LỜI MỞ ĐẦU – MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Kể từ khi Becquerel phát hiện ra hiện tƣợng phân rã phóng xạ, con ngƣời chúng ta đã ý thức đƣợc xung quanh chúng ta ngập tràn các loại bức xạ, và giờ đây phóng xạ và bức xạ đã trở thành những khái niệm quen thuộc. Tia gamma và tia X là sóng điện từ có năng lƣợng từ 50 keV trở lên. Vì thế, sức xuyên thấu của nó rất lớn và chỉ có thể chặn lại bằng vật liệu có nguyên tử lƣợng lớn nhƣ chì hoặc bêtông, nƣớc nặng. Khi nói đến bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi ngƣời thƣờng nghĩ ngay đến tác hại của nó.
Tác hại của bức xạ hạt nhân đƣợc thể hiện rõ rệt qua hậu quả hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản trong chiến tranh thế giới thứ II. Và gần đây là các thảm họa nhà máy điện hạt nhân Mayak (Liên xô, 1957) Three Miles Island (Mỹ, 1979), Trecnobƣn (Liên xô, 1986), Fukushima (Nhật, 2011). Khi đi qua vật chất các photon va chạm và tƣơng tác với các nguyên tử của vật chất theo các hiệu ứng hấp thụ và tán xạ. Trong các quá trình đó chúng có thể truyền một phần hoặc hoàn toàn năng lƣợng của mình cho vật chất.
Khi hấp thụ năng lƣợng của tia gamma, các nguyên tử phân tử của vật chất bị biến đổi, trở thành các ion. Chính sự biến đổi này có thể dẫn tới sự phá huỷ cấu trúc của vật chất. Với liều lƣợng khá lớn, bức xạ ion hóa có thể gây ra các tác động có hại cấp tính tới sức khoẻ và có thể dẫn tới tử vong đối với con ngƣời. Bên cạnh đó còn có những tác dụng phụ ảnh hƣởng tới hệ thống thần kinh trung ƣơng, hệ thống tiêu hóa, hệ thống hô hấp.
Phổ biến nhất là những bệnh nhân ung thƣ trải qua xạ trị thƣờng phải chịu rất nhiều tác dụng phụ nhƣ: rụng tóc, đau bụng, giảm lƣợng bạch cầu trong máu, kích ứng da, loét miệng,. Với liều lƣợng nhỏ, bức xạ ion hóa có thể gây ra những tác động lâu dài mang tính ngẫu nhiên ảnh hƣởng đến việc tạo đột biến trên bản thân ngƣời bị chiếu nhƣ gây ung thƣ, bất hoạt cơ quan hoặc ảnh hƣởng di truyền về sau. Tuy nhiên, bức xạ hạt nhân có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật công nghệ, nông nghiệp, y học, môi trƣờng vv… Có thể kể đến các ứng dụng của GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật 6 bức xạ nhƣ : sản xuất vật liệu cách điện, bền nhiệt, polymer, khử trùng các dụng cụ y tế, ứng dụng trong chụp ảnh công nghiệp, sử dụng bức xạ gamma cƣờng độ cao cho các mục đích khử trùng, biến tính vật liệu, bảo quản thực phẩm và nông sản, cải tạo sinh khối, chế tạo một số chế phẩm bằng bức xạ, trong nông nghiệp sử dụng bức xạ gamma kết hợp với những tác nhân khác để cải tạo giống cây trồng, sử dụng đồng vị đánh dấu để nghiên cứu các quá trình sinh học.
Các ứng dụng khác dùng trong các ngành công nghiệp nhƣ xi măng, giấy, thủy tinh, công nghiệp thực phẩm, xây dựng, giao thông vận tải, cơ khí nhƣ đo độ ẩm, mật độ, cân trọng lƣợng và ứng dụng để thăm dò, khai thác dầu khí. Nhiều trƣờng đại học, viện nghiên cứu sử dụng nguồn bức xạ trong công tác nghiên cứu và giảng dạy. Trong ngành hải quan, nguồn bức xạ dùng trong các máy soi hành lý. Do mức độ tăng vọt của các hình thức thƣơng mại hóa hạt nhân nguyên tử nên nỗi lo lắng của ngƣời dân về năng lƣợng hạt nhân vẫn không giảm bớt.
Trong 3 năm qua, thế giới đã 3 lần tổ chức các hội nghị thƣợng đỉnh về an ninh hạt nhân. Hội nghị nào cũng thu hút sự tham dự của đông đảo nguyên thủ các nƣớc cùng lãnh đạo các tổ chức quốc tế lớn, cho thấy tầm quan trọng của vấn đề này. Việt Nam và Ủy ban châu Âu vừa họp bàn về những mong đợi của hai bên trong tƣơng lai ở lĩnh vực an toàn hạt nhân. Dự án hợp tác an toàn hạt nhân giữa châu Âu và Việt Nam có giá trị 2 triệu euro và sẽ đƣợc thực hiện trong 3 năm.
Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của Việt Nam dự kiến đặt tại tỉnh Ninh Thuận, gồm hai nhà máy có tổng công suất 4. Theo kế hoạch, nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận 1 sẽ đƣợc khởi công năm 2014 và bắt đầu phát điện năm 2020. Dự kiến, năm 2015 sẽ triển khai tiếp nhà máy điện Ninh Thuận 2. Việc nghiên cứu và hiểu biết về kỹ thuật che chắn an toàn bức xạ giúp chúng ta tìm ra giải pháp, tiêu chí an toàn nhất khi sử dụng, tiếp xúc với bức xạ trong khi vẫn khai thác đƣợc những lợi ích, tiềm năng đa dạng của nó.
Thực tế, việc tính toán thiết kế che chắn các nguồn bức xạ gamma vẫn thƣờng đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp giải tích cho những cấu hình hình học đơn giản, nhƣng GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật 7 với những cấu hình phức tạp, phƣơng pháp giải tích có những trở ngại dẫn đến việc ƣớc lƣợng mang tính gần đúng nhiều lúc vƣợt quá yêu cầu cần thiết. Do vậy, việc sử dụng các chƣơng trình Monte Carlo mô phỏng quá trình lan truyền bức xạ trong vật chất có thể khắc phục nhƣợc điểm trên và mặt khác là một lựa chọn nhằm kiểm tra độ tin cậy của các phƣơng pháp tính toán giải tích. Việc ứng dụng chƣơng trình mô phỏng Monte Carlo cho mục đích che chắn an toàn bức xạ là một kỹ năng nghiên cứu cần phát triển để tăng cƣờng công cụ hiệu quả trong kỹ thuật hạt nhân thực nghiệm.
Với tổng quan trên, đề tài “Khảo sát và mô phỏng tính toán các cấu hình che chắn của một số nguồn bức xạ gamma bằng phƣơng pháp Monte Carlo” đƣợc thực hiện với mục tiêu và nhiệm vụ đƣợc đề ra nhƣ sau: Mục tiêu của đề tài: Khảo sát các phƣơng pháp tính toán giải tích kỹ thuật che chắn bức xạ gamma và thực hiện mô phỏng việc tính toán che chắn bằng phƣơng pháp Monte Carlo qua chƣơng trình PENELOPE 2006. Các nhiệm vụ của đề tài: -Khảo sát tổng quan về kỹ thuật che chắn bảo vệ an toàn bức xạ hạt nhân. -Tổng quan về bức xạ gamma, các quá trình tƣơng tác chủ yếu của gamma với vật chất, giới thiệu các đại lƣợng đo lƣờng hạt nhân đặc trƣng và an toàn phóng xạ. -Tổng quan về phƣơng pháp tính toán giải tích về che chắn bức xạ hạt nhân.
-Giới thiệu về chƣơng trình mô phỏng sự lan truyền photon và electron năng lƣợng cao trong vật chất PENELOPE 2006 -Sử dụng chƣơng trình PENELOPE 2006 mô phỏng một số cấu hình che chắn bức xạ gamma. Huỳnh Quang Linh Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật 8 CHƢƠNG I TƢƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1.Bản chất của tia gamma [1] 1. Tia Gamma Bức xạ gamma là hiện tƣợng hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao về trạng thái kích thích thấp hơn hay trạng thái cơ bản bằng cách phân rã bức xạ gamma. Hạt nhân sau khi phân rã gamma không thay đổi số khối A và điện tích Z.
Công thức của quá trình là: ( Z X A )* Z X A (1.1) Nhƣ vậy phân rã Gamma chỉ xảy ra trong hạt nhân kích thích. Hạt nhân kích thích có thể thu đƣợc bằng nhiều cách. Trong phản ứng hạt nhân do kết quả bắn phá bởi các hạt tích điện, hạt nơtron và các photon khác mà hạt nhân bia sẽ đƣợc nâng lên trạng thái kích thích. Sau phân rã anpha và bêta hạt nhân mới tạo thành có thể nằm ở trạng thái kích thích.
Đây là cách đơn giản và phổ biến nhất để thu đƣợc những hạt nhân bức xạ gamma. 14 Tia gamma là các sóng điện từ có bƣớc sóng cực ngắn ( 10 m 10 12 m ) phát ra trong sự phân rã của hạt nhân nguyên tử. Cần chú ý là tia gamma và tia Rơnghen đều là các sóng điện từ nhƣng gamma có bƣớc sóng ngắn hơn, độ đâm xuyên lớn hơn ( có thể xuyên qua lớp vật liệu dày nhƣ xuyên qua 10cm Pb). Điểm khác biệt cơ bản, bản chất của 2 loại tia ở chỗ: Gamma phát ra từ hạt nhân nguyên tử còn tia rơnghen phát ra bởi sự dịch chuyển trạng thái từ trạng thái năng lƣợng cao về trạng thái năng lƣợng thấp hơn của các electron trong lớp vỏ nguyên tử.
Tia rơnghen đƣợc tạo ra khi các điển tử bị hãm, những điện tử có tốc độ cao đến gần ( bay ngang qua) hạt nhân mang điện dƣơng chúng chịu một sức hút và chuyển động chậm lại. Trong quá trình bị làm chậm GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật 9 hoặc bị hãm chúng bị mất đi một phần động năng ban đầu dƣới dạng tia Rơnghen ( theo điện động lực học cổ điển ). Đôi khi điện tử bị dừng lại tức thì, khi đó toàn bộ năng lƣợng của chúng đƣợc chuyển thành năng lƣợng cực đại của bức xạ Rơnghen ( có bƣớc sóng cực tiểu ).
Trong ống phóng tia Rơnghen, khi các electron đập vào bia thì tốc độ của chúng thay đổi liên tục trong trƣờng Culông của các nguyên tử bia hay nói cách khác năng lƣợng của các electron bị mất dần, do đó các tia rơnghen phát ra có bƣớc sóng thay đổi liên tục trong một dải rộng vì vậy phổ của nó là một phổ liên tục. Các đồng vị phóng xạ phát ra một hoặc nhiều loại sóng. Do vậy trong phổ của nó có cách vạch khác nhau tƣơng ứng với các sóng đó. 60 Ví dụ : Co ( T=5,2714 năm ) phát ra 2 loại sóng trội ở 1173,228 KeV và 1332,490 KeV.
137 Cs ( T=30,07 năm ) phát ra 1 loại sóng trội ở 661,657 KeV. 57 Co ( T= 271,79 ngày ) phát ra 3 loại sóng trội 14,6 KeV, 122,06 KeV, 136,47 KeV. 241 Am ( T=432,2 năm ) phát ra 2 loại sóng trội 26,3446 KeV và 54,5409 KeV. Tất cả các nguồn gamma đều có dạng phổ vạch ( Tức là có năng lƣợng xác định và có các đỉnh đặc trƣng cho năng lƣợng của chúng là rời rạc ) khác với phổ của tia rơnghen.
Thƣờng ngƣời ta mô tả một tia gamma nhất định bằng năng lƣợng của nó hơn là biểu diễn nó theo chiều dài bƣớc sóng. Ví dụ nhƣ phổ của một nguồn gamma có dạng nhƣ sau : GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật 10 Cƣờng độ Số kênh Hình 1.1: Phổ của một nguồn gamma 1. Tính chất của tia gamma - Không nhìn thấy đƣợc bằng mắt thƣờng.
