Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-P-1.24 TÍNH TOÁN VÀ ĐO ĐẠC SUẤT LIỀU CHIẾU TẠI CÁC KHU VỰC KIỂM SOÁT CỦA MÁY GIA TỐC CHÙM TIA ĐIỆN TỬ UELR-10-15S2 TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ BỨC XẠ Nguyễn Anh Tuấn1,2, Trần Văn Hùng2, Cao Văn Chung2, Nguyễn Hoàng Hải2 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên ĐHQG-HCM Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ Email: tuanhoang666@yahoo.com TÓM TẮT Nhằm cung cấp số liệu suất liều khu vực kiểm soát máy gia tốc chùm tia điện tử UELR-10-15S2 cho việc đánh giá an toàn xạ, phương pháp tính xấp xỉ mô MCNP sử dụng kết hợp với đo liều Fricke khu vực liều cao đo TLD khu vực liều thấp Tại khu vực liều cao buồng chiếu, phòng ống gia tốc dọc theo đường băng tải, kết từ phương pháp tính có phù hợp tốt với kết đo liều Fricke Tại khu vực suất liều thấp, phương pháp tính đo mang ý nghĩa định tùy thuộc vào mục đích tính toán đo đạc Với phương pháp xấp xỉ, suất liều tính cho trường hợp cực đoan nhất, nghĩa toàn lượng chùm electron 10 MeV chuyển thành lượng chùm xạ hãm, kết thu phòng điều khiển 6,0 Sv/h khu nạp – dỡ hàng 1,0 (Sv/h), phù hợp với tiêu chuẩn ICRP Chương trình MCNP áp dụng tính toán suất liều không bao gồm phông, kết thu điểm bên buồng chiếu 10-4 (Sv/h) Liều kế TLD sử dụng để đo tích lũy tháng (bao gồm phông) thu kết từ 0,3  0,7 Sv/h, giá trị với phông phóng xạ môi trường Từ khóa: Máy gia tốc, an toàn xạ GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Máy gia tốc UELR-10-15S2 thuộc hệ máy gia tốc tuyến tính (LINAC) [1] sử dụng sóng RF để gia tốc chùm electron đến lượng 10 MeV, công suất cực đại 15 kW Hệ thống nam châm quét lái chùm tia thiết kế đặc biệt cho phép quét hai mặt lên sản phẩm chiếu xạ Với đặc điểm hai đầu quét, suất liều khu vực kiểm soát bên buồng chiếu quét hai mặt cao nhiều so với quét mặt Ngoài ra, đầu quét có khả gây hiệu ứng skyshine cho khu vực xung quanh Vì cấu trúc bê tông tính toán, thiết kế xây dựng để che chắn tốt trình truyền qua tán xạ chùm xạ hãm Cấu trúc bê tông che chắn phóng xạ hình (1): Khu nạp – dỡ hàng (2): Phòng điều khiển (3): Phòng Modulator (4): Buồng chiếu xạ (5): Phòng ống gia tốc (6): Bê tông Hình Cấu trúc bê tông che chắn phóng xạ máy gia tốc UELR-10-15S2 [2] ISBN: 978-604-82-1375-6 236 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM PHƯƠNG PHÁP TÍNH VÀ THỰC NGHIỆM ĐO LIỀU Lý thuyết xấp xỉ Giả sử nguồn photon bất đẳng hướng, lượng 10 MeV đặt đầu chiếu máy gia tốc UELR-1015S2 với suất liều vị trí nguồn 1,5x109 Sv/h, bên buồng chiếu nhận suất liều hai đường photon truyền qua lớp bê tông chùm photon tán xạ nhiều lần theo đường băng tải Tính toán truyền qua Suất liều bên buồng chiếu tính theo luật suy giảm bình phương khoảng cách suy giảm theo chiều dày vật liệu che chắn Gọi suất liều bia P0 [Sv.m2kW-1h-1], suất liều P0 tính cho công suất chùm electron 15 kW: P0 = 15x104x104 = 1,5x109 [Sv.m2/h], với  = 900 (2.1) P0 = 15x2,8x105x104 = 4,2x1010 [Sv.m2/h], với  = 00 (2.2) Suất liều bên buồng chiếu P1 [Sv/h] giảm theo bình phương khoảng cách R [m]: P1 = P0 R2 (2.3) Suất liều bên buồng chiếu P2 [Sv/h] suy giảm theo hệ số che chắn K: P2 = P1.K (2.4) Hệ số che chắn K xác định theo bề dày suy giảm 10 lần (Tenth-Value-Layer, TVL): -X K = 10 TVL (2.5) Trong đó, X [cm]: bề dày vật liệu che chắn; TVL [cm]: bề dày suy giảm 10 lần Giá trị TVL phụ thuộc vào lượng xạ, bề dày đặc trưng vật liệu che chắn [3] Tính toán tán xạ Chùm photon lượng 10 MeV sau tán xạ lần thứ lên bê tông lượng 0,5 MeV tán xạ lần hai 0,3 MeV, giản đồ xác định đường chùm tia tán xạ cho hình Hình Giản đồ chùm tia tán xạ nhiều lần [4] Suất liều chiếu tán xạ lần thứ PS1 [Sv/h] xác định theo công thức sau: PS1 = P(R,  ) α(θ1 , θs , E) S1 [Sv/h] RS21 (2.6) Trong đó, RS1 [m]: khoảng cách từ mặt tán xạ S1 đến mặt tán xạ S2; P(R,  ): suất liều trung bình điểm xạ hãm, chiếu bề mặt tán xạ S1 xác định theo luật bình phương khoảng cách; R [m]: khoảng cách từ nguồn đến bề mặt tán xạ S1; α(θ1 , θs , E) : hệ số tán xạ, chiếu mặt tán xạ S1 góc  phụ thuộc vào lương xạ hãm ISBN: 978-604-82-1375-6 237 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Suất liều chiếu tán xạ lần thứ hai PS2 [Sv] xác định theo công thức: PS2 = P(R1, θ1 ) α1.S1 / R S1.α S2 / R S2 [Sv/h] 2 (2.7) Trong đó, RS2 [m]: khoảng cách từ bề mặt tán xạ S2 đến bề mặt tán xạ S3; P(R1, θ1 ) [Sv/h]: suất liều trung bình điểm xạ hãm, chiếu bề mặt tán xạ S2;  =  ( , s , E) : hệ số tán xạ lần hai, chiếu mặt tán xạ S2 góc  Mô MCNP [5] Gốc tọa độ tính MCNP chọn vị trí thẳng đứng chùm electron mặt sàn Trục Ox đặt song song với chiều quét chùm tia “scanning horn”, trục Oy vuông góc với “scanning horn”, trục Oz thẳng đứng, hướng lên Các mặt ô định nghĩa theo tọa độ hệ trục Oxyz để mô tả vật chất cấu thành buồng chiếu xạ Mặt cắt vuông góc với trục Oz tầng tầng hai minh họa qua hình Nguồn electron từ hai đầu phát ngược chiều mô tả MCNP dạng hai nguồn phát đẳng hướng Cả hai đầu phát electron chiếu trực tiếp vào hàng hóa (thực phẩm đông lạnh mật độ 0,4 g/cm3) sinh chùm xạ hãm 0,0,30 0,0,12 Hình Mặt cắt vuông góc Oz theo MCNP Khi sử dụng MCNP để tính toán suất liều bên buồng chiếu có giá trị thấp, sai số thống kê vấn đề khó khăn cần nghiên cứu tất kĩ thuật tăng số thông kê Số thống kê hiển nhiên tỉ lệ với thời gian chạy máy, thật tốn thời gian tiền bạc để giải vấn đề sai số thống kê việc tăng thời gian chạy máy Nhằm tiết kiệm thời gian chạy máy mà đáp ứng số thông kê, nhóm tác giả khai thác công cụ giảm sai số bao gồm: tăng độ quan trọng (imp) cho điểm tính, tối ưu hóa bán kính detector bao quanh điểm tính tối ưu hóa không gian vật chất Thực nghiệm đo liều Theo kết tính toán, suất liều buồng chiếu cao (từ 106  108 Sv/h) suất liều bên buồng chiếu có gia trị thấp (bằng phông môi trường) nên buồng chiếu đo liều kết Fricke liều kế TLD đo bên buồng chiếu Đo suất liều bên buồng chiếu * Thiết bị đo: - Liều kế Fricke: Dung dịch gồm (NH4)2 Fe (SO4)2 x H2O, NaCl, H2SO4 nước cất, chuẩn theo tiêu chuẩn ISO/ASTM [6],   g/cm3 Dải liều áp dụng từ 20 đến 400 Gy Độ xác:  % - Hệ đo: sử dụng hệ đo quang phổ JACCO V-630 [7] * Các bước tiến hành: phép đo liều bên buồng chiếu tiến hành theo bước sau: - Phân tích số liệu tính toán, ISBN: 978-604-82-1375-6 238 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM - Tính toán thời gian đặt liều kế, cài đặt liều kế điểm tính toán Đo suất liều bên buồng chiếu * Thiết bị đo: - Liều kế TLD: tinh thể LiF:MCP, quãng lượng: 4-10000 keV, độ cứng hóa: %/năm - Hệ đo: Mã hiệu máy (Model): RE-2000S, số Seri: 1502050010 Hãng, nước sản xuất: Đức Năm sản xuất: 2009 Sai số phép đo: 7% Ngưỡng nhạy dưới: 50 nGy * Các bước tiến hành: - Phân tích số liệu tính toán, - Tính thời gian đặt liều kế: theo số liệu tính toán, suất liều bên buồn chiếu nằm khoảng 0,5  100 Sv/h, thời gian cài đặt liều kế 30 ngày (thời gian thực) KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN Kết tính toán đo đạc tầng Phân bố điểm tính toán đo suất liều tầng máy gia tốc UELR-10-15S2 cho hình Hình Phân bố điểm tính đo suất liều tầng Kết tính toán đo đạc cho bảng Bảng Kết tính toán đo đạc tầng Điểm Lý thuyết Tính MCNP Đo thực nghiệm D (Sv/h) D (Sv/h)  D (Sv/h)  2,6E+08 4,2E+08 0,04 1,3E+08 0,03 5,5E+06 6,9E+06 0,05 2,2E+06 0,03 1,5E+04 3,2E+04 0,08 3,2E+04 0,03 6,4E+00 1,4E-03 0,15 4,9E-01 0,07 4,2E+06 4,4E+06 0,02 9,0E+05 0,03 2,0E+00 1,3E-03 0,18 4,5E-01 0,07 4,3E-03 2,5E-04 0,24 3,5E-01 0,07 ISBN: 978-604-82-1375-6 239 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Trong bảng 1, kết tính theo lý thuyết cho nguồn photon 10 MeV, tính từ MCNP không bao gồm phông, điểm 4, đo TLD, điểm lại đo liều kế Fricke Kết tính toán đo đạc tầng hai Các điểm tính đo suất liều tầng hai xác định theo hình Hình Phân bố điểm tính đo suất liều tầng hai Kết thu từ phương pháp tính phép đo liều tầng hai máy gia tốc trình bày bảng Bảng Kết tính toán đo đạc suất liều tầng hai Điểm Lý thuyết Tính MCNP Đo thực nghiệm D (Sv/h) D (Sv/h)  D (Sv/h)  4,3E+07 4,6E+07 0,03 1,1E+07 0,03 8,6E+06 6,4E+06 0,04 1,6E+06 0,03 10 2,3E+04 9,4E+03 0,12 2,8E+4 0,03 11 2,5E+00 2,6E-03 0,12 3,5E-01 0,07 12 1,0E+00 5,3E+00 0,06 1,5E+00 0,07 13 - 6,8E-01 0,09 6,2E-01 0,07 Bảng thể kết xác định suất liều vị trí trọng yếu tầng máy gia tốc UELR-1015S2 Các điểm buồng chiếu (8, 10) có phù hợp tốt phương pháp tính đo đạc vị trí có suất liều cao không chịu ảnh hưởng trình tương tác Sự sai khác kết tính toán mô MCNP điểm bên buồng chiếu giả thiết lượng chùm photon khác nhau, sai khác giữ MCNP so với TLD MCNP không tính đến phông phóng xạ môi trường Kết tính toán đo đạc buồng chiếu Trên buồng chiếu, suất liều xác định vị trí ống thông gió (điểm 15) vị trí chiếu thẳng tới đầu phát chùm electron (điểm 14) Kết tính đo suất liều buồng chiếu trình bày bảng Bảng Kết tính đo suất liều buồng chiếu Điểm 14 ISBN: 978-604-82-1375-6 Lý thuyết Tính MCNP Đo thực nghiệm D (Sv/h) D (Sv/h)  D (Sv/h)  4,3E+01 8,3E+01 0,10 1,8E+01 0,07 240 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 15 6,1E+02 4,2E+02 0,06 2,47E+02 0,07 Điểm 14 15 buồng chiếu vị trí có suất liều cao so với điểm bên buồng chiếu, đặc biệt phát chùm tia thẳng đứng, hướng lên Với suất liều cao có hướng thẳng đứng buồng chiếu có khả tạo hiệu ứng skyshine, nhiên theo tính toán suất liều gây hiệu ứng skyshine thấp ( 10-3 Sv/h) Đánh giá an toàn xạ thiết bị vận hành Để đánh giá an toàn xạ cho nhóm đối tượng làm việc bên thiết bị chiếu xạ, cần so sánh đối chiếu suất liều nơi làm việc thời gian làm việc nhóm với liều lượng phép giới hạn theo tiêu chuẩn ICRP [8] Suất liều khu vực làm việc nhóm đối tượng so với tiêu chuẩn ICRP cho bảng Bảng So sánh suất liều thực tế với tiêu chuẩn ICRP Nhóm đối tượng Điểm Suất liều thực, (Sv/h) Tiêu chuẩn ICRP, (Sv/h) 0,49  0,07 6,0 0,45  0,07 6,0 11 0,35  0,07 6,0 12 1,5  0,07 6,0 13 0,62  0,07 6,0 0,35  0,07 0,12 Nhân viên xạ Nhân viên tạp vụ, khách vãng lai Trong bảng 4, suất liều thực đo tích lũy liều kế TLD kết đo bao gồm phông phóng xạ môi trường Đối với nhân viên xạ làm việc khu vực xác định bảng 4, suất liều thực tế (bằng phông, ngoại trừ điểm 12) thấp bậc so với tiêu chuẩn khuyến cáo ICRP, hiển nhiên khu vực làm việc an toàn cho nhân viên xạ Tại khu vực bên buồng chiếu tính từ cửa vào băng tải (điểm 7) tới khu vực nạp dỡ hàng, suất liều đo TLD phông môi trường kết từ MCNP không tính phông 2,5x10-4 (Sv/h) thấp ba bậc so với phông Từ kết tính đo cho thấy suất liều bên buồng chiếu máy gia tốc vận hành không đáng kể (0,1 % phông), nên khu vực làm việc nhân viên nạp – dỡ hàng, nhân viên tạp vụ khách vãng lai không chịu ảnh hưởng xạ thiết bị vận hành Khu vực cảnh báo xạ Ngoài khu vực làm việc thường xuyên nhân viên xạ, nhân viên nạp – dỡ hàng, khách vãng lai xác định an toàn số khu vực suất liều cao cần có cảnh báo xạ Khu vực xác định suất liều cao buồng chiếu, đặc biệt phát chùm tia từ hướng thẳng lên Bảng điểm có suất liều cao thời gian làm việc tối đa cần khắc phục cố Bảng Suất liều thời gian làm việc tối đa buồng chiếu Điểm Suất liều (Sv/h) Thời gian làm việc tối đa (h) 14 18, 2,7 15 247,0 0,2 Theo bảng 5, điểm 14 nhân viên xạ phép làm việc khoảng thời gian 2,7 giờ, điểm 15 phép làm việc 0,2 Tuy nhiên, với đặc trưng máy gia tốc cho phép tắt – mở chùm tia theo ý muốn nên trường hợp có cố độc lập với hệ điều khiển, người vận hành chủ động tắt chùm tia để khắc phục cố Trong thời gian chiếu xạ, cần có biển cảnh báo xạ cầu thang lên buồng chiếu nghiêm cấm việc leo lên buồng chiếu thiết bị vận hành KẾT LUẬN Phương pháp xấp xỉ lý thuyết sử dụng để tính toán thiết kế che chắn an toàn cho hệ máy gia tốc, phương pháp tính trường hợp cực đoan toàn chùm xạ hãm có lượng cực đại 10 MeV Kết thu khu vực làm việc nhân viên vận hành có suất liều từ 2,0  6,0 Sv/h, khu vực nạp – dỡ hàng, khách vẵng lai có suất liều 10-3 Sv/h Các kết nàm giới hạn cho phép ICRP Phương pháp mô với công cụ chương trình MCNP mô tả lại toàn cấu trúc bê tông che chắn, vị trí phát chùm tia electron vật liệu hấp thụ electron sinh xạ hãm Toàn trình tương tác ISBN: 978-604-82-1375-6 241 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM trình vật lý khác MCNP mô tả dựa theo lý thuyết xác suất, từ chương trình cung cấp tiện ích cho phép tính suất liều bên buồng chiếu Kết thu từ MCNP không bao gồm phông phóng xạ môi trường, điểm bên buồng chiếu có suất liều 10-4 Sv/h, thấp từ ba bậc so với phông với sai số 20 % Để có sở vững cho việc đánh giá an toàn xạ, phương pháp đo liều tích lũy (gồm phông) liều kế TLD điểm bên buồng chiếu sử dụng Kết cho thấy suất liều khu vực làm việc nhân viên xạ, khu nạp – dỡ hàng ngang mức phông môi trường Điều chứng tỏ đóng góp xạ thiêt bị vận hành không đáng kể hoàn toàn nằm giới hạn cho phép ICRP Ngoài ra, nhóm thực đề tài tính toán đo đạc suất liều vị trí liều cao bao gồm buồng chiếu, dọc đường băng tải, phòng ống gia tốc Kết cho thấy có phù hợp tốt (sai khác 10 %) phương pháp tính đo liều tích lũy liều kết Fricke Đề tài tính toán, đo đạc suất liều buồng chiếu nơi xạ thoát theo đường thông gió nhằm thiết lập khu vực cảnh báo khuyến cáo thời gian làm việc khu vực đặc biệt nguy hiểm CALCULATION AND MEASUREMENT DOSE RATE AT THE CONTROL AREA OF ELECTRON BEAM ACCELERATOR UELR-10-15S2 AT RESEARCH AND DEVELOPMENT CENTER FOR RADIATION TECHNOLOGY Nguyễn Anh Tuấn1,2, Trần Văn Hùng2, Cao Văn Chung2, Nguyễn Hoàng Hải2 Research and Development Center for Radiation Technology Email: tuanhoang666@yahoo.com ABSTRACT In order to provide data on the dose rate at the control area of electron beam accelerator UELR10-15S2 for assessing radiation safety, the approximation method and MCNP simulation were used combined with Fricke dosimetry at high dose area and TLD dosimetry at low dose area At the high dose area: inside the irradiation room, accelerator room and along the conveyor, the results of the calculation methods are good agreed with the results of Fricke dosimeters At the low dose rate, they were calculated for the most extreme cases (10 MeV bremsstrahlung energy) by approximation method; the results are Sv/h at the control room and 1.0 at the product loading – unloading MCNP code was applied to calculation dose rate without natural radioactive background, and the results outside irradiation room 10-4 Sv/h TLD dosimeters were used to accumulated measure in a month (including background) and the results obtained from 0.3 to 0.7 Sv/h, these values are equal to radioactive background Keyword: Accelerator, radiation safety TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jean-Luc Biarrotte, RF Cavities for Particle Acceleration, CNRS/IPN Orsay, 2009 [2] Corad service, Preliminary Calculation of Radiation Shielding for Electron Beam System Deliverred Under Contract No 01/12-08-2, St Petertburg, Russia, 2009 [3] IAEA, Radiological Safety Aspects of the Operation of Electron Linear Accelerators, Technical Reports Series 188, 1979 [4] NCRP, Radiation Protection Design Guidelines for 0.1-100 MeV Particle Accelerator Facilities, National Council on Radiation and Measurements No.51, 1997 [5] Los Alamos National Laboratory, Monte Carlo N-Partical Code System, Los Alamos, New Mexico, 2000 [6] ASTM, Standards practice for using the Fricke Reference-Standard dosimetry system, Standards on dosimetry for radiation processing, ASTM (2 nd edition), pp 261-268, 2004 [7] www.jascoint.co.jp [8] ICRP, The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection, Annals of the ICRP Publication 103, 2007 ISBN: 978-604-82-1375-6 242