬT CHẤT [1] ...........................20 2.1 Sự mất năng lượng do ion hoá .................................................................................. 20 2.2 Sự mất mát năng lượng do bức xạ ............................................................................ 21 2.3 Sự mất năng lượng do bức xạ Synchrotron ............................................................. 23 2.4 Sự mất bức xạ do bức xạ Cherenkov ........................................................................ 25 CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CÁC THIẾT KẾ CHE CHẮN CỦA THIẾT BỊ UERL -10 – 15S2 .................................................................................................28 3.1 Tầm của electron trong vật chất [2] .......................................................................... 28 3.2 Khả năng phát bức xạ hãm của chùm electron phát từ thiết bị [4] ....................... 30 3.3 Tính toán cơ bản của thiết kế che chắn bức xạ cho hệ thống chùm electron [6].31 3.4 Kết quả tính toán phân bố liều bằng phương pháp mô phỏng dùng phần mềm MCNP (4C) ........................................................................................................................ 44 3.5 Kết quả thực nghiệm đo suất liều cho thiết kế che chắn UERL -10 – 15S2 ....... 59
3 KẾT LUẬN ...............................................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 65
4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các thông số cơ bản của máy gia tốc: .....................................................12 Bảng 1.2: Các thông số chính của hệ băng chuyền của máy gia tốc: .......................12 Bảng 1.3: Danh mục và thông số các thiết bị của máy gia tốc .................................13 Bảng 3.1: Suất liều giới hạn cho các vị trí ................................................................31 Bảng 3.2 : Các điểm tính toán ứng với từng nhóm làm việc khác nhau ...................32 Bảng 3.3: Kết quả tính toán lý thuyết cho che chắn bức xạ truyền qua ....................39 Bảng 3.4: Giá trị TVL cho các photon tán xạ ...........................................................42 Bảng 3.5: Kết quả tính toán sự suy giảm bức xạ do tán xạ .......................................43 Bảng 3.6: Phương trình mô tả các mặt cơ bản trong MCNP ....................................47 Bảng 3.7: Các loại tally tính toán ..............................................................................50 Bảng 3.8: Ý nghĩa sai số tương đối R trong MCNP ................................................52 Bảng 3.9: Hệ số DE/DF ............................................................................................55 Bảng 3.10: Kết quả tính toán suất liều sử dụng MCNP ............................................57 Bảng 3.11: Kết quả tính toán suất liều cho hiệu ứng sky-shine ................................59 Bảng 3.12: Kết quả suất liều lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm ..........................62
5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Khối gia tốc của thiết bị chiếu xạ............................................................... 9 Hình 1.2: Sơ đồ thiết kế hệ thống che chắn bức xạ.................................................... 9 Hình 1.3: Sơ đồ lắp đặt tầng trệt ...............................................................................10 Hình 1.4: Sơ đồ lắp đặt tầng 1 ...................................................................................10 Hình 1.5: Sơ đồ mặt cắt khối che chắn bức xạ ..........................................................11 Hình 1.6: Cấu trúc bê tông tầng trệt của khối che chắn ............................................14 Hình 1.7: Cấu trúc bê tông tầng 1 của khối che chắn ...............................................14 Hình 1.8: Cấu trúc của hệ thống chiếu xạ .................................................................15 Hình 1.9: Cấu trúc một ống gia tốc dùng sóng RF ...................................................16 Hình 1.10: Hệ thống quét chùm tia ...........................................................................18 Hình 1.11: Klystron TH2173F ..................................................................................18 Hình 1.12: Cấu trúc của một klystron .......................................................................19 Hình 2.1: Bức xạ synchrotron ...................................................................................23 Hình 2.2: Mặt sóng của bức xạ Cherenkov ...............................................................27 Hình 3.1: Tầm electron trong một số vật liệu ứng với giá trị năng lượng tới E o ......29 Hình 3.2 : Phổ photon sinh ra trong quá trình chiếu xạ ............................................30 Hình 3.3: Suất liều ứng với các góc sinh ra bởi bức xạ hãm ....................................32 Hình 3.4: Vị trí các điểm 1,2,3,4,5 ............................................................................33 Hình 3.5: Vị trí các điểm 7,8,9 ..................................................................................33 Hình 3.6: Vị trí các điểm 7,10,11,12 .........................................................................34 Hình 3.7: Vị trí các điểm 5, 6, 13 và các mặt tán xạ S1, S2, S3 ...............................34 Hình 3.8: Vị trí các điểm 6, 13 và các mặt tán xạ S4, S5, S3 ...................................35
6 Hình 3.9: Các mặt tán xạ S6, S7 ...............................................................................35 Hình 3.10: Các giá trị TVL của các vật liệu a: bê tông, b: thép, c chì. Đường nét là các giá trị của lớp thứ nhất, đường liền là cho các lớp hấp thụ tiếp theo..................37 Hình 3.11: Đường suy giảm theo chiều dày bê tông che chắn của các nguồn electron đơn năng: 1- 0.1 MeV; 2 - 0.24 MeV; 3 - 0. MeV 4; 4 - 0.5 MeV; 5 - 1.0 MeV; 7 - 2.0 MeV; 9 - 3.0 MeV; 10 - 4.0 MeV; 11 - 6.0 MeV; 12 - 10.0 MeV và 6 - nguồn 137Cs; 8-nguồn 60 Co. ......................................................................................38 Hình 3.12: Sơ đồ tính toán suất liều bức xạ trong lối đi của hệ che chắn bức xạ. ....40 Hình 3.13: Hệ số albeldo ứng với các mức năng lượng của bức xạ hãm theo năng lượng các góc Θ s cho bêtông (mật độ 2,3g/cm3). .....................................................41 Hình 3.14: Năng lượng tán xạ photon phụ thuộc vào góc tán xạ.............................41 Hình 3.15: Mặt cắt Oxy nhà chiếu xạ tại vị trí z = 60...............................................54 Hình 3.16: Mặt cắt Oxy nhà chiếu xạ tại vị trí z = 300.............................................54 Hình 3.17: Mặt cắt Oyz nhà chiếu xạ tại vị trí z = 0 ................................................55 Hình 3.18: Liều kế Ethanol-Chlorobenzene (ECB) ..................................................60 Hình 3.19: Máy đo liều MINI RAD-1000 .............................................................. 61 Hình 3.20: Sử dụng máy đo liều MINI RAD-1000 đo suất liều tại các vị trí ...........61
7 MỞ ĐẦU Ngày nay Công nghệ Bức xạ (CNBX) là một trong các lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả cao của ngành Năng lượng nguyên tử ở Việt Nam, cũng như nhiều nước trên thế giới. Bức xạ ion hóa được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế - xã hội (KT-XH) như y tế, công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu... Hiệu quả KT-XH mà chúng đem lại không nhỏ và đã được xã hội thừa nhận. Nhiều kỹ thuật bức xạ, hạt nhân là không thể thay thế và đã trở thành những công cụ, phương pháp hữu hiệu trong chẩn đoán và điều trị bệnh, bảo quản lương thực, thực phẩm, thăm dò và khai thác tài nguyên. Trước sự phát triển mạnh của CNBX, ngày càng nhiều cơ sở ứng dụng được hình thành. Được thành lập từ năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, tên viết tắt là VINAGAMMA hiện đã đưa vào hoạt động 2 thiết bị chiếu xạ công nghiệp: máy chiếu xạ nguồn Cobalt-60, SVST-Co60/B, và máy gia tốc chùm tia điện tử UELR-10-15S2. Trong đó thiết bị chiếu sử dụng máy gia tốc đã được Trung tâm đầu tư và đưa vào hoạt động sử dụng vào năm 2011 với năng lượng chùm tia là 10 MeV, công suất 15kW. Thiết bị được sử dụng cho mục đích nghiên cứu ứng dụng Công nghệ Bức xạ trong công nghiệp, xử lý chất thải môi trường, khử trùng các vật phẩm y tế và thanh trùng hàng thực phẩm. Đặc điểm nổi trội của máy gia tốc so với máy chiếu dùng nguồn cobalt đó là sự an toàn; bởi thiết bị sẽ ngừng phát tia khi tắt máy trong khí đó với máy cobalt thì đồng vị phóng xạ vẫn phân rã liên tục và phát tia khi không còn cần đến. Ngoài ra máy cobalt còn đòi hỏi phải thay nguồn định kỳ do phân rã phóng xạ vì thế nguồn cũ khi không còn sử dụng cần phải xử lý để đảm bảo an toàn bức xạ. Tuy nhiên, dù đặc tính có an toàn hơn, nhiều ưu điểm hơn của các công nghệ bức xạ ngày càng phát triển, chúng ta cũng không thể chủ quan trong việc đánh giá mức độ an toàn của thiết bị bởi bức xạ ảnh hưởng đến các mô sống, đặc biệt ảnh hưởng trực tiếp đến con người. Nếu bức xạ ion hoá đi vào các mô sống, các ion được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình thường. Tiếp xúc với bất
8 kỳ loại nào trong số các loại bức xạ ion hoá, bức xạ alpha, beta, các tia gamma, tia X và nơtron, đều có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ. Trên cơ sở đó, bài luận văn này nhằm mục đích trình bày việc khảo sát suất liều ở các vị trí ảnh hưởng của thiết bị gia tốc UERL -10-15S2 bằng phép mô phỏng Monte-Carlo sử dụng chương trình MCNP(4C2) và kiểm chứng bằng phép đo thực nghiệm. Từ đó đưa ra đánh giá về mức độ an toàn các thiết kế che chắn bức xạ của thiết bị gia tốc UERL -10-15S2. Luận văn bao gồm 3 chương: Chương 1: Giới thiệu hệ thống chiếu xạ sử dụng máy gia tốc UERL – 10 – 15S2 gồm những thông số kỹ thuật của máy và cấu trúc che chắn bức xạ. Chương 2: Những tương tác của electron với vật chất bao gồm các quá trình mất năng lượng của electron. Chương 3: Đánh giá an toàn của thiết kế che chắn thiết bị UERL -10 – 15S2 bao gồm trình bày các tính toán lý thuyết về thiết kế che chắn bức xạ do CORAD Service Co.Ltd cung cấp, các tính toán phân bố liều sử dụng chương trình mô phỏng MCNP (4C2) và kiểm chứng bằng phép đo thực nghiệm.
9 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC UERL – 10 - 15S2 1.1 Giới thiệu máy gia tốc UERL – 10 – 15S2 [5] Máy gia tốc UERL – 10 – 15S2 thuộc loại Linac được cung cấp bởi CORAD Service Co.Ltd . Hệ thống chiếu xạ này sử dụng chùm điện tử năng lượng cao được lắp đặt tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ (Vinagamma), bao gồm máy gia tốc điện tử tuyến tính UERL-10-15S2 và khối băng chuyền đặt bên trong khối bêtông che chắn làm giảm tia bức xạ đến mức cho phép. UERL-10- 15S2 sử dụng ống gia tốc cộng hưởng để gia tốc electron bằng sóng cao tần cung cấp bởi klystron. Hệ thống đầu ra chùm tia có hai cửa nằm ở khoảng cách 1m do đó cho phép đồng thời chiếu xạ sản phẩm trên cả hai mặt. Hình 1.1: Khối gia tốc của Hình 1.2: Sơ đồ thiết kế hệ thiết bị chiếu xạ thống che chắn bức xạ
10 Hình 1.3: Sơ đồ lắp đặt tầng trệt Hình 1.4: Sơ đồ lắp đặt tầng 1
11 Hình 1.5: Sơ đồ mặt cắt khối che chắn bức xạ 1. Khối băng chuyền 2. Khu vực chiếu xạ với hai chùm tia điện tử đối xứng 3. Khối chân không 4. Tổng đài chính 5. Khu điều khiển máy gia tốc và nguồn cung cấp năng lượng băng chuyền. 6. Khu điều khiển băng chuyền 7. Khối điều khiển hệ thống an toàn 8. Khu vực gia tốc 9. Khối klystron với thiết bị tạo xung 10. Hệ thống làm mát cho máy gia tốc và klystron 11. Khối nguồn 12. Khối cấp sóng vào cho klystron 13. Cao thế klystron 14. Tủ điện chính 15. Hệ thông khí.
12 Các thành phần chính của máy gia tốc UERL – 10 – 15S2 - Khối che chắn bức xạ - Hệ thống chiếu xạ - Khối klystron - Nguồn và khối điều khiển - Hệ thống làm mát - Hệ băng chuyền  Các thông số đặc trưng kỹ thuật của thiết bị: Bảng 1.1: Các thông số cơ bản của máy gia tốc: Năng lượng electron , MeV 10 Công suất, kW 15 Xung khuếch đại của cường độ dòng, A 0,25 Tần số, Hz 50, 100, 200, 300 Khoảng cách xung, microseconds 20 Chiều dài quét cực đại, mm 500 Công suất tiêu thụ, kW 110 Độ đồng đều liều theo chiều quét, % +/-5 Độ ổn định năng lượng,% +/-2,5 Độ ổn định công suất, % +/-2,5 Bảng 1.2: Các thông số chính của hệ băng chuyền của máy gia tốc: Bề rộng cực đại của thùng hàng 500 Chiều cao cực đại của thùng hàng 300 Trọng lượng cực đại của thùng hàng 25 kg Vận tốc băng chuyền 0,6-6 m/phút
13 Bảng 1.3: Danh mục và thông số các thiết bị của máy gia tốc Kích thước, mm Trọng Thiết bị lượng, Dài Rộng Cao kg Máy chiếu xạ 4880 1545 1590 3800 Klystron 860 650 1500 730 Khối điều chỉnh klystron 1450 600 2300 600 Hệ thống làm lạnh máy chiếu và 1200 600 1900 300 klystron Khối nguồn cung cấp cho hệ thống 600 600 1900 250 chân không Khối nguồn 600 600 2300 200 Khối điều khiển 800 400 1900 160 Băng chuyền chính 1000 600 300 40 Bơm tuần hoàn 540 170 240 35 1.2 Khối che chắn bức xạ Hệ thống chiếu xạ sử dùng máy gia tốc UERL – 10 - 15S2 tại trung tâm VINAGAMMA được che chắn bởi thiết kế bằng vật liệu bê tông có tỷ trọng 2,3g/cm3 để đảm bảo tính chất an toàn bức xạ đối với nhân viên làm việc cũng như khu vực xung quanh. Khối che chắn gồm 2 khu vực chính : khu vực được chiếu xạ ở tầng trệt và khu vực đặt hệ thống máy gia tốc được bố trí ở tầng 1.
14 Hình 1.6: Cấu trúc bê tông tầng trệt của khối che chắn Hình 1.7: Cấu trúc bê tông tầng 1 của khối che chắn
15 1.3 Hệ thống chiếu xạ Hệ thống chiếu xạ cung cấp chùm điện tử đã được gia tốc và chiếu xạ lên đối tượng thông qua 2 hệ thống quét được đặt đối diện nhau. Hình 1.8: Cấu trúc của hệ thống chiếu xạ 1. Cấu trúc ống gia tốc 2. Đầu quét 1 3. Đầu quét 2 4. Ống dẫn electron 5. Từ trường quét 6. Từ trường lái electron của đầu quét 2 7. Từ trường điều hướng dòng ra 8. Thùng hàng chiếu xạ
16 9. Băng chuyền 10. Cao thế cấp cho electron gun 11. Electron gun 12. Bộ hấp thụ sóng 13. Bơm ion 14. Cuộn đo dòng 15. Bộ hấp thụ electron 1.3.1 Ống gia tốc [4] Sự gia tốc của các loại máy gia tốc tuyến tính đối với các ion xảy ra khi chúng chuyển động nhiều lần qua điện thế của máy phát sóng cao tần. Độ dài của các điện cực ống tăng theo phương chuyển động của các hạt tích điện. Thời gian chuyển động quán tính của các hạt tích điện trong các điện cực ống là giống nhau và bằng nửa chu kỳ thay đổi điện thế của máy phát cao tần. Các điện cực ống chẵn mắc vào một cực của máy phát còn các điện cực ống lẻ nối vào cực kia của máy phát. Máy gia tốc UERL-10-15S2 sử dụng sóng cao tần (RF) để gia tốc electron. Ống gia tốc là hệ thống các hốc cộng hưởng (resonant cavity), thực chất mỗi hốc cộng hưởng là một thể tích cách điện hoặc chân không được giới hạn bởi vật dẫn điện. Hình 1.9: Cấu trúc một ống gia tốc dùng sóng RF
17 Trong ống gia tốc, hạt được gia tốc theo cơ chế cộng hưởng bởi sóng RF như sau: sóng RF được bơm vào trục của ống gia tốc, tạo nên một điện trường dọc theo trục này. Điện trường này thay đổi theo thời gian với chu kỳ bằng chu kỳ của sóng RF đã bơm vào. Với f là tần số cộng hưởng, chu kỳ của sóng RF được xác định bằng: 1 T= (1.1) f Điều kiện đồng bộ của điện trường gia tốc yêu cầu đi qua một hốc cộng TRF hưởng trong một thời gian đúng bằng , chiều dài của một hốc được tính bằng: 2 v βc L= = (1.2) 2f 2f Hạt chuyển động càng chậm thì chiều dài hốc cộng hưởng càng nhỏ. Trong quá trình gia tốc, electron được nhóm lại, thời gian giữa hai nhóm electron bằng Tbeam = nTRF (n = 1, 2, 3...). Tần số RF của mỗi hốc cộng hưởng bằng một số nguyên lần thời gian giữa hai nhóm electron được gia tốc. Khi đó năng lượng hạt nhận được qua mỗi hốc được xác định qua công thức:  ∆U = q ∫ Ev dt (1.3) Hay ∆U = q × E acc × Lacc × cos(ϕ ) (1.4) Trong đó E acc là điện trường gia tốc, L acc là chiều dài hốc và ϕ là pha đồng bộ giữa hạt và sóng RF. 1.3.2 Hệ thống quét chùm tia Sau khi qua ống gia tốc, chùm tia điện tử có năng lượng 10MeV sẽ được đưa qua hệ thống quét chùm tia. Hệ thống này sử dụng từ trường để làm thay đổi hướng của chùm electron tạo thành một chùm tia hình rẽ quạt.
18 Từ trường quét Chân không Thành của hệ Cửa sổ titan Hình 1.10: Hệ thống quét chùm tia Tần số quét của hệ bằng 50, 100, 200, 300 Hz, chiều dài quét cực đại của hệ là 60 cm. Máy gia tốc UERL-10-15S2 có hai hệ quét bố trí đối xứng nhau qua hệ băng chuyền để thực hiện chiếu xạ hai mặt của đối tượng cùng một lúc. 1.4 Klystron [4] [5] Hệ thống sóng cao tần cung cấp cho máy gia tốc UERL-10-15S2 gồm: klystron TH2173F, hệ tăng thế klystron, một đường ống kích thích và một đường ống dẫn sóng đồng trục được gắn kết với klystron và với cấu trúc gia tốc. Hình 1.11: Klystron TH2173F