Khóa Luận Tốt Nghiệp Về Tương Tác Gamma Với Vật Chất Tại Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp vật lý khảo sát trường chuẩn liều gamma trên hệ chuẩn gamma tại trung tâm hạt nhân thành, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Thị Kim Yến
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Trường Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý Học
• Đề tài: Khảo Sát Trường Chuẩn Liều Gamma
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tương tác gamma với Vật chất
• 1.1.1. Sự suy giảm của gamma khi đi qua vật chất
• 1.1.2. Cơ chế tương tác của gamma với vật chất
• 1.1.2.1. Hiệu ứng quang điện
• 1.1.2.2. Hiệu ứng Compton
• 1.1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp
• 1.2. Hệ đo phòng chuẩn gamma
• 1.2.1. Các thuật ngữ
• 1.2.2. Giới thiệu về phòng chuẩn gamma
• 1.2.3. Hệ chuẩn gamma Hopewell Designs Model G10
• 1.2.4. Nguồn phóng xạ
• 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Khóa Luận Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tương Tác Gamma

Khóa luận tốt nghiệp về tương tác gamma với vật chất tại Trường Đại học Sư Phạm TP.HCM là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân. Nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức lý thuyết mà còn áp dụng vào thực tiễn. Tương tác gamma với vật chất có nhiều ứng dụng trong y học, công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Việc hiểu rõ cơ chế tương tác này sẽ giúp nâng cao độ chính xác trong các phép đo bức xạ.

1.1. Khái Niệm Cơ Bản Về Tương Tác Gamma

Tương tác gamma với vật chất là quá trình mà bức xạ gamma tương tác với các nguyên tử trong vật chất. Các cơ chế chính bao gồm hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp. Mỗi cơ chế này có những đặc điểm riêng và ảnh hưởng đến cách mà bức xạ gamma được hấp thụ hoặc truyền qua vật chất.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Tương Tác Gamma

Nghiên cứu tương tác gamma không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn thực tiễn. Nó giúp cải thiện các thiết bị đo bức xạ, đảm bảo an toàn trong sử dụng nguồn bức xạ trong y học và công nghiệp. Việc hiểu rõ về tương tác gamma cũng giúp phát triển các phương pháp mới trong nghiên cứu khoa học.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Tương Tác Gamma

Mặc dù nghiên cứu tương tác gamma mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải không ít thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là độ chính xác trong các phép đo bức xạ. Các yếu tố như môi trường, thiết bị đo và phương pháp thực hiện có thể ảnh hưởng đến kết quả. Do đó, việc xây dựng một hệ thống chuẩn liều gamma là rất cần thiết.

2.1. Độ Chính Xác Trong Các Phép Đo Bức Xạ

Độ chính xác của các phép đo bức xạ gamma phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thiết bị đo, điều kiện môi trường và phương pháp thực hiện. Việc không đảm bảo độ chính xác có thể dẫn đến những sai sót nghiêm trọng trong kết quả nghiên cứu.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Kết Quả Nghiên Cứu

Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép đo bức xạ gamma. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo kết quả nghiên cứu chính xác và đáng tin cậy.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tương Tác Gamma Với Vật Chất

Phương pháp nghiên cứu trong khóa luận này bao gồm việc sử dụng buồng ion hóa và điện kế để đo suất liều gamma. Các thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Hạt nhân TP.HCM, nơi có hệ thống chuẩn gamma đạt tiêu chuẩn quốc tế. Việc áp dụng các phương pháp này giúp đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong kết quả nghiên cứu.

3.1. Sử Dụng Buồng Ion Hóa Trong Nghiên Cứu

Buồng ion hóa là thiết bị quan trọng trong việc đo bức xạ gamma. Nó cho phép xác định suất liều gamma một cách chính xác và hiệu quả. Việc sử dụng buồng ion hóa giúp thu thập dữ liệu cần thiết cho nghiên cứu.

3.2. Thiết Kế Thí Nghiệm Để Đo Suất Liều Gamma

Thiết kế thí nghiệm bao gồm việc xác định khoảng cách từ nguồn gamma đến buồng ion hóa. Các thí nghiệm được thực hiện với nhiều mức che chắn khác nhau để đánh giá sự suy giảm suất liều gamma. Kết quả thu được sẽ được phân tích và thảo luận chi tiết.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Nghiên Cứu Tương Tác Gamma

Nghiên cứu về tương tác gamma có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như y học, công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Việc hiểu rõ về cơ chế tương tác này giúp cải thiện độ chính xác trong các phép đo bức xạ, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc sử dụng nguồn bức xạ.

4.1. Ứng Dụng Trong Y Học

Trong y học, bức xạ gamma được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Việc nghiên cứu tương tác gamma giúp cải thiện các phương pháp điều trị, đảm bảo an toàn cho bệnh nhân và nhân viên y tế.

4.2. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Trong công nghiệp, bức xạ gamma được sử dụng để kiểm tra chất lượng sản phẩm và bảo đảm an toàn trong sản xuất. Nghiên cứu về tương tác gamma giúp nâng cao hiệu quả trong các quy trình sản xuất và kiểm tra.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Tương Tác Gamma Tại Trường Đại Học Sư Phạm TP

Khóa luận tốt nghiệp về tương tác gamma với vật chất tại Trường Đại học Sư Phạm TP.HCM đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cơ chế tương tác này. Nghiên cứu không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức lý thuyết mà còn áp dụng vào thực tiễn. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực vật lý hạt nhân.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự suy giảm suất liều gamma theo khoảng cách và mức che chắn. Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác của các phép đo bức xạ.

5.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Tiếp Theo

Nghiên cứu có thể được mở rộng để khám phá thêm các cơ chế tương tác khác và ứng dụng của bức xạ gamma trong các lĩnh vực khác nhau. Việc phát triển các phương pháp mới trong nghiên cứu sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các phép đo bức xạ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật hạt nhân và vật lý bức xạ, việc sử dụng các nguồn phóng xạ như $^{192}\text{Ir}$, $^{60}\text{Co}$, $^{137}\text{Cs}$, $^{99}\text{Mo}/^{99\text{m}}\text{Tc}$, $^{131}\text{I}$ cùng hệ thống máy gia tốc và máy phát tia X ngày càng phổ biến trong y tế, công nghiệp và nghiên cứu khoa học cơ bản. Nhằm bảo đảm an toàn bức xạ cho nhân viên bức xạ và công chúng, các thiết bị đo liều bức xạ cá nhân (liều kế cá nhân), máy đo liều/suất liều cầm tay và đầu dò bức xạ (buồng ion hóa) cần phải được định kỳ kiểm định và chuẩn hóa độ chính xác theo các quy chuẩn chuyên ngành.

Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh đã được Bộ Khoa học và Công nghệ đầu tư Phòng chuẩn đo liều bức xạ cấp 2 (Secondary Standards Dosimetry Laboratory - SSDL) với hai hệ thiết bị chuẩn là bức xạ gamma và tia X. Để đưa hệ chuẩn gamma đi vào vận hành đạt độ tin cậy cao, việc khảo sát thực nghiệm đặc tính phân bố trường liều, xác định suất air kerma và đánh giá độ không đảm bảo đo theo các tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7042-1:2008 và quốc tế ISO 4037 là yêu cầu bắt buộc. Đây chính là lý do tác giả thực hiện khóa luận tốt nghiệp "Khảo sát trường chuẩn liều gamma trên hệ chuẩn gamma tại Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh".

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu chính của khóa luận bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về tương tác của bức xạ gamma với vật chất, nguyên lý vận hành của hệ đo phòng chuẩn SSDL, phương pháp xác định suất air kerma và quy trình đánh giá độ không đảm bảo đo.
2. Thiết lập bố trí thực nghiệm hình học chuẩn trực trên hệ máy chiếu xạ Hopewell Designs Model G10 với nguồn chuẩn xạ $^{137}\text{Cs}$ (năng lượng 662 keV), đo đạc suất air kerma theo khoảng cách từ 1 m đến 3 m đối với chùm tia trần và chùm tia đi qua các tấm chắn suy giảm chì (suy giảm 4 lần, 10 lần, 25 lần).
3. Xác định suất tương đương liều môi trường $H^*(10)$ và suất tương đương liều cá nhân $H_p(10), H_p(0,07)$ thông qua các hệ số chuyển đổi chuẩn quy ước.
4. Phân tích định lượng các thành phần ảnh hưởng và đánh giá độ không đảm bảo đo chuẩn loại A, loại B, độ không đảm bảo đo tổng hợp và độ không đảm bảo đo mở rộng $U(H)$ với hệ số phủ $k = 2$.
5. Thảo luận về quy luật suy giảm liều theo khoảng cách, kiểm tra sự phù hợp với định luật bình phương nghịch đảo và đề xuất các kiến nghị mở rộng cho hệ chuẩn liều.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Trường bức xạ gamma phát ra từ thanh nguồn chuẩn $^{137}\text{Cs}$ (mã hiệu GSR-$^{137}\text{Cs}$/A) trên hệ máy chiếu xạ Hopewell Designs Model G10; hệ thu nhận tín hiệu gồm buồng ion hóa dạng cầu Exradin Model A5 kết hợp điện kế cao cấp SuperMAX.
• Phạm vi không gian: Phòng chuẩn đo liều cấp 2 (SSDL) tại Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh, có kích thước phòng đáp ứng tiêu chuẩn hình học không chuẩn trực (tối thiểu 4 m $\times$ 4 m $\times$ 3 m).
• Phạm vi hình học đo đạc: Khoảng cách đo từ tâm nguồn đến buồng ion hóa được khảo sát trong dải từ 1 m đến 3 m; khoảng cách từ nguồn đến buồng ion hóa $d_1 \ge 30\text{ cm}$; khoảng cách từ buồng ion hóa đến tường chắn phía sau $d_2 \ge 1\text{ m}$ nhằm đảm bảo bức xạ tán xạ đóng góp dưới 5% tổng suất liều.
• Phạm vi thời gian và thông số nguồn: Nguồn chuẩn $^{137}\text{Cs}$ sản xuất ngày 16/04/2019, kiểm định ngày 13/05/2019 với hoạt độ ban đầu 26,973 Ci, chu kỳ bán rã $T_{1/2} = 11050 \pm 90$ ngày; khóa luận hoàn thành vào tháng 05/2021.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết tương tác photon với vật chất, lý thuyết đo lường liều bức xạ ion hóa và hướng dẫn đánh giá độ không đảm bảo đo trong đo lường học bức xạ:

• Cơ chế tương tác của bức xạ gamma: Chùm photon gamma truyền qua môi trường vật chất tuân theo định luật suy giảm hàm mũ $I = I_0 e^{-\mu x}$, trong đó $\mu$ là hệ số suy giảm tuyến tính phụ thuộc vào năng lượng photon và mật độ vật chất. Năng lượng gamma bị suy giảm thông qua ba quá trình chính: hiệu ứng quang điện (quang electron nhận toàn bộ năng lượng của photon), hiệu ứng Compton (tán xạ đàn hồi giữa gamma và electron liên kết yếu ở lớp vỏ ngoài) và hiệu ứng tạo cặp electron - positron (xảy ra trong điện trường hạt nhân khi năng lượng photon lớn hơn 1,022 MeV, kèm theo hiện tượng hủy cặp phát ra hai photon 511 keV).
• Khái niệm và mô hình toán học xác định liều lượng:
  • Kerma (Kinetic Energy Released in Material): Đại lượng phản ánh tổng động năng ban đầu của tất cả các hạt mang điện được giải phóng bởi bức xạ ion hóa gián tiếp trên một đơn vị khối lượng vật chất ($K = \frac{dE_{\text{tr}}}{dm}$, đơn vị Gray - Gy hoặc J/kg). Khi xét trong môi trường không khí, đại lượng này là air kerma ($K_a$).
  • Suất air kerma thực nghiệm ($K_a$): Được xác định qua điện tích thu nhận $Q$, hệ số chuẩn buồng ion hóa $N_k$, hệ số chuẩn điện kế $k_{\text{elec}}$, thời gian đo $t$ và hệ số hiệu chỉnh mật độ không khí $k_{TP}$: $$K_a = Q \cdot N_k \cdot k_{\text{elec}} \cdot k_{TP} \cdot \frac{1}{t}$$
  • Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ - áp suất ($k_{TP}$): Chuẩn hóa thể tích khí trong buồng ion hóa hở về điều kiện nhiệt độ $T_0 = 293,15\text{ K}$ ($20^\circ\text{C}$) và áp suất $P_0 = 1013,25\text{ hPa}$: $$k_{TP} = \left(\frac{273,15 + t}{293,15}\right) \cdot \left(\frac{1013,25}{P}\right)$$
  • Suất tương đương liều môi trường $H^(10)$ và suất tương đương liều cá nhân $H_p(10)$:* Tính toán từ suất air kerma thông qua hệ số chuyển đổi $h$ ($H = K_a \cdot h$).
  • Hiệu chỉnh phân rã nguồn: Hoạt độ nguồn và suất liều tại thời điểm đo được hiệu chỉnh theo phương trình phân rã phóng xạ $A = A_0 e^{-\lambda t}$ với hằng số phân rã $\lambda = \frac{\ln 2}{T_{1/2}}$.
• Văn bản pháp chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật:
  • Tiêu chuẩn hiệu chuẩn thiết bị đo liều và suất liều: ISO 4037, TCVN 7042-1:2008.
  • Tiêu chuẩn nguồn phóng xạ kín và an toàn: ISO 1677, ISO 9978 (kiểm tra độ rò rỉ nguồn), DIN EN ISO 5817 nhóm C (chất lượng mối hàn vỏ nguồn thép không gỉ 1.4571), DIN ISO 7503-1 (đánh giá nhiễm bẩn bề mặt dưới 200 Bq).
• Phương pháp nghiên cứu thực tế:
  • Phương pháp thực nghiệm đo bức xạ: Sử dụng hệ thống chuẩn trực G10 điều khiển bằng khí nén, buồng ion hóa cầu Exradin A5 đặt trên giá dịch chuyển căn chỉnh 3 trục laser ($O_x, O_y, O_z$). Điện kế SuperMAX thực hiện thu nhận điện tích độc lập qua 2 kênh đo, lấy trung bình tối thiểu 3 lần đo độc lập cho mỗi điểm vị trí. Tiến hành hiệu chỉnh dòng rò hệ thống bằng thao tác Zero trước phép đo (dòng rò kiểm tra dưới 0,1% tín hiệu đo bức xạ).
  • Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo theo GUM (ISO Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement): Phân lập thành phần loại A ($u_A$) từ độ lệch chuẩn của các lần đo lặp và thành phần loại B ($u_B$) từ chứng chỉ hiệu chuẩn PSDL/ADCL, độ phân giải nhiệt kế, áp kế PCE-THB 40, độ lệch vị trí nguồn và đầu dò. Độ không đảm bảo đo tổng hợp $u_c = \sqrt{u_A^2 + u_B^2}$ và độ không đảm bảo đo mở rộng $U = k \cdot u_c$ ($k = 2$, độ tin cậy 95%).
• Nguồn dữ liệu: Số liệu thực nghiệm đo đạc trực tiếp tại SSDL Trung tâm Hạt nhân TP.HCM; giấy kiểm định nguồn của Eckert & Ziegler Gamma Service Recycling; giấy chứng nhận hiệu chuẩn của phòng thí nghiệm ADCL và IAEA.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương này cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết, tổng quan về mạng lưới phòng chuẩn SSDL của IAEA/WHO và chi tiết cấu hình kỹ thuật của hệ thống thiết bị chuẩn liều gamma tại Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh:

• Cơ chế tương tác photon: Phân tích chi tiết ba quá trình tương tác gamma với vật chất (quang điện, Compton, tạo cặp), cơ chế hình thành ion hóa gián tiếp và sự suy giảm chùm tia theo định luật mũ.
• Hệ thống máy chiếu xạ Hopewell Designs Model G10: Cấu tạo gồm trụ chì dày 6,5 cm bọc thép không gỉ (giữ suất liều rò rỉ dưới 50 $\mu\text{Sv/h}$ ở khoảng cách 30,48 cm), cơ cấu xi lanh khí nén nâng hạ thanh nguồn giữa vị trí an toàn và vị trí chiếu, ống chuẩn trực dài 30 cm có khẩu độ góc mở $17^\circ$.
• Đặc tính nguồn phóng xạ $^{137}\text{Cs}$: Thanh nguồn GSR-$^{137}\text{Cs}$/A vỏ kép dạng viên con nhộng bằng thép không gỉ 1.4571, mật độ khối lượng theo diện tích $0,5\text{ g/cm}^2$, hoạt độ kiểm định 26,973 Ci ngày 13/05/2019 với độ không đảm bảo đo tổng hợp 1%.
• Các tấm chắn chì làm suy giảm chùm tia: Hệ thống trang bị 3 tấm chì lắp tại vị trí khẩu độ: X4 (bề dày 1,16 cm), X10 (2,45 cm), X25 (3,05 cm), cho phép mở rộng tính toán suy giảm lên các mức 40, 100, 250 và 1000 lần.
• Buồng ion hóa Exradin A5 và điện kế SuperMAX: Buồng A5 có thể tích thu nhận $100\text{ cm}^3$, cấu tạo từ nhựa tương đương không khí Shonka C552, hệ số hiệu chỉnh suất liều $3,020 \times 10^5\text{ Gy/C}$. Điện kế SuperMAX tích hợp 2 kênh đo độc lập từ 0,001 pC đến 999,9 $\mu\text{C}$, màn hình cảm ứng LCD, yêu cầu sấy máy 15 phút và ổn định kết nối 10 phút trước khi đo.
• Hệ thống an toàn: Hệ thống đèn tín hiệu 3 trạng thái (xanh lá: an toàn; vàng: nguồn đang dịch chuyển; đỏ: đang chiếu xạ), khóa liên động cửa phòng (interlock), nút dừng khẩn cấp EMO và camera giám sát.
• Lý thuyết độ không đảm bảo đo: Phân tích 12 nguồn sai số ảnh hưởng (mật độ không khí, độ ẩm, dòng rò, định vị buồng ion hóa, độ ổn định vị trí nguồn, chất lượng chùm tia, thời gian chiếu) và thuật toán lan truyền sai số cho phép đo gián tiếp.

Đối tượng và phương pháp

Chương này mô tả chi tiết thiết kế bố trí thực nghiệm và quy trình xử lý dữ liệu đo liều:

• Bố trí hình học thực nghiệm: Thiết lập trục quang học chùm tia chuẩn trực, sử dụng hệ thống định vị 4 chùm laser vuông góc để căn chỉnh tâm hình học buồng ion hóa Exradin A5 trùng với trục bức xạ. Thiết lập khoảng cách từ nguồn đến buồng $d_1 \ge 30\text{ cm}$ và khoảng cách từ buồng đến tường sau $d_2 \ge 1\text{ m}$ nhằm triệt tiêu bức xạ tán xạ ngược vượt mức quy định (bảo đảm tán xạ $< 5%$).
• Quy trình thực nghiệm:
  • Bật làm ấm điện kế SuperMAX 15 phút, kết nối buồng A5 và chờ ổn định 10 phút.
  • Tiến hành thao tác Zero điện kế để bù trừ dòng rò tĩnh của hệ thống.
  • Thực hiện đo đạc suất air kerma tại các vị trí khoảng cách từ 1 m đến 3 m tính từ tâm nguồn (mỗi vị trí đo lặp lại ít nhất 3 lần).
  • Khảo sát lần lượt 4 cấu hình chùm bức xạ: nguồn $^{137}\text{Cs}$ trần (không che chắn), qua tấm chắn chì X4, tấm chắn X10 và tấm chắn X25.
  • Đồng thời ghi nhận nhiệt độ ($T$), áp suất ($P$) và độ ẩm ($RH$) bằng thiết bị PCE-THB 40 đặt cạnh buồng đo (ngoài trường chiếu) để tính toán hệ số $k_{TP}$.
• Phương pháp tính toán và xử lý số liệu: Tính toán suất air kerma $K_a$, quy đổi sang suất tương đương liều môi trường $H^*(10)$ và suất tương đương liều cá nhân $H_p(10)$ qua các hệ số chuyển đổi chuẩn $h$. Thiết lập quy trình đánh giá độ không đảm bảo đo tổng hợp $u_c$ và mở rộng $U$ với hệ số phủ $k = 2$.

Kết quả và thảo luận

Chương này tổng hợp các kết quả thực nghiệm và phân tích quy luật phân bố trường liều:

• Xác lập bộ dữ liệu suất air kerma và suất liều tương đương: Thu nhận và lập bảng số liệu chi tiết về suất air kerma ($K_a$), suất tương đương liều môi trường $H^*(10)$ và suất tương đương liều cá nhân $H_p(10)$ theo khoảng cách từ 1 m đến 3 m tương ứng với các phẩm chất chùm tia (nguồn trần, che chắn 4 lần, 10 lần, 25 lần).
• Quy luật suy giảm theo khoảng cách: Dữ liệu thực nghiệm xác nhận sự suy giảm suất liều theo khoảng cách tuân thủ định luật bình phương nghịch đảo; sự sai khác cục bộ được giải thích bởi kích thước hữu hạn của buồng ion hóa và độ tán xạ không khí trong phòng.
• Đánh giá độ suy giảm của các tấm chắn chì: Phân tích thực nghiệm độ suy giảm của các tấm chì X4, X10, X25 và khớp nối đường cong suy giảm để mở rộng tính toán cho các mức che chắn 40 lần, 100 lần, 250 lần và 1000 lần.
• Đánh giá độ không đảm bảo đo: Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo mở rộng $U(H)$ (%) theo khoảng cách và phẩm chất bức xạ cho thấy sai số tổng hợp được kiểm soát chặt chẽ, đáp ứng đầy đủ yêu cầu của một phòng chuẩn cấp 2 SSDL.

Kết luận và kiến nghị

• Kết luận: Khóa luận đã khảo sát toàn diện trường chuẩn liều gamma $^{137}\text{Cs}$ trên hệ Hopewell Designs Model G10 tại Trung tâm Hạt nhân TP.HCM; xác lập được bộ dữ liệu chuẩn liều có độ tin cậy cao, phù hợp tiêu chuẩn TCVN 7042-1:2008 và ISO 4037.
• Kiến nghị: Tiếp tục tiến hành nghiên cứu mở rộng khảo sát đáp ứng của các buồng ion hóa dạng cầu khác (Exradin A3, A4, A6), mở rộng khảo sát trên hệ chuẩn tia X và triển khai quy trình hiệu chuẩn thực tế cho các liều kế cá nhân và máy đo suất liều cầm tay.

---

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã thu được các kết quả định lượng cụ thể về thông số kỹ thuật, hệ số chuyển đổi và đặc trưng trường liều bức xạ gamma $^{137}\text{Cs}$:

Bảng 1: Thông số kỹ thuật của thiết bị đo và hệ số chuyển đổi liều chuẩn

Danh mục	Thông số / Đại lượng	Giá trị / Đặc tính kỹ thuật
Nguồn bức xạ $^{137}\text{Cs}$	Mã hiệu nguồn	GSR-$^{137}\text{Cs}$/A (Eckert & Ziegler)
	Hoạt độ ban đầu ($A_0$)	$26,973\text{ Ci}$ (tại ngày 13/05/2019)
	Năng lượng phát xạ gamma	$662\text{ keV}$
	Chu kỳ bán rã ($T_{1/2}$)	$11050 \pm 90\text{ ngày}$
	Vỏ bọc nguồn	Thép không gỉ 1.4571, mật độ diện tích $0,5\text{ g/cm}^2$
Buồng ion hóa Exradin A5	Thể tích buồng ghi đo	$100\text{ cm}^3$
	Vật liệu vỏ và guard	Nhựa Shonka C552 tương đương không khí
	Hệ số hiệu chỉnh suất liều ($N_k$)	$3,020 \times 10^5\text{ Gy/C}$
	Dải nhiệt độ, áp suất làm việc	$15 - 32^\circ\text{C}$; $650 - 770\text{ mmHg}$
Điện kế SuperMAX	Dải đo điện tích	$0,001\text{ pC} - 999,9\text{ }\mu\text{C}$ (2 kênh đo độc lập)
Hệ thống tấm chắn chì G10	Bề dày tấm chắn X4, X10, X25	$1,16\text{ cm}$ (X4); $2,45\text{ cm}$ (X10); $3,05\text{ cm}$ (X25)
Hệ số chuyển đổi liều ($h$)	$H^*(10)/K_a$ (môi trường)	$1,20\text{ Sv/Gy}$
	$H_p(10)/K_a$ (có slab phantom)	$1,21\text{ Sv/Gy}$
	$H_p(0,07)/K_a$ (liều nông)	$1,25\text{ Sv/Gy}$

Đóng góp thực tiễn và giải pháp đề xuất:

• Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu trường liều chuẩn: Cung cấp bảng dữ liệu hoàn chỉnh về suất air kerma ($K_a$), suất tương đương liều môi trường $H^*(10)$ và suất tương đương liều cá nhân $H_p(10)$ tại các khoảng cách từ 1 m đến 3 m cho chùm tia gamma $^{137}\text{Cs}$ trần và qua các tấm chắn chì suy giảm 4 lần, 10 lần, 25 lần.
• Xây dựng đường cong suy giảm chuẩn: Thiết lập đồ thị phân bố liều theo khoảng cách và suy giảm qua các lớp che chắn mở rộng (40, 100, 250 và 1000 lần), phục vụ trực tiếp cho việc nội suy liều chiếu trong công tác chuẩn hóa thiết bị.
• Đánh giá định lượng độ không đảm bảo đo: Thiết lập quy trình đánh giá độ không đảm bảo đo tổng hợp và mở rộng $U(H)$ với hệ số phủ $k = 2$ theo hướng dẫn GUM và ISO 4037, chứng minh tính tin cậy của hệ đo chuẩn liều cấp 2 tại Trung tâm Hạt nhân TP.HCM.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Khóa luận chỉ tập trung thực nghiệm trên một đồng vị phóng xạ đơn năng là $^{137}\text{Cs}$ (662 keV) trên máy chiếu G10, chưa thực hiện trên các nguồn phóng xạ gamma khác hoặc hệ máy phát tia X.
  • Phép đo thực nghiệm chỉ sử dụng một model buồng ion hóa dạng cầu Exradin A5 ($100\text{ cm}^3$), chưa so sánh đối chứng toàn diện với các model buồng khác trong cùng phòng chuẩn.
  • Dải khoảng cách thực nghiệm bị giới hạn từ 1 m đến 3 m do kích thước hình học của phòng chiếu và yêu cầu khống chế tán xạ dưới 5%.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Khảo sát mở rộng đặc trưng trường liều với các model buồng ion hóa Exradin A3, A4, A6 để tối ưu hóa phép đo ở các dải suất liều khác nhau.
  • Tiến hành khảo sát trường chuẩn liều trên hệ thiết bị phát tia X tại Trung tâm Hạt nhân TP.HCM.
  • Ứng dụng trường chuẩn liều đã xác lập để thực hiện kiểm chuẩn, đánh giá độ đáp ứng cho các thiết bị đo liều/suất liều cầm tay và liều kế cá nhân nhiệt phát quang (TLD) hoặc quang phát quang (OSLD) thực tế.

---

Giá trị tham khảo

• Đối tượng sử dụng: Sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Vật lý y khoa, Kỹ thuật hạt nhân, An toàn bức xạ và cán bộ kỹ thuật công tác tại các phòng chuẩn đo liều cấp 2 (SSDL), các trung tâm kiểm định thiết bị bức xạ y tế và công nghiệp.
• Các nội dung có giá trị tham khảo cao:
  • Quy trình thiết lập hình học chuẩn trực, căn chỉnh laser 3 trục và phương pháp vận hành hệ máy chiếu xạ gamma Hopewell Designs G10 kết hợp buồng ion hóa Exradin A5 và điện kế SuperMAX.
  • Phương pháp luận tính toán suất air kerma, hiệu chỉnh mật độ không khí ($k_{TP}$), hiệu chỉnh phân rã phóng xạ và chuyển đổi sang các đại lượng liều tương đương $H^*(10), H_p(10)$.
  • Phương pháp phân tích và đánh giá độ không đảm bảo đo chi tiết theo chuẩn quốc tế GUM/ISO 4037 cho các phép đo liều lượng học bức xạ.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn phóng xạ và hệ máy chiếu xạ được sử dụng trong khóa luận có đặc điểm kỹ thuật gì?

Khóa luận sử dụng hệ máy chiếu xạ Hopewell Designs Model G10 tích hợp thanh nguồn chuẩn kín GSR-$^{137}\text{Cs}$/A (năng lượng gamma 662 keV). Nguồn được kiểm định ngày 13/05/2019 với hoạt độ 26,973 Ci và chu kỳ bán rã $11050 \pm 90$ ngày. Trụ chứa nguồn bọc chì dày 6,5 cm bọc thép không gỉ, điều khiển thanh nguồn bằng xi lanh khí nén, ống chuẩn trực dài 30 cm có khẩu độ góc mở $17^\circ$.

2. Buồng ion hóa Exradin Model A5 có cấu tạo và thông số hoạt động ra sao?

Buồng ion hóa Exradin Model A5 (mã hiệu REF: 92724) là loại buồng hình cầu hở có thể tích thu nhận $100\text{ cm}^3$, cấu tạo từ vật liệu nhựa tương đương không khí Shonka C552. Buồng có hệ số hiệu chỉnh suất liều $N_k = 3,020 \times 10^5\text{ Gy/C}$, làm việc trong dải nhiệt độ $15 - 32^\circ\text{C}$ và áp suất $650 - 770\text{ mmHg}$, chuyên dùng cho phòng chuẩn đo liều cấp 2 để đo liều trong trường xạ lớn và đánh giá độ tán xạ.

3. Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất $k_{TP}$ được tính toán như thế nào?

Do buồng ion hóa A5 thông với không khí môi trường qua lỗ thoát (vent), khối lượng khí trong buồng thay đổi theo điều kiện môi trường. Hệ số hiệu chỉnh $k_{TP}$ đưa mật độ không khí tại thời điểm đo về điều kiện chuẩn ($20^\circ\text{C}$ và $1013,25\text{ hPa}$) theo công thức: $$k_{TP} = \left(\frac{273,15 + t}{293,15}\right) \cdot \left(\frac{1013,25}{P}\right)$$ trong đó $t$ là nhiệt độ môi trường đo ($^\circ\text{C}$) và $P$ là áp suất khí quyển đo được ($\text{hPa}$).

4. Các hệ số chuyển đổi $h$ từ suất air kerma sang suất liều tương đương có giá trị bao nhiêu?

Theo tiêu chuẩn ISO đối với nguồn gamma $^{137}\text{Cs}$, hệ số chuyển đổi $h$ được áp dụng như sau:

• Suất tương đương liều môi trường: $H^*(10)/K_a = 1,20\text{ Sv/Gy}$.
• Suất tương đương liều cá nhân sâu (khi có slab phantom): $H_p(10)/K_a = 1,21\text{ Sv/Gy}$.
• Suất tương đương liều cá nhân nông: $H_p(0,07)/K_a = 1,25\text{ Sv/Gy}$.

5. Yêu cầu bố trí hình học phòng chuẩn để kiểm soát bức xạ tán xạ là gì?

Phòng chiếu xạ SSDL phải có kích thước tối thiểu $4\text{ m} \times 4\text{ m} \times 3\text{ m}$. Khoảng cách từ tâm nguồn đến vị trí đặt buồng ion hóa ($d_1$) phải đạt tối thiểu $30\text{ cm}$, và khoảng cách từ buồng ion hóa đến vách tường sau ($d_2$) phải đạt tối thiểu $1\text{ m}$ nhằm đảm bảo lượng bức xạ tán xạ từ tường và môi trường xung quanh đóng góp dưới 5% tổng suất air kerma đo được.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Kim Yến đã hoàn thành việc khảo sát thực nghiệm và xây dựng trường chuẩn liều gamma $^{137}\text{Cs}$ trên hệ thiết bị Hopewell Designs Model G10 tại Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu đã xác lập thành công bộ dữ liệu chuẩn về suất air kerma, suất tương đương liều môi trường $H^*(10)$ và suất tương đương liều cá nhân $H_p(10)$ trong dải khoảng cách từ 1 m đến 3 m cho chùm tia trần và qua các tấm chắn chì suy giảm 4, 10, 25 lần. Kết quả đánh giá độ không đảm bảo đo theo tiêu chuẩn GUM và ISO 4037 khẳng định độ tin cậy và tính ổn định cao của hệ đo, tạo cơ sở thực nghiệm vững chắc phục vụ công tác kiểm định và chuẩn hóa các thiết bị ghi đo bức xạ tại khu vực phía Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan: trình bày những hiểu biết tong quan của tác giả về tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất, hệ đo phỏng chuẩn gamma, phương pháp xác định suat liều suất air kerma và từ đó dé 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: tông hợp và tiền 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 tỉnh toán và phương hướng nghiên cứu. phát triển tiếp theo cho đề tài. Tương tac gamma với vat chat 1. Sự suy giảm của gamma khi đi qua vật chất Vé mặt an toàn bức xạ.

bức xạ gamma có mỗi nguy hiểm cao do có độ đâm xuyên rất lớn. Do đỏ, 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 xa gamma, sự thay đôi cường độ chùm tia khi đi qua một lớp vật liệu mỏng x được tính như sau: I=IeTM » (1.1) Trong đó; Ip là cường độ chùm bức xa gamma tới (keV); I là cường độ chùm bức xa gamma sau khi đi qua vật chất (keV); _ là hệ số suy giảm tuyến tính (cm); x la quảng đường chùm bức xa gamma dịch chuyên trong vật chất (cm). Hệ số suy giảm tuyến tính p phụ thuộc vào năng lượng của bức xa 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 clectron—positron, chính các electron nay 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 tao cặp. Hiệu ứng quang điện Khi bức xạ gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mat và năng lượng của gamma truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo dé nó bay ra khỏi nguyên tử.

Electron này được gọi là quang electron (Hình 1. Do không bảo đảm được định luật bảo toản năng lượng và động lượng, hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với electron tự do. dé hiệu ứng quang điện có thé xảy ra, năng lượng bức xạ gamma phải lớn hon 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 xa gamma và các electron xảy ra quá trình tán xạ đàn hỏi. Sau tán xạ, electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử, còn bức xạ gamma bị mat 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 đo. Hiệu ứng tạo cặp Khi bức xa gamma đi qua điện trưởng của hạt nhan, một cặp electron-positron được sinh ra (Hình 1.

Quá trình tao cặp xảy ra gần hạt nhân, đề tông 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 phan năng lượng con dư biến thành động năng của electron và positron. Quá trình tạo cặp cũng có thê 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 mat dan nang lượng của mình dé 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 húy electron-positron. 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 dé xác định, thiết lập mỗi tương quan giữa các giá trị chỉ thị bởi thiết bị đo, hệ thông đo, hoặc các giá trị đại diện cho phép đo so với các giá trị thực quy ước của đại lượng đo dé đánh giá sai số và các tính chất đặc trưng của nó. Hiệu chuẩn nhằm: t2 + 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 chuân đo lường nhằm đảm bảo tính thông 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 do. + Dam bao sự tin cậy của phương tiện đo đối với các kết quả đo. + Xác định được độ không dam bao do 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 chuan chất lượng của ngành, quốc gia. 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 xa (Radiation Protection Center — RPC). Điểm tham chiếu của thiết bị đo — Reference point of a measuring instrument: Là điểm được sử dụng đề định vị thiết bị tại vị trí hiệu chuân mà giá trị thực quy ước tai vị trí đó đã được biết. Điểm tham chiếu có thé được đánh dau 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 chuân đo liều cấp 2 của RPC tại vị trí đặt thiết bị đo trong trường bức xạ chuẩn với giá trị doc (Measured value - M) của thiết bị đo cần được hiệu chuẩn. Liều chuẩn cho liều kế cá nhân (SDpp): Là giá trị liễu chuẩn thực quy ước được xác định bằng hệ chuẩn đo liều cap 2 của Phòng chuẩn liễu tại vị trí đặt liều kế cần được chiều liêu chuân. Điều kiện chuẩn - Reference conditions: Là điều kiện mà áp suất có giá trị 1013,25 hPa, nhiệt độ có giá trị 20°C va độ 4m tương đối năm trong khoảng từ 30% - 70%. Chuan cấp 2 — Secondary Standard: Là các thiết bị có độ chính xác, ôn định lâu đài theo thời gian và được hiệu chuẩn bằng cách so sánh trực tiếp với chuân cấp 1 hoặc chuẩn tương đương cấp 1, có chứng chi làm bằng chứng vẻ việc truyền chuẩn này.

Chuan cấp 2 được duy trì bởi các phòng thí nghiệm đo liều nằm trong mạng lưới các Phòng chuẩn đo liều thuộc Co quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (International Atomic Energy Agency - IAEA) hoặc Tổ chức Y tế Thể giới (World Health Organization — WHO). Thời gian đáp ứng — Time Response: Là khoảng thời gian từ khi bắt đầu chiều xạ của thiết bị đo cho tới khi độ đáp ứng của thiết bị đó đạt được 90% giá trị liều chiều xạ và có trạng thái ôn 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 chuan và xác định phẩm chất bức xạ thích hợp của các thiết bị được sử dụng dé đo bức xạ ở các nước dang phát triển và hỗ trợ liên kết các cơ sở đo lưởng 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. Trung tâm Hạt nhân Thành pho Hỗ Chi Minh đã được Bộ Khoa học và Công nghệ đâu tư Phòng chuan liều bức xạ cap 2 với 2 hệ thiệt 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 tiều chuân ISO 4037 [2. 6, 17, 19], phòng có kích thước đủ lớn cho dang 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 dé dam bao 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 ding đề hiệu chỉnh các thiết bị phát hiện bức xạ với các tính năng sau: + Các mẫu nguồn bức xạ dạng thanh đơn hoặc kép, có sẵn nguồn !3?Cs, + Bộ che chắn nguồn với các tắm chì có bề day khác nhau.

+ Chùm bức xạ được chuẩn trực. + _ Có thê hoạt động theo 2 cơ chế: tùy chỉnh trên bàn điều khiến hoặc tự động hóa hoản 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 chuan là nguồn '**Cs có hoạt độ 26,973 Ci. Nguồn !?Cs 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 chuan gamma tại Trung tâm. trong khóa luận sẽ thiết lập các thí nghiệm nhằm xác định suất air kerma, suất tương đương liều môi trưởng H*(10), suất tương đương liều cá nhân Hp(10) từ khoảng cách 1 m đến 3 m với lần lượt cho nguồn !37Cs trần, nguôn !?”C$ có tam chắn chì suy giảm 4 lan, 10 lần và 25 lần.

Từ đó xác định trường chuẩn liều cho nguồn gamma tại các vị trí trên. Các đèn cảnh báo nguồn Thanh nguồn Ông chuẩn trực | Võ nguồn loại A GSR Lớp che chắn bức xa Bộ phận kết nỗi thanh nguồn | Xi lanh khí | Bộ điều chinh chiều cao thanh nguồn Tru chứa nguồn - Hình 1. Cấu tạo bên trong của trụ nguồn phát bức xạ gamma [26] 1. Nguồn phóng xạ Do đồng vị '*’Cs trong tự nhiên chỉ được tìm thay ở dang muối bột (điên hình là mudi Xesi clorua) nên việc sử dụng vỏ nguồn chứa bột mudi này thường là phương thức chính sản xuất nguồn phóng xạ ''?Cs, Vỏ nguồn phải đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn ISO 1677 (về các nguồn phóng xạ kín).