Tóm tắt 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:28

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt 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 đo phổ nơtron có cấu hình làm chậm dạng hình trụ lồng nhau (CNS) có khả năng xác định phổ nơtron tương tự hệ phổ kế cầu BSS thương mại; 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9.44.01.06 Người hướng dẫn khoa học: TS. Lê Ngọc Thiệm PGS. TS. Phạm Đức Khuê Hà Nội – 2024 i
MỤC LỤC DANH SÁCH BÀI BÁO KHOA HỌC .......................................................... iv MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. PHÁT TRIỂN HỆ PHỔ KẾ HÌNH TRỤ (CNS)..................... 2 1.1. Giới thiệu........................................................................................... 2 1.2. Trang thiết bị và phương pháp............................................................... 2 1.2.1. Thiết kế hệ phổ kế hình trụ .............................................................. 2 1.2.2. Mô phỏng hàm đáp ứng bằng chương trình MCNP ........................ 2 1.2.3. Kiểm chứng hệ phổ kế ..................................................................... 3 1.3. Kết quả và thảo luận .............................................................................. 3 1.3.1. Kết quả thiết kế hệ phổ kế CNS ....................................................... 3 1.3.2. Kết quả mô phỏng hàm đáp ứng của hệ phổ kế CNS ...................... 4 1.3.3. Kết quả kiểm chứng hệ phổ kế CNS ................................................ 4 1.4. Kết luận chương .................................................................................... 5 CHƯƠNG 2. PHÁT TRIỂN PHẦM MỀM TÁCH PHỔ UFCV .................. 5 2.1. Giới thiệu ............................................................................................... 5 2.2. Trang thiết bị và phương pháp............................................................... 5 2.2.1. Phương pháp tách phổ SVD ............................................................ 5 2.2.2. Xây dựng giao diện đồ họa .............................................................. 6 2.2.3. Kiểm chứng phần mềm tách phổ ..................................................... 6 2.3. Kết quả và thảo luận .............................................................................. 6 2.3.1. Giao diện đồ họa và cấu trúc phần mềm UFCV ............................. 6 2.3.2. Định dạng tập tin hàm đáp ứng của thiết bị .................................... 7 2.3.3. Định dạng tập tin số đọc của thiết bị............................................... 7 2.3.4. Định dạng tập tin phổ thông lượng nơtron dự đoán ....................... 7 2.3.4. Kiểm chứng phần mềm tách phổ .................................................... 8 2.4. Kết luận chương .................................................................................. 10 CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA TRƯỜNG CHUẨN BỨC XẠ NƠTRON ........................................................................................ 10 3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 10 3.2. Trang thiết bị và phương pháp............................................................. 10 3.2.1. Trường bức xạ nơtron ................................................................... 10 3.2.2. Phương pháp quy hoạch tuyến tính để xác định H*(10) ............... 10 3.3. Kết quả và thảo luận ............................................................................ 11 3.3.1. Đặc trưng trường bức xạ nơtron 241Am-Be.................................... 11 3.3.2. Đặc trưng trường bức xạ nơtron nguồn 241Am-Be làm chậm ........ 12 ii
3.3.3. Đặc trưng trường bức xạ nơtron nguồn 239Pu-Be ......................... 14 3.4. Kết luận chương .................................................................................. 16 CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH HÀM ĐÁP ỨNG CỦA THIẾT BỊ ĐO NƠTRON .......................................................................................................................... 17 4.1. Giới thiệu ............................................................................................. 17 4.2. Trang thiết bị và phương pháp............................................................. 17 4.2.1. Phương pháp xác định hàm đáp ứng ............................................. 17 4.2.2. Trường chuẩn bức xạ nơtron ......................................................... 17 4.2.3. Hệ phổ kế BSS ............................................................................... 17 4.2.4. Thiết bị đo liều cầm tay Aloka TPS-451C ..................................... 18 4.3. Kết quả và thảo luận ............................................................................ 18 4.3.1. Đáp ứng thông lượng của hệ phổ kế BSS ...................................... 18 4.3.2. Đáp ứng thông lượng của thiết bị Aloka TPS- 451C ..................... 19 4.3. Kết luận chương .................................................................................. 20 CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG HỆ PHỔ KẾ CNS XÁC ĐỊNH PHỔ THÔNG LƯỢNG GÓC ............................................................ 20 5.1. Giới thiệu ............................................................................................. 20 5.2. Trang thiết bị và phương pháp............................................................. 20 5.2.1. Nguyên lý xác định phổ thông lượng góc ..................................... 20 5.2.2. Thiết kế vị trí lá vàng để hệ phổ kế CNS có đáp ứng phụ thuộc vào góc ........................................................................................................... 21 5.3. Kết quả và thảo luận ............................................................................ 22 5.4. Kết luận chương .................................................................................. 23 KẾT LUẬN...................................................................................................... 24 1. Kết quả của luận án ................................................................................ 24 2. Đóng góp mới của luận án ...................................................................... 24 iii
DANH SÁCH BÀI BÁO KHOA HỌC Danh sách các bài báo quốc tế 1. Ngoc-Thiem Le, Ngoc-Quynh Nguyen, Nguyen Ngoc Anh, Hoai-Nam Tran, Thiansin Liamsuwan, Van-Loat Bui, Tuan-Khai Nguyen, Duc- Khue Pham, Tien-Hung Dinh, Van-Chung Cao; Evaluation of fluence- to-dose response function of neutron survey meter using singular value decomposition method; Radiation Measurements Vol. 178, 2024 (doi: https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2024.107280) 2. Ngoc-Quynh Nguyen, Thanh-Phi-Hung Hoang, Minh-Cong Nguyen, Tien-Hung Dinh, Van-Hiep Cao, Ngoc-Thiem Le; 239Pu–Be neutron reference field: Physical and dosimetric parameters; Radiation Physics and Chemistry, Vol. 217, 2024 (doi: https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2024.111522) 3. Ngoc-Thiem Le, Ngoc-Quynh Nguyen, Huu-Quyet Nguyen, Duc-Khue Pham, Minh-Cong Nguyen, Van-Loat Bui, Van-Chung Cao, Van-Hao Duong, Trung H. Duong, Hoai-Nam Tran; Cylindrical neutron spectrometer system: design and characterization; The European Physical Journal - Plus Vol. 136, 2021 (doi: https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-01681-9) Danh sách các bài báo trong nước 1. Nguyen Ngoc Quynh, Pham Bao Ngoc, Tran Thanh Ha, Ho Quang Tuan, Bui Duc Ky, Dang Thi My Linh, Dang Quoc Soai, Nguyen Huu Quyet, Pham Xuan Linh, Le Ngoc Thiem; Neutron spectrum unfolding using various computer codes: a comparison; Journal of Military Science and Technology, No. 71, 2021 (doi: https://online.jmst.info/index.php/jmst/article/view/90) 2. Le Ngoc Thiem, Nguyen Ngoc Quynh, Dang Thi My Linh, Phan Thi Huong; Characteristics of simulated workplace neutron standard fields; Communications in Physics, Vol. 30, No. 1, 2020 (doi: https://doi.org/10.15625/0868-3166/30/1/14275) iv
MỞ ĐẦU Cho đến hiện nay, việc đo đạc và đánh giá liều liên quan đến bức xạ nơtron đang kém chính xác hơn bức xạ photon. Nguyên nhân là bởi liều bức xạ nơtron phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng và hướng tới của bức xạ. Bức xạ nơtron có dải năng lượng lớn dẫn đến không có thiết bị đo liều nào có thể đo liều bức xạ nơtron chính xác ở dải năng lượng lớn như vậy. Liều bức xạ nơtron chỉ có thể được xác định chính xác khi xác định được phổ thông lượng nơtron. Bên cạnh đó, phổ thông lượng nơtron còn cho phép đánh giá khả năng đo chính xác của các thiết bị đo liều nơtron cầm tay hoặc các liều kế cá nhân. Do đó, việc nghiên cứu phát triển, chế tạo các thiết bị và phương pháp đo phổ bức xạ nơtron là hướng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực an toàn bức xạ. Đây chính là bài toàn cần giải quyết của nghiên cứu này. 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 (CNS) có khả năng xác định phổ nơtron tương tự hệ phổ kế cầu 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. Bố cục của luận án bao gồm 2 phần chính, ngoài phần Giới thiệu và Kết luận, 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. 1
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. 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. 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. CHƯƠNG 1. PHÁT TRIỂN HỆ PHỔ KẾ HÌNH TRỤ (CNS) 1.1. Giới thiệu Chương này trình bày thiết kế và quá trình kiểm chứng hệ phổ kế hình trụ (CNS). So với hệ phổ kế cầu Bonner truyền thống, hệ phổ kế CNS có các lợp 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 hình trụ (CNS) bao gồm đầu dò nhạy nơtron và các khối làm chậm có dạng hình trụ có thể lồng vào nhau. Đầu dò nhạy nơtron bao gồm tinh thể nhấp nháy 6LiI(Eu) có dạng hình trụ với chiều cao 4 mm và đường kình 4 mm. 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 làm chậm có kích thước lớn hơn để tạo nên một khối làm chậm có kích thước lớn. 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. 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. 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. Kích thước của các khối làm chậm hình trụ trong mô phỏng bằng với kích thước thật của hệ phổ kế. 2
Hàm đáp ứng thông lượng của phổ kế CNS 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 có thể được xác định bằng tally F4 và thẻ FM trong chương trình MCNP. Để mô phỏng chính xác tương tác của nơtron với vật chất khi tính đến năng lượng liên kết, 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 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. 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. Hình 1.1: Thí nghiệm kiểm chứng hệ phổ kế CNS 1.3. Kết quả và thảo luận 1.3.1. Kết quả thiết kế hệ phổ kế CNS Hệ phổ kế CNS được chế tạo bao gồm đầu dò 6LiI(Eu) và các khối làm chậm có kích thước khác nhau. Kích thước cụ thể của các khối làm chậm được trình bày ở Bảng 1.1. Bảng 1.1: Kích thước 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 3
Kết quả mô phỏng hàm đáp ứng phụ thuộc vào hướng tới của bức xạ nơtron cho thấy hàm đáp ứng của hệ phổ kế theo các hướng phần lớn đều sai lệnh không quá 5% so với hướng 90o. Chỉ có hàm đáp ứng của khối làm chậm CNS12 có độ lệch lớn nhất khi hướng tới của bức xạ nơtron là 45o. Mặc dù vậy, sự thay đổi của hàm đáp ứng phụ thuộc vào hướng bức xạ tới vẫn nhỏ hơn 25%. Điều này hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn IEC 61005. Như vậy, hệ phổ kế CNS được chế tạo đảm bảo các yêu cầu về tính đẳng hướng theo tiêu chuẩn IEC 61005. 1.3.2. Kết quả mô phỏng hàm đáp ứng của hệ phổ kế CNS Đáp ứng thông lượng của hệ phổ kế CNS mô phỏng bằng chương trình MCNP được biểu diễn trên Hình 1.2. Hệ phổ kế CNS và hệ phổ kế cầu Bonner có đáp ứng thông lượng tương tự nhau nên sẽ có khả năng xác định phổ nơtron tương tự nhau. Đáp ứng thông lượng các khối làm chậm kích thước nhỏ (từ CNS2 đến CNS5) có dạng khác nhau nhiều hơn so với các khối làm chàm chậm kích thước lớn (từ CNS8 đến CNS12). Các khối làm chậm lớn nhạy với nơtron ở vùng năng lượng từ 1 MeV đến 10 MeV. Hình 1.2: Đáp thông lượng của hệ phổ kế CNS 1.3.3. Kết quả kiểm chứng hệ phổ kế CNS Phổ thông lượng nơtron nhận được từ hai hệ phổ kế đều có dạng phổ giống nhau. Phổ thông lượng nơtron tách được đều có đỉnh nơtron nhiệt và đỉnh nơtron nhanh. Giá trị năng lượng trung bình phổ và năng lượng trung bình tương đương liều môi trường đều giống nhau khi làm tròn đến một chữ số thập phân, ngoài trừ trường hợp nguồn 241Am-Be (Mod30-PE) tại khoảng cách 150 cm là 2,5%. Sự sai khác về tổng thông lượng nhận được bằng hệ BSS và CNS nằm trong khoảng 4
7÷9%. Sự sai khác về hệ số chuyển đổi h*(10) nằm trong khoảng 0,2÷2,0% cho thấy sự phù hợp về dạng phổ thông lượng. Từ dạng phổ thông lượng và các đại lượng đặc trưng của phổ thông lượng, có thể thấy hệ phổ kế CNS có khả năng xác định phổ tương tự hệ phổ kế BSS. Hay nói cách khác, đáp ứng thông lượng của hệ phổ kế CNS mô phỏng bằng chương trình MCNP đã được kiểm chứng. 1.4. Kết luận chương Chương này đã trình bày thiết kế chế tạo hệ phổ kế CNS sử dụng đầu dò chủ động 6LiI(Eu). Hàm đáp ứng của hệ phổ kế CNS đã được kiểm chứng bằng cách xác định phổ thông lượng và các đặc trưng của trường bức xạ nơtron của nguồn 241 Am-Be và 241Am-Be(Mod30-PE). So sánh với kết quả xác định được khi sử dụng hệ phổ kế BSS, dạng phổ và các đại lượng đặc trưng của trường bức xạ đều phù hợp với nhau trong khoảng sai số của kết quả đo. Như vậy, hệ phổ kế CNS sử dụng đầu dò 6LiI(Eu) đã được kiểm chứng. Hệ phổ kế này hoàn toàn có thể được sử dụng để nghiên cứu các trường bức xạ nơtron khác trong thực tế. CHƯƠNG 2. PHÁT TRIỂN PHẦM MỀM TÁCH PHỔ UFCV 2.1. Giới thiệu Trên thế giới có nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển các phần mềm tách phổ nơtron cho phòng thí nghiệm của mình, dựa trên các thuật toán khác nhau. 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. Do đó, nghiên cứu này sẽ xây dựng một phần mềm tách phổ, được gọi là UFCV, sử dụng phương pháp phần tách ma trận SVD. Đồng thời, giao diện đồ họa của chương trình UFCV cũng được xây dựng để thuận tiện hơn cho người sử dụng. 2.2. Trang thiết bị và phương pháp 2.2.1. Phương pháp tách phổ SVD Phổ thông lượng nơtron, Φ, hàm đáp ứng của thiết bị, 𝑅, và số đọc của thiết bị, d được liên hệ với nhau bằng phương trình sau: 𝑅. 𝛷 = 𝑑 (1) Phương trình (1) có thể được biến đổi về dạng hệ phương trình tuyến tính có dạng tổng quát: 𝐴. 𝑥 = 𝑏 (2) Để nhận được nghiệm duy nhất và có ý nghĩa vật lý, cần phải thêm vào phương trình một số hạng ổn định nghiệm 𝐿. Với số hạng ổn định nghiệm này, nghiệm thu được sẽ ít phụ thuộc và thăng giáng của số đọc thực nghiệm hơn. Khi đó, phương trình ở trên sẽ trở thành: 5
‖𝐴. 𝑥 − 𝑏‖2 + 𝜆||𝐿. 𝑥||2 = 𝑚𝑖𝑛 2 2 (3) Hằng số λ được thay đổi để nhận được nghiệm phù hợp. Số hạng ổn định L có dạng ma trận vuông như sau: −1 1 1 −2 1 0 1 −2 1 𝐿= (4) ⋱ ⋱ 0 1 −2 1 [ 1 −1](𝑛,𝑛) Bài toán (4) với dạng ma trận L như trên chính là bài toán bậc hai của phương pháp Tikhonov. Bằng cách sử dụng phương pháp phân tách ma trận SVD, nghiệm của (4) có thể nhận được dưới dạng giải tích. Phương pháp Monte Carlo được sử dụng để đánh giá độ không đảm bảo đo (ĐKĐBĐ) của nghiệm 𝑥 (𝜆) . Số đọc thực nghiệm sẽ được gieo ngẫu nhiên theo phân bố Gauss với giá trị trung bình là số đọc trung bình thực nghiệm, và độ lệch chuẩn σ. Tương ứng với mỗi số đọc ngẫu nhiên này, 𝑥 (𝜆) sẽ được tính theo phương pháp SVD ở trên. Kết quả của phương pháp Monte Carlo sẽ cho phép xác định giá trị trung bình và ĐKĐBĐ của kết quả nhận được. 2.2.2. Xây dựng giao diện đồ họa Để tiện sử dụng, chương trình tách phổ UFCV với giao diện đồ họa đã được viết bằng ngôn ngữ lập trình R và thư viện Shiny. Ngôn ngữ R được sử dụng để tính toán, trong khí đo, thư viện Shiny giúp xây dựng giao diện đồ họa người dung. Ưu điểm của việc kết hợp ngôn ngữ R và thư viện Shiny bao gồm: (i) chạy trên trình duyệt web nên không bị giới hạn về hệ diều hành sử dụng; (ii) có thể đặt trên server để mọi người có thể sử dựng. Trong giới hạn của nghiên cứu này, chương trình tách phổ UFCV sẽ được xây dựng giao diện đồ họa như là một chương trình máy tính thông thường. 2.2.3. Kiểm chứng phần mềm tách phổ Phần mềm tách phổ UFCV sử dụng phương pháp tách phổ SVD được áp dụng để tách phổ nơtron của nguồn 241Am-Be và 241Am-Be (Mod30-PE). Kết quả tách phổ nơtron của phần mềm UFCV được so sánh với phần mềm tách phổ MAXED. 2.3. Kết quả và thảo luận 2.3.1. Giao diện đồ họa và cấu trúc phần mềm UFCV Chương trình UFCV có giao diện đơn giản, thể hiện quá trình tách phổ nơtron được thực hiện qua 3 bước (Hình) Quá trình tách phổ của chương trình UFCV bao gồm 3 bước: 6
- Bước 1: Nhập các dữ liệu đầu vào: hàm đáp ứng của hệ phổ kế, số đọc của hệ phổ kế và phổ thông lượng nơtron dự đoán - Bước 2: Chọn tham số của quá trình tách phổ - Bước 3: Lưu kết quả tách phổ Hình 2.1: Giao diện chương trình UFCV được thu gọn 2.3.2. Định dạng tập tin hàm đáp ứng của thiết bị Response function of BSS spectrometer Sim by MCNP6 STT Energy BSS0 BSS2 BSS3 BSS5 1 1.000E-09 1.574E-01 5.684E-02 4.298E-02 2.088E-02 2 1.585E-09 1.575E-01 5.938E-02 4.487E-02 2.177E-02 … 93 1.103E+01 3.149E-05 6.728E-04 5.771E-03 4.177E-02 94 1.109E+01 3.023E-05 6.585E-04 5.575E-03 4.020E-02 2.3.3. Định dạng tập tin số đọc của thiết bị Header 1: BSS reading (cps) Header 2: Mod30 source - total reading - SDD=200 cm STT NAME count sigma 1 BSS0 2.11 0.11 2 BSS2 2.59 0.13 3 BSS3 3.29 0.16 4 BSS5 3.92 0.20 5 BSS8 3.09 0.15 6 BSS10 2.35 0.12 2.3.4. Định dạng tập tin phổ thông lượng nơtron dự đoán Guest spectrum - BSS_mod30_total_guest_250cm INST STT E_lower(MeV) E_upper(MeV) Fluence 1 1.000E-09 1.585E-09 4.475E-04 2 1.585E-09 2.512E-09 1.088E-03 … 94 1.109E+01 1.200E+01 0.000E+00 7
2.3.4. Kiểm chứng phần mềm tách phổ Kết quả tách phổ nơtron của phần mềm UFCV được so sánh với phần mềm tách phổ MAXED. Phổ thông lượng nơtron thành phần tổng cộng của nguồn 241 Am-Be được biểu diễn trên Hình 2.1. Phổ thông lượng nơtron nhận được từ chương trình tách phổ UFCV và MAXED đều giống nhau về dạng phổ tương và giá trị phổ thông lượng. Phổ thông lượng nơtron đều có đỉnh ở năng lượng nơtron nhiệt và các cấu trúc phổ phức tạp ở phần năng lượng cao. Các đại lượng đặc trưng của phổ nơtron nhân được từ hai phương pháp được trình bày ở Bảng 2.1 và 2.2. Sự khác nhau lớn nhất giữa hai phương pháp tách phổ chỉ là 5,9% cho thấy phương pháp tách phổ SVD có khả năng tách phổ tương tự như phần mềm đã được kiểm chứng MAXED. Hình 2.1: Kiểm chứng phần mềm tách phổ UFCV với nguồn 241Am-Be 8
Bảng 2.1: Các đại lượng vật lý và đại lượng liều của phổ nơtron nguồn 241Am-Be tại các khoảng cách khác nhau sử dụng phương pháp tách phổ SVD và MAXED 80 cm 100 cm 150 cm 200 cm Thông số MAXED SVD MAXED SVD MAXED SVD MAXED SVD Tổng thông lượng 202 207 143 147 79 81 57 58 (cm-2.s-1) Năng lượng trung bình phổ 3.4 3.3 3.2 3.1 2.6 2.6 2.1 2.2 (MeV) Năng lượng trung bình tương 4.1 4.1 4.0 4.0 3.8 3.8 3.5 3.6 đương liều môi trường (MeV) Tương đương liều môi trường, 244.1 250.3 163.7 170.4 78.3 82.1 49.1 52.0 H*(10) (µSv/h) Hệ số chuyển đổi h*(10), 335 336 319 322 276 281 240 249 (pSv.cm-2) Bảng 2.2: Các đại lượng vật lý và đại lượng liều của phổ nơtron nguồn 241Am-Be(Mod30-PE) tại các khoảng cách khác nhau sử dụng phương pháp tách phổ SVD và MAXED 80 cm 100 cm 150 cm 200 cm Thông số MAXED SVD MAXED SVD MAXED SVD MAXED SVD Tổng thông lượng 109,4 109,2 76,8 76,6 44,5 44,2 33,2 32,8 (cm-2.s-1) Năng lượng trung bình phổ 1,8 1,9 1,7 1,7 1,3 1,4 1,1 1,2 (MeV) Năng lượng trung bình tương 3,5 3,6 3,4 3,5 3,2 3,4 3,0 3,1 đương liều môi trường (MeV) Tương đương liều môi trường, 84,3 83,9 55,1 55,6 26,8 27,9 17,4 18,2 H*(10) (µSv/h) Hệ số chuyển đổi h*(10), 214 213 199 201 167 176 146 154 (pSv.cm-2) 9
2.4. Kết luận chương Phần mềm tách phổ UFCV được xây dựng và phát triển giao diện đồ họa bằng ngôn ngữ R và thư viện đồ họa Shiny. Với lựa chọn này, phần mềm có thể sử dụng trên nhiều hệ điều hành khác nhau. Phương pháp tách phổ được sử dụng là phương pháp SVD. Phương pháp tách phổ này có nguyên lý tách phổ khác với các chương trình tách phổ hiện đang được sử dụng tại phòng chuẩn nơtron tại Viện KH&KTHN. Phần mềm UFCV đã được kiểm chứng bằng cách so sánh với phần mềm tách phổ MAXED. Phổ thông lượng nơtron của nguồn 241Am-Be và 241Am-Be (Mod30- PE) nhận được từ hai chương trình tách phổ UFCV và MAXED đều phù hợp với nhau cả về dạng phổ và độ lớn của thông lượng. Sự sai khác của hai phần mềm khi xác định các đặc trưng của trường bức xạ nơtron đều nhỏ hơn 6%. Như vậy, phần mềm tách phổ UFCV đã được phát triển thành công thông qua nghiên cứu này. CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA TRƯỜNG CHUẨN BỨC XẠ NƠTRON 3.1. Giới thiệu Chương này sẽ trình bày việc áp dụng các công cụ đã được phát triển (hệ phổ kế CNS và phần mềm tách phổ UFCV) để xác định phổ thông lượng và đặc trưng của các trường chuẩn nơtron. Trường chuẩn bức xạ nơtron của nguồn 241Am-Be và 239 Pu-Be sẽ được thiết lập theo tiêu chuẩn ISO 8529. Trường chuẩn bức xạ nơtron biến điệu từ nguồn 241Am-Be sẽ được thiết lập theo tiêu chuẩn ISO 12789. Bên cạnh đó, nghiên cứu này đề xuất sử dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính để xác định H*(10) từ số đọc của hệ phổ kế CNS và hệ phổ kế BSS. 3.2. Trang thiết bị và phương pháp 3.2.1. Trường bức xạ nơtron Nguồn đồng vị 241Am-Be là một trong các nguồn chuẩn được khuyến cáo bởi tiêu chuẩn ISO 8529. Để biến đổi trường bức xạ nơtron, nguồn 241Am-Be sẽ được đặt ở tâm các quả cầu có được kính khác nhau làm bằng vật liệu polyethylene. Nguồn nơtron 241Am-Be được làm chậm với quả cầu đường kính 20 cm và 30 cm được kí hiệu lần lượt là 241Am-Be (Mod20-PE) và 241Am-Be (Mod30-PE). Cường độ nguồn nơtron 239Pu-Be là 4,6.106 s-1 với ĐKĐBĐ 5% (k=1) (năm 1981). 239Pu có thời gian bán rã lên tới 2,41.104 năm nên có thể coi cường độ của nguồn không giảm từ lúc xác định đến nay. Nguồn có dạng hình trụ với đường kính 29 mm và chiều cao 33 mm. 3.2.2. Phương pháp quy hoạch tuyến tính để xác định H*(10) Mối liên hệ giữa đáp ứng thông lượng của hệ phổ kế CNS, 𝑅, thông lượng nơtron, Φ, và số đọc trung bình thực nghiệm d có thể biểu diễn như sau: 10
𝑅. Φ ≤ d + ε { 𝑅. Φ ≥ d + ε (5) Φ ≥0 Trong đó, ε là bao gồm độ không đảm bảo đo của số đọc trung bình thực nghiệm d và hàm đáp ứng 𝑅 của hệ phổ kế. Hàm mục tiêu của bài toán quy hoạch tuyến tính chính là tương đương liều môi trường H*(10), được thể hiện bằng phương trình: 𝐻 ∗ (10) = ℎ∗ (10). Φ (6) ∗ với ℎ (10) là hệ số chuyển đổi thông lượng sang tương đương liều môi trường. Giá trị của hệ số chuyển đổi ℎ∗ (10) được lấy từ tài liệu ICRP74. Như vậy, giá trị H*(10) lớn nhất và nhỏ nhất của trường bức xạ nơtron được biến đổi về bài toán quy hoạch tuyến tính như sau: min, max 𝐻 ∗ (10) = ℎ∗ (10). Φ Thỏa mãn điều kiện: 𝐺. Φ ≤ d + ε (7) { 𝐺. Φ ≥ d + ε Φ ≥0 Trong nghiên cứu này, giá trị ε = 5%, bao gồm ĐKĐBĐ của số đọc thực nghiệm, ĐKĐBĐ của hàm đáp ứng của hệ phổ kế CNS. Gọi 𝐻 ∗𝑚𝑖𝑛 (10) và 𝐻 ∗𝑚𝑎𝑥 (10) là giá trị tương đương liều môi trường nhỏ nhất và lớn nhất của bài toán quy hoạch tuyến tính (7). Giá trị tương đương liều môi trường ̅ ̅ trình bình, H ∗ (10), và ĐKĐBĐ, ΔH ∗ (10), có thể được xác định như sau: 𝐻 𝑚𝑎𝑥 (10) + 𝐻 ∗𝑚𝑖𝑛 (10) ∗ ̅ ∗ (10) = 𝐻 (8) 2 𝐻 ∗𝑚𝑎𝑥 (10) − 𝐻 ∗𝑚𝑖𝑛 (10) ̅ 𝛥𝐻 ∗ (10) = (9) 2 Hệ phổ kế BSS và CNS được sử dụng để xác định giá trị H*(10) của các trường chuẩn nguồn 241Am-Be, 241Am-Be (Mod20-PE) và 241Am-Be (Mod30-PE). Hệ phổ kế CNS được đo tại các khoảng cách lần lượt là 80, 100, 150, 200 và 250 cm. 3.3. Kết quả và thảo luận 3.3.1. Đặc trưng trường bức xạ nơtron 241Am-Be Kết quả xác định đặc trưng của nguồn 241Am-Be được trình bày tại Bảng. Phổ thông lượng nơtron thành phần trực tiếp của nguồn 241Am-Be được biểu diễn trên Hình 3.1. Đối với thành phần nơtron trực tiếp, giá trị tương đương liều môi trường hoàn toàn phù hợp với kết quả lý thuyết dựa trên các thông số của nguồn 241Am-Be trong tiêu chuẩn quốc tế ISO 8529-1. Hệ số chuyển đổi h*(10) gần như không đổi tại các khoảng cách khác nhau, và sai lệch 1,8% so với giá trị trong tiêu chuẩn ISO 8529-1 là 391 pSv.cm2. 11
Như vậy, hệ phổ kế CNS và phần mềm tách phổ UFCV có khả năng xác định chính xác phổ thông lượng nơtron và các đặc trưng của thành phần nơtron trực tiếp nguồn 241Am-Be. Phổ nơtron thành phần tổng cộng của nguồn 241Am-Be được xác định bằng hai phương pháp: (a) hệ phổ kế CNS và phần mềm tách phổ UFCV; (b) hệ phổ kế BSS và phần mềm tách phổ MAXED. Bảng 3.1: Đặc trưng của nguồn 241Am-Be sử dụng hệ phổ kế CNS và phần mềm tách phổ UFCV Thành phần Khoảng Thành phần tổng cộng trực tiếp cách ̅ ̃ Φ H*(10) h*(10) 𝐸 𝐸 H*(10) h*(10) (cm) (cm-2.s-1) (µSv/h) (pSv.cm-2) (MeV) (MeV) (µSv/h) (pSv.cm-2) 80 199 240.9 336 3.4 4.2 238.1 387 100 132 156.3 330 3.2 4.0 152.9 387 150 72 75.2 289 2.8 3.9 65.8 387 200 53 48.0 254 2.2 3.6 38.2 388 250 43 35.1 225 1.8 3.3 25.6 384 Hình 3.1: Phổ thông lượng nơtron trực tiếp của nguồn 241Am-Be xác định bằng hệ CNS và phương pháp tách phổ SVD 3.3.2. Đặc trưng trường bức xạ nơtron nguồn 241Am-Be làm chậm Phổ thông lượng nơtron của hai nguồn làm chậm 241Am-Be(Mod20-PE) và 241 Am-Be(Mod30-PE) tại các khoảng cách từ 80 cm đến 250 cm được xác định bằng hai phương pháp: (a) hệ phổ kế BSS và phần mềm tách phổ MAXED; (b) hệ phổ kế CNS và phần mềm tách phổ UFCV. Do phổ thông lượng nơtron xác định bằng hai phương pháp phù hợp với nhau nên chỉ kết quả xác định bằng hệ phổ kế CNS và phần mềm UFCV được biểu diễn trên Hình 3.3 và Hình 3.4. 12
Đối với mỗi nguồn làm chậm, tỉ lệ thành phần nơtron nhiệt sẽ tăng dần và tỉ lệ thành phần nơtron nhanh giảm dần khi khoảng cách với nguồn tăng. Thành phần nơtron nhanh phát ra từ nguồn làm chậm vừa suy giảm theo bình phương khoảng cách và vừa bị suy giảm do tương tác với không khí bên trong phòng. Trong khi đó, thành phần nơtron nhiệt có nguồn gốc từ nguồn và nơtron bị nhiệt hóa do tán xạ. Khi hoảng cách với nguồn tăng dần, thành phần nơtron nhiệt có nguồn góc từ nguồn làm chậm bị suy giảm nhiều hơn so với nơtron tán xạ nên đỉnh nơtron nhiệt cũng giảm khai khoảng cách với nguồn tăng. Bảng 3.2: Đặc trưng của nguồn 241Am-Be làm chậm Khoảng ̅ ̃ Φ H*(10) h*(10) 𝑬 𝑬 Nguồn cách -2 -1 -2 (cm .s ) (µSv/h) (pSv.cm ) (MeV) (MeV) (cm) 80 153 135.4 245 2.2 3.7 241 Am-Be 100 108 90.2 232 2.0 3.6 (Mod20-PE) 150 62 44.4 198 1.7 3.4 200 46 28.6 174 1.3 3.1 250 38 21.5 156 1.1 2.9 80 101.3 80.3 220 2.0 3.6 241 Am-Be 100 70.4 52.5 207 1.8 3.5 (Mod30-PE) 150 40.8 26.3 179 1.4 3.3 200 30.6 17.0 155 1.2 3.1 250 26.1 13.5 144 1.0 2.8 Hình 3.3: Phổ nơtron tổng cộng của nguồn 241Am-Be(Mod20-PE) xác định bằng hệ CNS và phương pháp tách phổ SVD 13
Hình 3.4: Phổ nơtron tổng cộng của nguồn 241Am-Be(Mod30-PE) xác định bằng hệ CNS và phương pháp tách phổ SVD Các đặc trưng của nguồn 241Am-Be làm chậm được trình bày ở Bảng 3.2. Hai hệ phổ kế BSS và CNS với hai phương pháp tách phổ MAXED và SVD khác nhau đều cho kết quả tương đương liều môi trường phù hợp với nhau. Điều này khẳng định độ tin cậy của trường chuẩn nơtron tại VKHKTHN. 3.3.3. Đặc trưng trường bức xạ nơtron nguồn 239Pu-Be Chương trình tách phổ FRUIT, MAXED và phương pháp SVD được sử dụng để tách phổ thông lượng nơtron thành phần tổng cộng của nguồn 239Pu-Be tại các khoảng cách từ 100 cm đến 300 cm. Phổ thông lượng nơtron tổng cộng nhận được bằng phương pháp SVD được biểu diễn trên Hình 3.5. Hình 3.5: Phổ thông lượng nơtron tổng cộng của nguồn 239Pu-Be sử dụng phương pháp SVD 14
Do chương trình MAXED và phương pháp SVD đều sử dụng phổ thông lượng nơtron dự đoán nên cả hai cho dạng phổ thông lượng nơtron tương tự nhau. Ở vùng năng lượng từ 1 MeV đến 10 MeV, phổ thông lượng nơtron của chương trình MAXED và phương pháp SVD có hai đỉnh tách biệt. Trong khi đó, chương trình FRUIT chỉ cho một đỉnh duy nhất tại vùng năng lượng này. Từ phổ thông lượng nơtron nhận được từ các chương trình tách phổ, các đặc trưng của trường chuẩn nơtron của nguồn 239Pu-Be có thể được tính toán và được trình bày ở Bảng 3.3. Mặc dù dạng phổ thông lượng nơtron sử dụng chương trình FRUIT khác với dạng phổ sử dụng chương trình MAXED và phương pháp SVD nhưng giá trị các đại lượng đặc trưng cho trường chuẩn nơtron giữa các phương pháp khá phù hợp với nhau. Tại mỗi khoảng cách, giá trị trung bình nhận được từ các phương pháp tách phổ khác nhau có thể được coi là giá trị chuẩn của trường bức xạ. Bảng 3.3: Đặc trưng trường chuẩn nơtron thành phần tổng của nguồn 239Pu-Be Khoảng Φ H*(10) h*(10) ̅ 𝑬 ̃ 𝑬 cách Phần mềm (cm-2.s-1) (µSv/h) (pSv.cm2) (MeV) (MeV) (cm) FRUIT 41.3 44.5 299 2.6 3.6 MAXED 41.2 44.6 301 2.2 3.0 100 SVD 42.9 45.4 294 2.4 3.4 Trung bình 41.8 44.9 298 2.4 3.3 FRUIT 23.5 21.6 256 1.8 2.8 MAXED 24.9 23.0 257 1.8 2.9 150 SVD 26.2 23.2 245 1.8 3.0 Trung bình 24.9 22.6 252 1.8 2.9 FRUIT 18.0 15.0 231 1.5 2.7 MAXED 19.1 16.9 247 1.7 2.8 200 SVD 20.1 15.9 219 1.4 2.5 Trung bình 19.1 15.9 232 1.5 2.7 FRUIT 15.0 11.1 206 1.1 2.2 MAXED 15.9 13.2 230 1.5 2.7 250 SVD 16.9 12.8 211 1.2 2.4 Trung bình 15.9 12.4 215 1.3 2.4 FRUIT 11.8 7.2 170 0.6 1.4 MAXED 12.5 8.5 188 0.8 1.8 300 SVD 13.4 8.6 177 0.7 1.4 Trung bình 12.6 8.1 178 0.7 1.5 Từ sự phụ thuộc của giá trị tương đương liều môi trường của thành phần nơtron tổng vào khoảng cách tới nguồn, giá trị chuẩn của thành phần nơtron trực tiếp có 15
thể suy ra bằng cách áp dụng phương pháp khớp hàm theo tiêu chuẩn ISO 8529-2. Giá trị H*(10) chuẩn của thành phần nơtron trực tiếp có thể được sử dụng để hiệu chuẩn các thiết bị đo liều nơtron theo bộ tiêu chuẩn ISO 8529. Do đóng góp về tương đương liều môi trường của nơtron tán xạ chiếm hơn 40% tại khoảng cách lớn hơn 200 cm nên việc hiệu chuẩn các thiết bị đo liều môi trường theo tiêu chuẩn ISO 8529 chỉ có thể được thực hiện ở khoảng cách nhỏ hơn 200 cm. Bảng 3.4: Đặc trưng trường chuẩn nơtron thành phần trực tiếp của nguồn 239Pu-Be Khoảng cách Φ H*(10) h*(10) -2 -1 (cm) (cm .s ) (µSv/h) (pSv.cm2) 100 31.7 39.9 349 150 14.1 17.7 349 200 7.9 10.0 349 250 5.1 6.4 349 300 3.5 4.4 349 Hệ số chuyển đổi thông lượng sang tương đương liều môi trường của thành phần nơtron trực tiếp của nguồn 239Pu-Be có giá trị h*(10) = 349 pSv.cm2. Giá trị này phù hợp với giá trị 366 pSv.cm2 được công bố bởi IAEA TRS318.Trong khi đó, đối với nguồn có kích thước điểm, hệ số chuyển đổi h*(10) là 395 pSv.cm2. Do đó, kết quả của nghiên cứu này giúp khẳng định thêm đối với nguồn chuẩn nơtron 239Pu-Be có kích thước, hệ số chuyển đổi thông lượng sang tương đương liều môi tường có giá trị nhỏ hơn đáng kể so với nguồn có kích thước điểm. Do có đặc trưng khác nhau, trường chuẩn nơtron nguồn 239Pu-Be sẽ bổ sung cho trường chuẩn nguồn 241Am-Be trong việc hiệu chuẩn thiết bị đo liều nơtron cầm tay. Mặc dù sự khác nhau giữa trường chuẩn nguồn 239Pu-Be và nguồn 241Am-Be kém hơn sự khác nhau giữa trường chuẩn nguồn 241Am-Be và các nguồn 241Am-Be làm chậm bằng quả cầu polyethylene, nhưng nguồn 239Pu-Be vẫn được sử dụng tại một số phòng thí nghiệm nên có thể thực hiện được so sánh liên phòng. 3.4. Kết luận chương Chương này đã trình bày kết quả áp dụng hệ phổ kế CNS và phần mềm tách phổ UFCV để xác định phổ thông lượng nơtron và các đặc trưng của trường chuẩn nơtron của nguồn 241Am-Be, các nguồn 241Am-Be làm chậm, và nguồn 239Am-Be theo tiêu chuẩn ISO 8529 và ISO 12789. Cả 3 chương trình tách phổ được sử dụng (UFCV, FRUIT và MAXED) đều cho kết quả phù hợp với nhau. Điều này khẳng định thêm độ tin cậy của các giá trị chuẩn của trường chuẩn bức xạ nơtron đã được thiết lập. Bên cạnh đó, phương pháp quy hoạch tuyến tính được sử để xác định giá trị tương đương liều môi trường của các nguồn nơtron 241Am-Be và các nguồn làm chậm bằng số đọc của hệ phổ kế CNS và hệ phổ kế BSS. Giá trị H*(10) nhận được 16