CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu và các vấn đề còn tồn đọng Chùm electron phát ra từ các máy gia tốc đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong y tế, chiếu xạ thực phẩm [46], biến tính polyme, đổi màu đá bán quý và xử lý môi trường (khí thái, nước thải và bùn thải). Sự phân bố liều theo độ sâu sàn phẩm chiếu xạ và hiệu ứng phát bức hãm sau các bia là chú đề đã và đang được quan tâm nghiên cứu để xác định liều chiếu xạ chính xác hon và tính toán che chắn an toàn cho cơ sở bức xạ. Trong quá trình tương tác với vật chat, electron mat năng theo cơ chế ion hóa tạo nên đường phân bố liều đặc trưng trong sán phẩm chiếu xạ [17, 23, 38, 56], Hiệu ứng phát bức xạ hãm tạo ra chùm photon với phố năng lượng liên tục từ 0 đến năng lượng electron (Eo) [33].
Các yếu tổ ảnh hưởng đển đường phân bố liều và đặc trưng phô bức xạ hãm được nghiên cứu để ứng dụng máy gia tốc electron trong xư lý bức xạ gồm: năng lượng chùm electron, phổ năng lượng electron, mật độ và đặc diêm phân bố cùa vật liệu chiếu xạ. Tình hình nghiên cứu trên thế giói Đặc trưng phân bổ liều trong vật liệu được chiểu xạ bới chùm electron đã được nghiên cứu từ nhừng năm 1970. và cộng sự đã sừ dụng liều kế phim để đo phân bố liều trong carbon, nhôm, nhựa polyethylene, nhựa polystyrene được chiếu xạ bời chùm electron năng lượng 10 (MeV) [19]. Trong công trình nghiên cứu [19], các liều kế được cài trong các nêm (Wedge) và các lớp vật liệu chồng lên nhau (Stack) [30] đế đo liều dọc theo chiều sâu vật liệu.
Kết quả trong [19] cho thấy đường phân bố liều theo chiều sâu vật liệu phụ thuộc vào mật độ của vật liệu chiểu xạ. Trong đó, độ sâu vật liệu có liều cực đại (đinh cùa đường phân bố liều) trong nhôm: 0,95 (cm), trong carbon: 1,7 (cm), trong polystyrene: 2,9 (cm) và trong polyethylene: 3,0 (cm). Độ xuyên sâu tối đa của chùm electron trong các vật liệu nhôm: 2,0 (cm), carbon: 3,27 (cm), polystyrene: 4,91 (cm) và polyethylene: 5. 5 Năm 2005, Miller R [38] nghiên cứu chiếu xạ thực phẩm bằng chùm electron trực tiếp và chuyển đồi sang tia X.
Phân bố liều và hiệu suất chiếu xạ sử dụng trực tiếp chùm electron 10 (MeV) và chùm electron 5 (MeV) khi chuyển sang tia X đà được nghiên cứu trong [38]. Trường họp chiếu xạ trực tiếp bang chùm electron 10 (MeV), chương trình Tiger được sử dụng đế tính phân bổ liều và hiệu suất chiếu xạ một mặt và hai mặt. Ket quá trong [38] cho thấy độ xuyên sâu cực đại của chùm electron 10 (MeV) trong nước là 5.43 (cm), mật độ mặt tối ưu đô chiếu xạ một mặt là 3,8 (g/cm2), độ đồng đều về liều DUR (tỉ số Dmax/Dmin) là 1,35 và hiệu suất chiếu xạ là 70%. Trong chiếu xạ hai mặt, mật độ mặt tối ưu là 8,6 (g/cm2), độ đồng đều về liều là 1,35 và hiệu suất chiếu xạ 70%.
Nếu sản phầm chiếu xạ có mật độ mặt dưới 3 (g/cm2) thì chiểu xạ hai mặt có độ dồng dều là: DUR = 1,0 nhưng hiệu suất đạt 60% do chùm electron xuyên qua sản phẩm chiếu xạ. Một kết quả quan trọng khác cũng được trình bày trong [38] là khi chiếu xạ sản phẩm có dạng hình trụ tròn (ví dụ chiếu xạ xúc xích) liều ở vùng tiếp giáp giữa hai ống trụ cao gấp hai lần liều trên bề mặt, do đó phương pháp che chắn cũng được đề xuất để độ đồng đều liều tốt hơn. Trong trường hợp chuyển đồi sang tia X. các tính toán hiệu suất chuyển đôi với các bia khác nhau cũng đã được trình bày.
Theo đó, với chùm electron 5 (MeV), bia chuyến đối bằng tantan (73Ta), mật độ khối 16,65 (g/cm3), bề dày trong khoảng từ 8 đến 10 (mm) đạt hiệu suất chuyển đổi sang tia X cao nhất (9,7%). Sựu ành hường của đặc trưng môi trường chiếu xạ lên đường phân bổ liều được Ponomarev A. [43] nghiên cứu khi chiếu xạ lên ống nhựa rồng. Kết quả cho thay sự ảnh hướng của tỷ số giữa bồ dày và bán kính ống nhựa lên đường phân bố liều.
và cộng sự [32] đà xác định đường phân bố liều trong sàn phâm chiếu xạ hình dạng ống tròn với nhiều lớp vật liệu khác nhau như: cáp điện, ống pipes, ống mềm. Kết quả thu được trong [32] bao gồm đường phân bố liều khi chiếu xạ một mặt và hai mặt trong sân phàm chiểu xạ hình trụ tròn đặt nam ngang với các lớp vật liệu PVC-A1-PVC-A1R và PVC-A1-PVC-PE. 6 về hiệu ứng phát bức xạ hãm và che chắn chùm photon sinh ra sau các bia, IAEA xuất bán ấn phẩm TRS-188 [20] liên quan đến an toàn bức xạ trong vận hành máy gia tốc electron. Các vẩn đề được đưa ra trong [20] gồm: đặc trưng phát bức xạ hãm sau các bia bị chiểu xạ bới chùm electron với các mức năng lượng khác nhau.
Đối với bia nặng và chùm electron 10 (MeV), cường độ chùm bức xạ hãm tạo ra sau bia theo hướng bay của chùm electron (góc 0°) lớn gap 104 lần cường độ chùm bức xạ theo hướng vuông góc với chùm electron tới. Trong TRS-188, năng lượng ngưỡng và tiết diện phán ứng (y, n) sinh ra trong các bia khác nhau cũng được trình bày. Với các nguyên tử trong không khí, trong sản phàm chiếu xạ và vật liệu chc chắn, năng lượng ngưỡng nằm trong khoảng từ 6,5 đến 18. Phô bức xạ hãm và phân bố góc bay của chùm photon sau các bia được chiếu bơi chùm electron với các mức năng lượng khác nhau được Kazuaki K.
và các cộng sự nghiên cứu với chùm electron năng lượng 18; 28 và 38 (MeV), tại góc bay từ 0 đến 120° [33], Trong [33] đà đo suất liều photon tạo ra sau bia đồng (Cu) và bia volfram (W) tại các góc bay 0°; 30°; 45°; 60°; 90° và 120° với năng lượng electron tới 18; 28 và 38 (MeV). Ngoài ra, kết quả mô phòng MCNP5 cho phổ bức xạ hãm sau bia nhôm (Al) và bia chì (Pb) với năng lượng chùm electron từ 10 đến 30 (MeV) cũng được trình bày trong [33], Việc ứng dụng ngày càng rộng rãi của chùm electron cho các mục đích khác nhau đã thúc đấy công nghệ gia tốc phát triển không ngừng. Những nghiên cứu mới đây đang hướng đến thế hệ gia tốc plasma Wakefield được kích thích bằng chùm laser (LWFA) [48]., 1979, đà công bố công trình [52] về máy gia tốc electron sử dụng chùm laser kích thích khối plasma. Công trình [52] đã mô phòng quá trình gia tốc chùm electron bằng việc sử dụng tia laser bước sóng ngắn để gây 7 nhiễu loạn khối plasma, hình thành điện trường gia tốc chùm electron.
Ket quả trong công trình cho thấy chùm laser mật độ công suất 1018 (W/cm2) bắn vào khối plasma mật độ 10'8 (hạt.cm 3) sẽ tạo ra điện trường gia tốc lên 0,3 (GV/cm). Nhằm ứng dụng máy gia tốc LWFA trong xử lý bức xạ, N. Nakanii và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm trên hệ Petawatt laser tại Viện kỷ thuật laser trường Đại học Osaka, Nhật Bán [39], với mục đích là xác định pho năng lượng electron. Ket quả trong [39] đã cho thấy phổ electron sau khi được điều biến từ máy gia tốc LWFA sử dụng laser đế kích thích có năng lượng trải rộng từ 3,5 đến 30 (MeV), đinh phô tại năng lượng 10 (McV).
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà chùm electron phát ra từ máy gia tốc được dẫn qua hệ từ trường đê lọc các mức năng lượng khác nhau [42]. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam Tại Việt Nam, máy gia tốc electron RF-LINAC đà và đang được nghiên cứu ứng dụng cho các mục đích: chiếu xạ thực phẩm, biến tính polyme, xạ trị trong y tế, chiếu xạ đối màu đá bán quý và nghiên cứu xử lý môi trường. Trong các nghiên cứu ứng dụng máy gia tốc electron, các công trình đã công bố tập trung vào các đặc trưng phân bổ liều electron và phát xạ photon theo cơ chế bức xạ hãm để tính toán liều chiếu và che chan an toàn. Bùi Vãn Loát và các cộng sự [2] đã xác định đặc trưng cùa chùm photon và electron phát ra từ máy gia tốc RF-LINAC để ứng dụng trong nghiên cứu quang hạt nhân.
Trong [2], phân bố liều của chùm bức xạ hãm sau bia chuyển đôi tia X và chùm electron phát ra từ máy gia tốc Primus - Siemens (năng lượng chùm electron 6; 9; 12 và 15 (MeV) và năng lượng chùm photon 6 và 9 (MeV)) đã được xác định để ứng dụng trong xạ trị. Các két quả chính trong [2] gồm: đường cong phân bố liều photon trong không khí theo khoảng cách từ nguồn electron, phân bo lieu photon theo phương vuông góc với hướng tới của chùm electron. Kết quả về phân bố liều hấp thụ theo chiều sâu trong phantom nước được trình bày với các mức năng lượng electron là 6; 9; 12 và 15 (MeV). 8 Dương Thành Tài và cộng sự (2018) [4] đã mô phỏng máy gia tốc tuyến tính ứng dụng cho xạ trị tại bệnh viện đa khoa Đồng Nai bang phương pháp Monte- Carlo.
Trong [4], chương trình BEAMnrc và DOSXYZnrc được sử dụng để mô phỏng và tính toán phân bo lieu photon trong phantom nước. Ket quá về phân bố liều theo độ sâu phantom của chương trình tính toán đã được so sánh với thực nghiệm và cho sai lệch giữa tính toán và thực nghiệm là 0,7%, độ thăng giáng về liều theo phương ngang là 2%. Năm 2010 máy gia tốc RF-LINAC (mã hiệu UELR-10-15S2) được lẳp đặt và đến tháng 9 năm 2012 đưa vào vận hành với mục đích chiếu xạ thực phẩm tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ. Hai vấn đề chính được tập trung nghiên cứu trên máy gia tốc RF-L1NAC gom: phân bố liều xung quanh buồng chiếu xạ và phân bố liều trong sản phâm chiếu xạ.
Nguyễn Anh Tuấn và cộng sự (2013) [6] đã sử dụng mô phỏng MCNP và thực nghiệm đo phân bo liêu xung quanh buồng chiếu xạ bằng liều kế TLD và liều kc Fricke. Kct quà chính trong 16] là phân bố liều trong không khí tại các vị trí quan trọng của khu vực vận hành chiếu xạ để đánh giá an toàn bức xạ cho cơ sở. Cao Văn Chung và cộng sự (2012) 11] đã trình bày phân bố liều trong sân phẩm chiếu xạ và chế độ chiếu xạ (một mặt hoặc hai mặt). Trong [1], đường phân bố liều theo chiều sâu sản phẩm chiếu xạ đã dược tính toán bằng MCNP cho cả hai chế độ chiếu xạ một mặt và hai mặt.