Nghiên cứu phân bố liều nơtron do nguồn 252cf trong phantom thủy tinh hữu cơ - Nguyễn Hoàng

TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 09 - 2018 ISSN 2354-1482 123 NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ LIỀU NƠTRON DO NGUỒN 252CF TRONG PHANTOM THỦY TINH HỮU CƠ Nguyễn Hoàng1 Nguyễn Văn Hải2 Phạm Xuân Hải3 TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, phân bố liều nơtron từ nguồn 252Cf trong phantom thủy tinh hữu cơ được xác định. Bên cạnh đó, thí nghiệm đo truyền qua với vật liệu thủy tinh hữu cơ và thí nghiệm đo suy giảm liều theo khoảng cách cũng được tiến hành nhằm so sánh và lý giải kết quả thu được trong thí nghiệm đo phân bố liều nơtron. Các kết quả thu được cho thấy thành phần liều gây bởi hiệu ứng tán xạ của nơtron với vật liệu phía sau liều kế có đóng góp vào liều tổng cộng tới 25%. Từ khóa: Phân bố liều nơtron, thủy tinh hữu cơ, 252Cf I. Giới thiệu Phân bố liều nơtron trong vật chất có vai trò quan trọng trong các phân tích an toàn [1]. Bên cạnh đó, số liệu thực nghiệm về phân bố liều nơtron cũng rất cần thiết trong nghiên cứu đặc tính của vật liệu. Nghiên cứu phân bố liều nơtron trong một số vật liệu khác nhau đã được tiến hành bằng phương pháp mô phỏng [2], tuy nhiên số liệu thực nghiệm còn thiếu và chưa đầy đủ. Thủy tinh hữu cơ và nguồn nơtron phân hạch 252Cf là các đối tượng được sử dụng rất phổ biến phục vụ nhiều mục đích khác nhau như chuẩn liều cho thiết bị, nghiên cứu đặc trưng của thiết bị cũng như mục đích đào tạo. Tuy vậy, số liệu thực nghiệm về phân bố liều nơtron trong thủy tinh hữu cơ còn chưa đầy đủ. Nghiên cứu này tiến hành đo phân bố liều nơtron trong thủy tinh hữu cơ với nguồn 252Cf đặt trong buồng chứa parafin có chuẩn trực nón [3]. Kết quả nhận được có thể được giải thích thỏa đáng trên cơ sở lý thuyết tương tác của nơtron với vật chất. Đóng góp của thành phần tán xạ gây bởi vật liệu thủy tinh hữu cơ tới liều tổng cộng cũng được trình bày. II. Thí nghiệm Các thí nghiệm trong nghiên cứu này được thực hiện với nguồn 252Cf [4] của Trung tâm Đào tạo – Viện Nghiên cứu hạt nhân. Nguồn có hoạt độ 429 MBq tại thời điểm sản xuất (19/05/2011), tương ứng với cường độ phát nơtron ~5.107 n/s. Với chu kỳ bán rã 2,65 năm, cho tới thời điểm tiến hành thí nghiệm, cường độ phát nơtron của nguồn đạt 1,023.107 n/s. Liều nơtron được đo bằng liều kế cá nhân đo nơtron PDM-313 của hãng Aloka [5]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành 4 thí nghiệm, lần lượt được mô tả sau đây. Trong cả bốn thí nghiệm, chúng tôi sử dụng các tấm thủy tinh hữu cơ có kích thước 20 cm x 20 cm x 1 cm. Bề 1Trường Đại học Đà Lạt Email: hoang29nvl@gmail.com 2Trường cao đẳng nghề Đà Lạt 3 Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 09 - 2018 ISSN 2354-1482 124 dày lớp thủy tinh hữu cơ được thay đổi bằng cách thay đổi số tấm thủy tinh hữu cơ. Để cố định vị trí của của liều kế cũng như để đặt liều kế trong không gian nằm giữa các tấm thủy tinh hữu cơ, một tấm thủy tinh hữu cơ đặc biệt được chế tạo để đặt liều kế. Tấm thủy tinh này được khoét một lỗ rỗng ở giữa để đặt liều kế. Hình ảnh mô tả cách bố trí một cấu hình thực nghiệm được đưa ra trong hình 1. Hình 1: Bố trí các tấm thủy tinh hữu cơ và liều kế trong thí nghiệm 1. Thí nghiệm đo suy giảm theo khoảng cách Hình 2 mô tả cách bố trí thí nghiệm đo liều nơtron suy giảm theo khoảng cách. Suất liều được xác định bằng giá trị trung bình của ba phép đo, mỗi phép đo kéo dài 20 phút. Trong thí nghiệm này, liều kế được cố định ở sát mép bàn chiếu. Để đo liều nơtron với các khoảng cách tới nguồn khác nhau, ta tiến hành dịch chuyển liều kế trên bàn chiếu ra xa dần như minh họa trong hình 2. Khoảng cách gần nhất từ liều kế tới nguồn được đo là 61 cm và khoảng cách xa nhất từ liều kế tới nguồn được đo là 79 cm. Kết quả thu được của thí nghiệm cho ta giá trị suất liều nơtron tương ứng với các khoảng cách từ nguồn tới liều kế từ 61 cm tới 79 cm. Hình 2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo liều nơtron theo khoảng cách 2. Thí nghiệm đo truyền qua Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo nơtron truyền qua được trình bày trong hình 3. Trong thí nghiệm này, bàn chiếu được đặt cố định ở khoảng cách 61 cm tới nguồn. Phép đo đầu tiên sẽ xác định lại giá trị suất liều nơtron ở khoảng cách 61 cm so với nguồn khi không có vật liệu nào đặt ở giữa. Với các phép đo tiếp theo, lần lượt bổ sung các tấm thủy tinh hữu cơ vào giữa nguồn và liều kế, đồng thời dịch liều kế lùi ra một khoảng tương ứng. Ví dụ, sau khi bổ sung 5 tấm thủy tinh hữu cơ vào giữa nguồn và liều kế, thì khoảng cách từ liều kế tới nguồn là 61 + 5 = 66 cm. Giá trị suất liều tại mỗi vị trí được xác định bằng cách lấy trung bình giá trị đo trong 3 lần, mỗi lần kéo dài 20 phút. Sau thí nghiệm ta thu được giá trị liều nơtron ở các khoảng cách tới nguồn khác nhau từ 61 cm tới 79 cm, tương TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 09 - 2018 ISSN 2354-1482 125 ứng với bề dày thủy tinh hữu cơ giữa đầu dò và nguồn nơtron tăng dần từ 0 cm tới 18 cm. Hình 3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo nơtron truyền qua 3. Thí nghiệm đo phân bố liều trong thủy tinh hữu cơ Hình 4 mô tả sơ đồ bố trí thí nghiệm phân bố liều nơtron trong thủy tinh hữu cơ. Trong thí nghiệm này, bàn chiếu được đặt cố định trên ray. 18 tấm thủy tinh hữu cơ được đặt sát nhau trên bàn chiếu. Khoảng cách từ tấm gần nhất tới nguồn là 61 cm và tấm xa nhất tới nguồn là 79 cm. Ta có thể coi như đây là một phantom thủy tinh hữu cơ có bề dày 18 cm. Để đo liều nơtron tại các vị trí khác nhau theo bề dày trong phantom, tấm thủy tinh hữu cơ đặc biệt được đặt vào các vị trí thích hợp như mô tả trong hình 1. Giá trị suất liều tại mỗi vị trí được xác định bằng cách lấy trung bình giá trị đo trong 3 lần, mỗi lần kéo dài 20 phút. Như vậy, sau thí nghiệm này ta thu được liều nơtron ở các khoảng cách tới nguồn từ 61 cm tới 79 cm với bề dày thủy tinh hữu cơ giữa liều kế với nguồn tăng dần từ 1 cm tới 17 cm và bề dày thủy tinh hữu cơ phía sau liều kế giảm dần từ 17 cm tới 1 cm. Hình 4: Bố trí thí nghiệm đo liều trong thủy tinh hữu cơ 4. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng ảnh hưởng của thành phần tán xạ phía sau liều kế Trong thí nghiệm này, liều kế được đặt cách nguồn một khoảng bằng 61 cm như minh họa trong hình 2. Phía sau liều kế ta đặt các tấm thủy tinh hữu cơ. Ứng với mỗi bề dày thủy tinh hữu cơ, suất liều nơtron được xác định. Giá trị suất liều tại mỗi vị trí được xác định bằng cách lấy trung bình giá trị đo trong 3 lần, mỗi lần kéo dài 20 phút. Như vậy trong thí nghiệm này, ta thu được giá trị suất liều ứng với bề dày thủy tinh hữu cơ phía sau liều kế từ 1 cm tới 18 cm. III. Kết quả và thảo luận Phân bố liều nơtron trong thủy tinh hữu cơ Kết quả thu được từ ba thí nghiệm 1, 2 và 3 được đưa ra trong hình 5 và bảng 1. TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 09 - 2018 ISSN 2354-1482 126 Hình 5: Kết quả đo phân bố suất liều nơtron trong thủy tinh hữu cơ (tam giác), nơtron truyền qua vật liệu thủy tinh hữu cơ (vuông) và suy giảm suất liều nơtron theo khoảng cách trong không khí (thoi) Bảng 1: Bảng giá trị suất liều nơtron trong các thí nghiệm Khoảng cách đến nguồn (cm) Đo suất liều nơtron theo khoảng cách (Sv/h) Đo truyền qua thủy tinh hữu cơ (Sv/h) Đo phân bố trong thủy tinh hữu cơ (Sv/h) 61 245 245 307 62 238 245 307 63 230 221 270 64 223 209 258 65 216 196 245 66 210 172 209 67 204 172 196 68 198 160 172 69 191 160 147 70 187 147 135 71 182 135 135 72 177 123 123 73 172 110 123 74 167 98 110 75 162 98 98 76 158 86 86 77 155 74 86 78 150 61 73 79 146 61 61 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 09 - 2018 ISSN 2354-1482 127 Số liệu trong thí nghiệm đo suy giảm liều nơtron theo khoảng cách trong không khí được biểu diễn bằng các điểm hình thoi. Số liệu đo nơtron truyền qua vật liệu thủy tinh hữu cơ được biểu diễn bằng hình vuông. Số liệu đo phân bố liều nơtron trong thủy tinh hữu cơ được biểu diễn bằng hình tam giác. Ta gọi phân bố liều nơtron theo khoảng cách từ vị trí đo tới nguồn trong ba thí nghiệm trên lần lượt là f1(r), f2(r), f3(r). Dễ thấy f1(r) có thể biểu diễn như sau: Với A là suất liều tại vị trí . là khoảng cách gần nhất từ nguồn mà suất liều được tiến hành đo. Trong nghiên cứu này cm. Trong thí nghiệm hai, phân bố liều nơtron thu được bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng truyền qua, và do đó có thể mô tả theo biểu thức sau đây: Với là hệ số suy giảm nơtron trong vật liệu thủy tinh hữu cơ, và là thành phần liều gây bởi các nơtron tán xạ vào vật liệu thủy tinh hữu cơ đặt trước liều kế. Trong thí nghiệm thứ 3, liều tổng cộng thu được được đóng góp bởi các thành phần như trong thí nghiệm thứ hai cộng thêm thành phần gây bởi các nơtron tán xạ lên lớp vật liệu phía sau liều kế. Ta gọi thành phần này là , và có thể được biểu diễn như sau: Quan sát hình 5, ta thấy rằng, do ảnh hưởng của hiệu ứng suy giảm luôn nhỏ hơn trên toàn bộ vùng khảo sát. So sánh giữa và , trong khoảng từ cm, lớn hơn . Trong khi đó liều và tương đương nhau trong khoảng cm. Hiện tượng này có thể được lý giải như sau. Trong vùng bề dày lớp thủy tinh hữu cơ phía sau liều kế lớn, do đó , thành phần này đóng góp liều lớn hơn thành phần liều bị mất đi do hiệu ứng suy giảm trong thủy tinh hữu cơ. giảm dần khi bề dày lớp vật liệu phía sau liều kế giảm dần. Với việc lớn hơn trong khoảng cm và tiến tới tương đương nhau trong khoảng cm. Ta có thể nhận thấy rằng thành phần liều do nơtron tán xạ với vật liệu phía sau liều kế chỉ đáng kể khi bề dày thủy tinh hữu cơ phía sau liều kế lớn hơn 12 cm. Đóng góp của thành phần tán xạ với vật liệu phía sau vào suất liều tổng TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 09 - 2018 ISSN 2354-1482 128 cộng trong trường hợp cực đại có thể lên tới 25%. Đánh giá chiều dày bão hòa của thủy tinh hữu cơ phía sau liều kế trong trường hợp tán xạ một lần. Kết quả của các thí nghiệm 1, 2 và 3 đã đi tới kết luận, thành phần liều do nơtron tán xạ với vật liệu phía sau liều kế chỉ đáng kể khi bề dày thủy tinh hữu cơ lớn hơn 12 cm. Tuy nhiên kết luận này chỉ đúng trong trường hợp liều kế được đặt giữa môi trường thủy tinh hữu cơ, khi đó các nơtron có thể bị tán xạ nhiều lần trong môi trường. Trong thí nghiệm số 4, phía trước liều kế chỉ là không khí, do đó ta có thể đánh giá được đóng góp liều của các nơtron tán xạ một lần với vật liệu thủy tinh hữu cơ phía sau liều kế. Kết quả của thí nghiệm 4 được đưa ra trong hình 6. Hình 6: Phân bố suất liều nơtron với bề dày thủy tinh hữu cơ phía sau liều kế thay đổi Quan sát hình 6 ta nhận thấy rằng suất liều gây bởi thành phần tán xạ một lần nhanh chóng bão hòa chỉ sau 1 cm bề dày vật liệu. Điểm bão hòa không thể được xác định chính xác do các giới hạn trong thực nghiệm này. Tuy nhiên có thể khẳng định rằng bề dày bão hòa tướng ứng với liều gây bởi nơtron tán xạ một lần sẽ nhỏ hơn 10 mm. Khi bề dày vật liệu tăng dần, ta nhận thấy liều tăng nhẹ, điều này có thể lý giải là do khi bề dày vật liệu tăng, thành phần tán xạ nhiều lần có khả năng xuất hiện nhiều hơn, và do đó đóng góp vào liều đo được. IV. Kết luận Phân bố liều nơtron gây bởi nguồn 252 Cf trong phantom thủy tinh hữu cơ đã được xác định. Liều tổng cộng bị ảnh TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 09 - 2018 ISSN 2354-1482 129 hưởng mạnh do nơtron tán xạ với thủy tinh hữu cơ đặt sau liều kế khi bề dày lớp thủy tinh hữu cơ lớn hơn 12 cm. Đóng góp của thành phần tán xạ gây bởi vật liệu ở phía sau liều kế có thể lên đến 25% giá trị tổng liều. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. S. Hiroki (2005), “Measurement of Neutron and Gamma-Ray Absorbed Doses inside Human Body in Criticality Accident Situations using Phantom and Tissue- equivalent dosimeters”, in JAERI 2. Y. Yamaguchi and A. Endo (2003), “Analysis of dose distribution for heavily exposed workers in the first criticality accident in Japan”, Radiat. Res.., no. 159, p. 535 3. T. Minh et al, “Design and evaluation of neutron howitzer design for research and education in training center at Dalat nuclear research institute using MCNP5 program”, T5-2016, Science & technology development journal 4. “Californium-252 neutron source, Certificate No. 19744 for sealed radionuclide source, JSC State Scientific Centre, Research Institute of Atomic Reactors” 5. [Online]. Available: support/radiation/dosemeter/pdm313/index.html STUDY ON NEUTRON DOSE DISTRIBUTION CAUSED BY 252 CF SOURCE INSIDE ORGANIC GLASS PHANTOM ABSTRACT In this paper, the neutron dose distribution caused by a 252 Cf source inside an organic glass phantom was determined. In addition, the transmission of the neutron dose through the organic glass material and the dose attenuation via distance-to- source were also experimented in order to provide additional information to analyze the measured neutron dose distribution. The results of these experiments show that the contribution of the material positioned behind the dosimeter to the total neutron dose is maximally 25%. Keywords: Neutron dose distribution, organic glass, 252 Cf (Received: 17/8/2017, Revised: 25/9/2017, Accepted for publication: 28/5/2018)