Chương 1. Tổng quan: trình bày những hiểu biết tổng quan của tác giả về tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất, hệ đo phòng chuẩn gamma, phương pháp xác định suất liều suất air kerma và từ đó đề ra mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng và phương pháp: trình bày bố trí thí nghiệm và các tính toán dựa trên số liệu thực nghiệm xác định suất air kerma theo các khoảng cách khác nhau, đánh giá độ không đảm bảo đo của kết quả thu được. Kết quả và thảo luận: tổng hợp và tiến hành đánh giá các kết quả đã đạt được, đồng thời đưa ra các thảo luận và nhận định về đề tài nghiên cứu.
Từ đó nêu lên những kiến nghị về phương pháp tính toán và phương hướng nghiên cứu, phát triển tiếp theo cho đề tài. Tương tác gamma với vật chất 1. Sự suy giảm của gamma khi đi qua vật chất Về mặt an toàn bức xạ, bức xạ gamma có mối nguy hiểm cao do có độ đâm xuyên rất lớn. Do đó, trong quá trình tiếp xúc và làm việc với nguồn gamma, ta cần quan tâm che chắn ở mọi hướng, làm suy giảm cường độ chùm tia.
Xét một chùm bức xạ gamma, sự thay đổi cường độ chùm tia khi đi qua một lớp vật liệu mỏng x được tính như sau: I = I0e−x (1.1) Trong đó: I0 là cường độ chùm bức xạ gamma tới (keV); I là cường độ chùm bức xạ gamma sau khi đi qua vật chất (keV); là hệ số suy giảm tuyến tính (cm-1); x là quãng đường chùm bức xạ gamma dịch chuyển trong vật chất (cm). Hệ số suy giảm tuyến tính μ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật độ vật chất. Cơ chế tương tác của gamma với vật chất Không như hạt tích điện, bức xạ gamma khi đi qua vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp. Nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử, sinh ra các cặp electron–positron, chính các electron này gây ion hóa môi trường.
Trong quá trình tương tác với vật chất, năng lượng của bức xạ gamma bị suy giảm thông qua ba quá trình chính là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp. Hiệu ứng quang điện Khi bức xạ gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng của gamma truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là quang electron (Hình 1. Do không bảo đảm được định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với electron tự do.
Như vậy, để hiệu ứng quang điện có 3 thể xảy ra, năng lượng bức xạ gamma phải lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Hiệu ứng quang điện [4] 1. Hiệu ứng Compton Hiệu ứng Compton bắt đầu xảy ra khi năng lượng gamma lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Lúc này, bức xạ gamma và các electron xảy ra quá trình tán xạ đàn hồi.
Sau tán xạ, electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử, còn bức xạ gamma bị mất một phần năng lượng và thay đổi phương bay.2 minh họa quá trình tán xạ đàn hồi của bức xạ gamma lên electron tự do. Hiệu ứng Compton [4] 4 1. Hiệu ứng tạo cặp Khi bức xạ gamma đi qua điện trường của hạt nhân, một cặp electron-positron được sinh ra (Hình 1. Quá trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, để tổng động lượng được bảo toàn, hạt nhân của nguyên tử vật chất bị giật lùi.
Do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron. Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng có xác suất xảy ra bé hơn so với xác suất của quá trình tạo cặp gần hạt nhân khoảng 1000 lần [4]. Electron mất dần năng lượng của mình để ion hóa các nguyên tử môi trường. Positron mang điện tích dương nên khi gặp electron của nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn nhau, gọi là hiện tượng hủy electron-positron.
Hiệu ứng tạo cặp electron-positron γ [4] 1. Hệ đo phòng chuẩn gamma 1. Các thuật ngữ Hiệu chuẩn – Calibration: Là một tập hợp các thao tác được thực hiện trong các điều kiện đặc biệt để xác định, thiết lập mối tương quan giữa các giá trị chỉ thị bởi thiết bị đo, hệ thống đo, hoặc các giá trị đại diện cho phép đo so với các giá trị thực quy ước của đại lượng đo để đánh giá sai số và các tính chất đặc trưng của nó. Hiệu chuẩn nhằm: 5 + Duy trì các giá trị của hệ thống chuẩn cũng như hệ thống các phương tiện đo đang được sử dụng, sự liên kết của chúng với các chuẩn đo lường nhằm đảm bảo tính thống nhất và chính xác của phép đo.
+ Xác định sai số của phương tiện đo từ đó điều chỉnh phương tiện đo cho phù hợp với các phép đo. + Đảm bảo sự tin cậy của phương tiện đo đối với các kết quả đo. + Xác định được độ không đảm bảo đo của phương tiện đo. + Giúp phát hiện ra hỏng hóc hoặc tiên đoán được hỏng hóc và có kế hoạch sửa chữa các phương tiện đo.
+ Phù hợp theo tiêu chuẩn chất lượng của ngành, quốc gia, quốc tế. Giá trị thực quy ước – Conventional True Value: Là giá trị ước tính tốt nhất được xác định bằng hệ đo liều chuẩn cấp 2 của Trung tâm An toàn bức xạ (Radiation Protection Center – RPC). Điểm tham chiếu của thiết bị đo – Reference point of a measuring instrument: Là điểm được sử dụng để định vị thiết bị tại vị trí hiệu chuẩn mà giá trị thực quy ước tại vị trí đó đã được biết. Điểm tham chiếu có thể được đánh dấu trên thiết bị đo bởi nhà sản xuất hoặc được chỉ ra trong tài liệu đi kèm với thiết bị.
Hệ số chuẩn – Calibration factor (CF): Là tỉ số giữa giá trị liều chuẩn thực quy ước được xác định bằng hệ chuẩn đo liều cấp 2 của RPC tại vị trí đặt thiết bị đo trong trường bức xạ chuẩn với giá trị đọc (Measured value – M) của thiết bị đo cần được hiệu chuẩn. Liều chuẩn cho liều kế cá nhân (SDPD): Là giá trị liều chuẩn thực quy ước được xác định bằng hệ chuẩn đo liều cấp 2 của Phòng chuẩn liều tại vị trí đặt liều kế cần được chiếu liều chuẩn. Điều kiện chuẩn – Reference conditions: Là điều kiện mà áp suất có giá trị 1013,25 hPa, nhiệt độ có giá trị 20ºC và độ ẩm tương đối nằm trong khoảng từ 30% - 70%. 6 Chuẩn cấp 2 – Secondary Standard: Là các thiết bị có độ chính xác, ổn định lâu dài theo thời gian và được hiệu chuẩn bằng cách so sánh trực tiếp với chuẩn cấp 1 hoặc chuẩn tương đương cấp 1, có chứng chỉ làm bằng chứng về việc truyền chuẩn này.
Chuẩn cấp 2 được duy trì bởi các phòng thí nghiệm đo liều nằm trong mạng lưới các Phòng chuẩn đo liều thuộc Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (International Atomic Energy Agency – IAEA) hoặc Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization – WHO). Thời gian đáp ứng – Time Response: Là khoảng thời gian từ khi bắt đầu chiếu xạ của thiết bị đo cho tới khi độ đáp ứng của thiết bị đó đạt được 90% giá trị liều chiếu xạ và có trạng thái ổn định. Giới thiệu về phòng chuẩn gamma IAEA cùng với WHO, đã thành lập một mạng lưới Phòng chuẩn đo liều cấp 2 (Secondary Standard Dosimetry Laboratories – SSDL) với mục đích hỗ trợ hiệu chuẩn và xác định phẩm chất bức xạ thích hợp của các thiết bị được sử dụng để đo bức xạ ở các nước đang phát triển và hỗ trợ liên kết các cơ sở đo lường bức xạ quốc gia với hệ thống đo liều quốc tế, đảm bảo hiệu chuẩn các phép đo bức xạ theo các tiêu chuẩn bức xạ chính trong nước TCVN 7042-1:2008 [2, 6] và quốc tế ISO 4037 [2, 6, 17, 19]. Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh đã được Bộ Khoa học và Công nghệ đầu tư Phòng chuẩn liều bức xạ cấp 2 với 2 hệ thiết bị bức xạ gamma và tia X.
Phòng chuẩn gamma cấp 2 tại Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh được xây dựng theo tiêu chuẩn ISO 4037 [2, 6, 17, 19], phòng có kích thước đủ lớn cho dạng hình học không chuẩn trực. Đối với chiếu xạ không chuẩn trực, một căn phòng được che chắn có diện tích ít nhất là 4 m x 4 m x 3 m để đảm bảo rằng lượng bức xạ phân tán được giữ ở mức dưới 5% của bức xạ trực tiếp. Phòng được trang bị các thiết bị sau: − Hệ chuẩn gamma - Hopewell Designs Model G10 cung cấp chùm bức xạ gamma dùng để hiệu chỉnh các thiết bị phát hiện bức xạ với các tính năng sau: 7 + Các mẫu nguồn bức xạ dạng thanh đơn hoặc kép, có sẵn nguồn 137Cs. + Bộ che chắn nguồn với các tấm chì có bề dày khác nhau.
+ Chùm bức xạ được chuẩn trực. + Có thể hoạt động theo 2 cơ chế: tùy chỉnh trên bàn điều khiển hoặc tự động hóa hoàn toàn theo chương trình thiết lập sẵn trên máy tính. + Thiết kế an toàn nhờ sử dụng hệ thống khí nén kiểm soát vị trí thanh nguồn. + Các thông số hiệu chuẩn cung cấp sẵn đạt chuẩn NIST.
− Sử dụng nguồn chuẩn là nguồn 137Cs có hoạt độ 26,973 Ci. Nguồn 137Cs có mức năng lượng 662 keV phù hợp với Phòng chuẩn liều năng lượng thấp (mức năng lượng nhỏ hơn 1,5 MeV). Dựa trên hệ chuẩn gamma tại Trung tâm, trong khóa luận sẽ thiết lập các thí nghiệm nhằm xác định suất air kerma, suất tương đương liều môi trường H*(10), suất tương đương liều cá nhân Hp(10) từ khoảng cách 1 m đến 3 m với lần lượt cho nguồn 137 Cs trần, nguồn 137Cs có tấm chắn chì suy giảm 4 lần, 10 lần và 25 lần. Từ đó xác định trường chuẩn liều cho nguồn gamma tại các vị trí trên.
Hệ thiết bị chiếu xạ Hopewell Designs, Inc model G10 [26] 8 Các đèn cảnh báo nguồn Mặt cắt trục nhìn chuẩn Thanh nguồn Vỏ nguồn loại A GSR Ống chuẩn trực Lớp che chắn bức xạ Bộ che Bộ phận kết nối thanh nguồn chắn ( bức xạ Xi lanh khí Bộ điều chỉnh chiều cao thanh nguồn Trụ chứa nguồn Hình 1. Cấu tạo bên trong của trụ nguồn phát bức xạ gamma [26] 1.