Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Đánh giá sai số của kỹ thuật quét Gamma phân đoạn bằng phương pháp ngẫu nhiên

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Đánh giá sai số của kỹ thuật quét Gamma phân đoạn bằng phương pháp ngẫu nhiên giới thiệu tổng quan về các kỹ thuật gamma thụ động; kỹ thuật quét gamma phân đoạn và đánh giá sai số theo mô phỏng; xây dựng hệ đo thực nghiệm; đánh giá kết quả đo đạc, sai số trong các thí nghiệm với hệ đo SGS.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Đánh giá sai số của kỹ thuật quét Gamma phân đoạn bằng phương pháp ngẫu nhiên

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 Diễn giải Trang Giá trị sai số theo phân bố r (cm) khi cho một nguồn ngẫu 1 2.1 22 nhiên vào một phân đoạn. Giá trị I tb và sai số khi cho nhiều nguồn giống nhau vào một 2 2.2 24 phân đoạn. 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 Thông tin bộ nguồn sử dụng trong quá trình đo. 42 Số đếm thô khi cho 8 nguồn chuẩn vào bốn phân đoạn của 5 4.1 45 thùng với các lần cho ngẫu nhiên khác nhau. Số đếm thô khi cho 11 nguồn vào năm phân đoạn của thùng 6 4.2 47 với các lần cho ngẫu nhiên khác nhau. Số đếm thô khi cho 10 nguồn vào năm phân đoạn của thùng 7 4.3 48 với các lần cho ngẫu nhiên khác nhau. 8 4.4 Hệ số hấp thụ tuyến tính trung bình. 53 Số đếm và sai số theo phân bố khoảng cách r (cm), với 9 4.5 54 K = 87 cm và µ = 0,04987 cm-1. Số đếm và sai số theo phân bố khoảng cách r (cm), với 10 4.6 58 K = 116 cm và µ = 0,04987 cm-1.
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 Hệ TGS thương mại theo chuẩn hộp và chuẩn thùng của Ortec 4 1.4 15 - Hệ TGS theo chuẩn thùng của Canberra 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 Sử dụng nguồn ngoài để tính hệ số hấp thụ tuyến tính trung 9 3.1 31 bình 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 Ống chuẩn trực được gắn gới đầu dò trên giá đỡ cùng với hệ 14 3.6 37 máy Ludlum 2200 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
7 23 4.1 Lắp đặt đầu dò, ống chuẩn trực và thước đo khoảng cách K 44 Nguồn Cs137 với hoạt độ I = 12,2 MBq, dạng ống với hộp chì 24 4.2 51 đựng Các vị trí của nguồn có thể có khi cho vào thùng một cách 25 4.3 52 ngẫu nhiên 26 4.4 Xác suất nguồn rơi vào hình vành khăn 56 Biểu đồ phân bố xác suất nguồn rơi vào các khoảng cách 27 4.5 56 r (cm) khi cho nguồn ngẫu nhiên vào thùng, K = 87 cm. Biểu đồ sai số thực nghiệm theo khoảng cách r (cm), 28 4.6 57 với K = 87 cm Biểu đồ sai số của hệ SGS theo khoảng cách r (cm) với K = 87 29 4.7 57 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 30 4.8 58 r (cm) khi cho nguồn ngẫu nhiên vào thùng, với K = 116 cm Biểu đồ sai số thực nghiệm theo khoảng cách r (cm), 31 4.9 59 với K = 116 cm 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 59 phỏng
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 Plu- to-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 gam- ma 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