nghiên cứu sử dụng bộ lọc để giảm độ bất đồng đều liều trong sản phẩm chiếu xạ trên máy gia tốc chùm tia điện tử uerl-10-15s2

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, em đã nhận được sự giảng
dạy tận tình của quý thầy cô. Chính nơi đây đã giúp em trưởng thành trong học tập. Để
hoàn thành tốt khóa luận em đã nhận được sự quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ và động
viên của quý thầy cô, gia đình, bạn bè….
Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Ban Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ đã tạo
điều kiện cho em hoàn thành khóa luận.
Thầy hướng dẫn TS. Trần Văn Hùng đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình
thực hiện nghiên cứu và hoàn thành tốt khóa luận.
Trưởng bộ môn Vật lý Hạt nhân PGS.TS. Châu Văn Tạo đã tạo điều khiện cho
em học tập và thực hiện khóa luận.
Thạc sĩ Cao Văn Chung là người thầy đầu tiên truyền đạt cho em những kiến
thức về CODE MCNP và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho khóa luận.
Quý thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã giảng dạy cho em trong suốt quá
trình học tập.
Các bạn lớp 10vlhn đã quan tâm động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình
học tập và thực hiện khóa luận.
Cuối cùng, xin khắc sâu công ơn của cha mẹ, gia đình đã luôn sát cánh bên em
trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện khóa luận, luôn động viên và ủng hộ
để em hoàn thành khóa luận này trong điều kiện tốt nhất.
TP. Hồ Chí Minh tháng 7 năm 2014
Sinh Viên
Nguyễn Vũ Diệu Linh
2
MỤC LỤC
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Các ký hiệu
T
e

Động năng tương đối của electron
T Động năng của electron
Năng lượng ion hóa trung bình của nguyên tử môi trường
p Động lượng của hạt
E
part
Năng lượng của bức xạ điện từ
E
max
Năng lượng cực đại của electron
E(d) Năng lượng trung bình của electron sau khi qua bề dày d
E
0
Năng lượng ban đầu của electron
f Phần năng lượng electron chuyển thành photon
W
F
Năng lượng electron để lại trong vật chất
η
b
Năng lượng hữu ích
W Cường độ bức xạ hãm
η Hiệu suất chùm tia
∆m Khối lượng vật chất chiếu xạ
∆V Thể tích vật chất chiếu xạ
n
e
Mật độ electron trong môi trường
δ Số hạng hiệu chỉnh hiệu ứng mật độ
Z Bậc số nguyên tử của môi trường vật chất

ρ Tỷ trọng khối
ρ
a
Tỷ trọng mặt
n Mật độ nguyên tử
m
e
Khối lượng electron
m
p
Khối lượng proton
m
n
Khối lượng neutron
e Điện tích electron
c Vận tốc ánh sáng
v Vận tốc của hạt electron bắn tới
υ Vận tốc băng chuyền
σ
rad
Tiết diện hiệu dụng
σ(T,ν) Tiết diện phát photon
D Liều hấp thụ
D
tb
Liều trung bình
D
S
Liều tổng
P

ht
Suất liều hấp thụ
d Chiều dày đối tượng chiếu xạ
d
opt
Chiều dày tối ưu
X
0
Chiều dài bức xạ
r
e
Bán kính cổ điển của electron
4
Các chữ cái viết tắt
Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
MCNP Monte Carlo N-Particle
Chương trình mô phỏng vận
chuyển hạt N của nhóm
J.F.Briesmeister
ENDF Evaluated Nuclear Data File Thư viện số liệu hạt nhân
ENDL
Evaluated Nuclear Data
Library
Thư viện số liệu hạt nhân
ACTL ACTivation Library Thư viện kích hoạt từ Livemore
ADN Acid Deoxyribo Nucleic Axit Deoxyribo Nucleic
5
DANH MỤC CÁC BẢNG
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

7
MỞ ĐẦU
Chiếu xạ thực phẩm là một công nghệ đảm bảo an toàn về mặt vệ sinh thực
phẩm và rất kinh tế. Hiện nay trên thế giới có nhiều nước sử dụng công nghệ này để xử
lý và bảo quản các loại thực phẩm khác nhau bao gồm trái cây, rau củ, gia cầm.
Các cá thể sinh vật đầu tiên liên quan trực tiếp đến sự giữ gìn và bảo quản thực
phẩm bao gồm: vi khuẩn, men giấm, nấm mốc, vi rút, các ký sinh trùng khác và các
loại sâu bọ.
Để giữ thực phẩm được lâu và an toàn khi sử dụng, ta dùng các bức xạ ion hóa
gây ra những biến đổi về mặt sinh hóa nhằm ngăn chặn quá trình sao chép của AND,
gây chết các tế bào vi khuẩn, côn trùng….
So sánh phương pháp chiếu xạ với phương pháp bảo quản thực phẩm khác như
đông lạnh hay dùng hóa chất thì phương pháp chiếu xạ an toàn và mang tính kinh tế
hơn rất nhiều. Các ảnh hưởng của việc chiếu xạ lên thực phẩm và lên người ăn thực
phẩm chiếu xạ đã được nghiên cứu rộng rãi và lâu dài tại Mỹ cũng như các nước tiên
tiến khác. Những nghiên cứu này cho thấy thực phẩm chiếu xạ có những lợi ích sau:
Thứ nhất, chiếu xạ với liều thích hợp sẽ tiêu diệt được các vi khuẩn và vi sinh
vật gây bệnh như E. coli, Trichina, Salmonella có trong thịt và gia cầm hay các loại
thực phẩm khác, ngăn chặn sự nảy mầm của khoai tây và tỏi, làm chậm quá trình chín
của trái cây
Thứ hai, thực phẩm chiếu xạ không tiếp xúc với chất phóng xạ mà chỉ bị chiếu
bởi chùm tia điện tử phát ra từ máy gia tốc, do đó nó không bị nhiễm phóng xạ.
Thứ ba, sau khi chiếu xạ, thực phẩm không xuất hiện bất kỳ độc tố nào và
không có sự thay đổi các thành phần hóa học gây ảnh hưởng bất lợi đến sức khỏe con
người.
Thứ tư, chiếu xạ không làm giảm giá trị dinh dưỡng cũng như các vitamin trong
thực phẩm, ngoài ra cũng không có thay đổi nào của acid amin và acid béo
8
Thứ năm, các nhà máy sử dụng công nghệ chiếu xạ thực phẩm vận hành theo đúng
qui trình an toàn sẽ không gây hại gì đến môi trường xung quanh cũng như không gây ảnh

hưởng bất lợi về sức khỏe của nhân viên làm việc.
Chính vì những lợi ích trên mà công nghệ chiếu xạ thực phẩm ngày càng được áp
dụng rộng rãi. Tại Việt Nam, công nghệ chiếu xạ thực phẩm cũng đang được ứng dụng tại
một số cơ sở. Hiện nay Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ đang tiến
hành chiếu xạ các loại thực phẩm xuất khẩu và dụng cụ y tế sử dụng máy gia tốc chùm tia
điện tử UERL-10-15S2.
Thực tế để hoàn tất một quy trình chiếu xạ đạt hiệu quả tối ưu không phải đơn giản.
Do khả năng xuyên sâu của chùm tia điện tử không cao nên tỉ số bất đồng đều về liều khá
lớn
max min
D D
> 2. Vì vậy ta cần lắp rắp thêm bộ lọc để có
max min
D D
< 2. Khóa luận
này nghiên cứu thiết kế độ dày, hình dạng, chất liệu làm bộ lọc và sử dụng chương trình
MCNP (Monte Carlo N-Particle) tính toán phân bố liều trong thùng hàng được chiếu xạ
trên máy gia tốc chùm tia điện tử UELR-10-15S2. Để quá trình chiếu xạ được an toàn, đơn
giản, ít tốn kém hơn và nâng cao hiệu suất chiếu xạ.
Khóa luận được chia thành 3 chương:
Chương 1: Quá trình truyền năng lượng của electron trong vật chất: Trình bày quá
trình mất năng lượng do ion hóa, mất năng lượng do bức xạ, mất năng lượng do bức xạ
Synchrotron, mất năng lượng do bức xạ Cherenkov.
Chương 2: Cơ sở khái niệm bộ lọc và chương trình MCNP: Trình bày cơ sở lý
thuyết cho các tính toán chiều dày bộ lọc và năng lượng electron giảm khi đi qua bộ lọc,
xem xét và lựa chọn vật liệu tối ưu làm bộ lọc, giới thiệu tổng quan về chương trình
MCNP; mô tả sự phân bố chùm tia qua bộ lọc bằng MCNP.
Chương 3: Cải tiến bộ lọc và kết quả tính toán: Kiểm tra kết quả của bài báo khoa
học [6] bằng MCNP; trình bày phương pháp cải tiến và thiết kế bộ lọc tối ưu cho quá trình
chiếu xạ dùng nguồn electron 6 MeV và 10MeV; kết quả tính toán phân bố liều theo độ

sâu trong thùng hàng bằng chương trình MCNP.
Kết luận và kiến nghị.
9
CHƯƠNG 1
QUÁ TRÌNH TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON
TRONG VẬT CHẤT
1.1. Sự mất năng lượng do ion hóa
Khi có sự va chạm của electron này với electron khác, electron có thể mất đi
một phần năng lượng đáng kể (trung bình đến một nửa năng lượng). Nhưng nếu
electron sơ cấp có năng lượng lớn hơn năng lượng electron giật lùi thì năng lượng
trung bình mất đi là một phần tư. Sự mất năng lượng trên đơn vị đường đi của electron
cũng được tính bởi công thức Bethe dạng tổng quát [4]:
( )
( ) ( )
e
4 2
2
2 2 2 2
e e e
2 2
2
ion
e
2πn e m v T
dT 1
- = ln - ln2 1- β - 1 + β +1- β + 1- 1- β - δ
dx 8
m v
2I 1- β
 

 
 
 
 
 ÷
 ÷
 ÷
 
 ÷
 ÷
 
 ÷
 
 
 
 
(1.1)
ở đây,
e
T
là động năng tương đối của electron,
e
n
là mật độ electron trong môi trường,
và δ là số hạng hiệu chỉnh hiệu ứng mật độ.
Khi
v c 1=
, ta có [4]:
e
2

2
e
2
ion
e
m v
dT 4πe e
- = nZ×ln
dx 2
2I
m v
 
 
 ÷
 ÷
 ÷
 
 
(1.2)
ở đây Z, n lần lượt là bậc số nguyên tử và mật độ nguyên tử của môi trường vật chất.
Sau va chạm, chùm electron đơn năng sẽ mất năng lượng và năng lượng của chùm
electron qua tấm vật chất sẽ phân bố trong khoảng năng lượng nào đó phụ thuộc vào bề
dày của vật liệu.
Mặt khác, hạt electron vào có khối lượng bằng khối lượng electron trong nguyên
tử nên va chạm giữa chúng làm hạt electron chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu. Khi
10
đó hạt electron chuyển động theo đường cong gấp khúc sau nhiều va chạm trong môi
trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng để ion hóa.
1.2. Sự mất năng lượng do bức xạ
Khi hạt electron đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột

ngột hướng bay ban đầu, tức là chuyển động có gia tốc và mất năng lượng bằng cách
phát ra bức xạ điện từ, mà thường gọi là bức xạ hãm (Bremsstrahlung). Năng lượng
bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại
0
E
của năng lượng hạt electron
vào. Sự mất năng lượng của hạt electron trong trường hợp này gọi là mất năng lượng
do bức xạ. Cường độ bức xạ hãm W là lượng năng lượng bức xạ trong một giây. Đối
với hạt có gia tốc
dv
a =
dt
r
r
trong trường hợp không tương đối và không lượng tử hóa thì
cường độ bức xạ hãm bằng:
2 2
2
3
3 e z
W = a
2
c
×
r
(1.3)
Thay
F
a =
m

r
r
vào công thức (1.3) ta được:
( )
2
2 2
3 2
F
3 e z
W = × ×
2
c m
r
(1.4)
Từ biểu thức (1.4) ta thấy cường độ bức xạ hãm khi tương tác Coulomb của hạt
với tâm điện tích sẽ tỉ lệ nghịch với bình phương khối lượng hạt và tỉ lệ thuận với bình
phương điện tích của tâm tán xạ. Như vậy, sự mất năng lượng do bức xạ chỉ có giá trị
đáng kể đối với hạt electron chứ không quan trọng đối với hạt nặng tích điện. Chẳng
11
hạn, độ mất năng lượng do bức xạ của hạt proton vào khoảng
2
p
6
n
m
3 10
m
 
≈ ×
 ÷

 
lần nhỏ
hơn đối với electron. Ngoài ra, sự mất năng lượng do bức xạ đối với hạt electron chủ
yếu là do tương tác với hạt nhân chứ không phải do tương tác với các electron quỹ đạo.
Thật vậy, cường độ bức xạ hãm của hạt electron với hạt nhân lớn hơn Z
2
lần so
với tương tác của electron với electron quỹ đạo, trong khi đó số electron quỹ đạo chỉ
lớn hơn Z lần so với hạt nhân.
Nếu biết được tiết diện σ(T, ν) phát photon có tần số ν, khi có sự tương tác giữa
electron có năng lượng T với nguyên tử của môi trường thì sự giảm năng lượng riêng
phần do bức xạ hãm [4] có dạng như công thức (1.5):
( )
max
ν
0
rad
dT
- = n hν×σ T,ν dν
dx
 
 ÷
 
∫
(1.5)
ở đây n là số nguyên tử trong đơn vị thể tích của môi trường, và
max
ν =T h
. Khoảng
cách mà ở đó năng lượng của electron giảm đi e lần, được gọi là chiều dài bức xạ X

0
, ta
có:
0
rad
dT 1 1
- =
dx T X
 
 ÷
 
→
rad
0
rad
1 dT 1
nσ = = - ×
X dx T
 
 ÷
 
(1.6)
Chiều dài bức xạ X
0
thay đổi từ 5,8 g/cm
2
(đối với chì), đến 85 g/cm
2
(đối với heli).
Xác suất phát photon của bức xạ hãm trong trường hạt nhân nguyên tử và trong

trường electron hầu như tỉ lệ với đại lượng ν
-1
, bởi vì sự suy giảm năng lượng do bức
xạ hãm gần như tỉ lệ với năng lượng của electron. Việc miêu tả sự mất năng lượng của
bức xạ hãm khi đưa vào tiết diện hiệu dụng
rad
σ
mà thực tế không phụ thuộc vào năng
lượng của electron là khá tiện lợi. Khi đó tích phân ở công thức (1.6) sẽ là:
12
rad
rad
dT
- = nTσ
dx
 
 ÷
 
(1.7)
Sự mất năng lượng do bức xạ hãm của electron được thực hiện bởi Bethe và
Heiler. Họ đã chỉ ra rằng sự mất năng lượng bức xạ của electron nhanh phụ thuộc vào
màn chắn hạt nhân bởi các electron của nguyên tử, tức là phụ thuộc vào khoảng cách
hiệu dụng giữa electron bức xạ và hạt nhân. Dưới đây là một số công thức tính sự mất
năng lượng do bức xạ trên đơn vị chiều dài đối với electron có năng lượng khác nhau [4].
* Đối với electron có động năng
2
e
T m c=
(trường hợp không tương đối), n là
mật độ nguyên tử, z là điện tích hạt nhân và

2 2
e e
r = e m c
, ta có:
2 2
e
rad
Z r
dT 16
- = nT
dx 3 137
 
 ÷
 
→
2 2
e
rad
Z r
16
σ = ×
3 137
(1.8)
* Đối với electron có động năng
2 2 -1 3
e e
m c T 137m c Z= =

(nếu bỏ qua hiệu
ứng màn chắn), ta có:

2 2
e
2
rad
e
Z r
dT 2T 4
- = nT 4ln -
dx 137 3
m c
 
 
 
 
 ÷
 ÷
 ÷
 
 
 
 
→
2 2
e
rad
2
e
Z r
2T 4
σ = 4ln -

137 3
m c
 
 
 
 ÷
 ÷
 
 
 
(1.9)
* Đối với electron có động năng
2 -1 3
e
137m c Z T=
2 2
e
1 3
rad
Z r
dT 183 2
- = nT 4ln +
dx 137 9
Z
 
 
 
 ÷
 ÷
 

 
 
 
13
→
2 2
e
rad
1 3
Z r
183 2
σ = 4ln +
137 9
Z
 
 
 ÷
 
 
 
(1.10)
Từ các phương trình (1.8), (1.9) và (1.10) sự mất năng lượng do bức xạ hãm
thì tỉ lệ với bình phương điện tích Z của hạt nhân môi trường, với mật độ nguyên tử
môi trường n và động năng T của electron.
2
rad
dT
- Z nT
dx
 

≈
 ÷
 
(1.11)
Chúng ta hãy so sánh sự mất năng lượng do ion hóa với sự mất năng lượng do
bức xạ.
Sự mất năng lượng do ion hóa khi
v c≈
tỉ lệ với Z và logarit năng lượng. Còn
sự giảm năng lượng do bức xạ tỉ lệ với Z
2
. Vì vậy, ở năng lượng cao sự mất năng lượng
do bức xạ chiếm ưu thế. Khi sự mất năng lượng do ion hóa và do bức xạ là bằng nhau,
ta có năng lượng tới hạn. Ở năng lượng thấp, sự mất năng lượng do ion hóa là chủ yếu.
Từ công thức (1.1) và (1.11), Bethe và Geiger đưa ra hệ thức gần đúng giữa sự
mất năng lượng do bức xạ và ion hóa là:
rad
2
e
ion
dT
dx
TZ
dT
1600×m c
dx
 
 ÷
 
≈

 
 ÷
 
→
800
Z
MeV (1.12)
1.3. Sự mất năng lượng do bức xạ Synchrotron
Một electron di chuyển theo quỹ đạo cong, tức là có gia tốc thì bị bức xạ. Thực
nghiệm đã chỉ ra rằng electron chuyển động trên quỹ đạo cong phát bức xạ điện từ trên
một khoảng tần số rộng (từ tần số radio đến bức xạ gamma mềm). Bức xạ này được
khám phá trong quan sát thiên văn, và sau đó được phát hiện trong những máy gia tốc
vòng (synchrotron), do đó nó được gọi là bức xạ synchrotron.
14
Bức xạ synchrotron được phát ra theo phương tiếp tuyến của quỹ đạo electron
tương đối trong hình nón hẹp với góc một nửa θ thỏa [4]:
2
e
e
m c
1
θ =
Tγ
≈
(1.13)
Ta có:
2
1 1
=
γ

1-β
Trục hình nón được hướng dọc theo tiếp tuyến chùm electron. Điều này đúng cho bất
kỳ điểm nào trên quỹ đạo của electron. Do đó bức xạ synchrotron được tập trung trong
vòng mỏng trong mặt phẳng quỹ đạo. Bức xạ liên tục và có tần số cực đại.
-6 2
0 e
ν = 4,6×10 ×HT
(Hz)
H tính bằng gauss và
e
T
tính bằng electron-volt. Đối với những electron có năng lượng
cao thì tần số này lớn hơn tần số quay của electron trong synchrotron (10
7
Hz). Đối với
H =10
4
G và
e
T
= 100 MeV, bức xạ synchrotron được phát ra trong hình nón có θ = 17´
và
14
0
ν = 4,6×10
Hz, tương ứng với ánh sáng khả kiến màu đỏ. Ở
e
T
= 20 BeV, bức xạ
synchrotron là tia X cứng có chiều hướng về phía trước với θ = 5˝.

Bức xạ synchrotron bị phân cực và cường độ điện trường E thì luôn luôn song
song với mặt phẳng quỹ đạo. Năng lượng mất đi do bức xạ synchrotron gia tăng theo
năng lượng bằng quy luật
4
γ
. Ngoài máy phát synchrotron, những vòng chứa electron
cũng có thể được dùng để có được bức xạ synchrotron. Bức xạ synchrotron có phổ liên
tục, do đó trong thực tế người ta dùng máy đơn sắc (gồm gương và cách tử nhiễu xạ là
khối thạch anh hoặc silicon đơn tinh thể trong miền tia X) để thu các bức xạ đơn sắc.
Với máy đơn sắc tinh thể, người ta có thể cô lập được bức xạ có tần số bất kỳ với sai số
15
tương đối có bậc
-6
ΔE
= 10
E
từ phổ liên tục. Cường độ còn lại sau khi được đơn sắc
hóa thì vẫn còn gấp
2 3
10 - 10
lần cường độ của ống phóng tia X bất kỳ. Với cường độ
cao, khoảng năng lượng rộng, có thể đơn sắc hóa và có khả năng phân cực cũng như có
bản chất xung của bức xạ synchrotron, nó là loại bức xạ rất tốt trong việc áp dụng để
nghiên cứu cấu trúc của vật liệu và giải quyết nhiều vấn đề thực tế quan trọng như:
nghiên cứu sự hấp thụ bức xạ điện từ bởi các chất khí, nghiên cứu hiện tượng huỳnh
quang để xác định thời gian sống và các kiểu phân rã đối với các trạng thái kích thích,
nghiên cứu cấu trúc chất rắn thông qua phổ của nó, nghiên cứu thiên văn và phóng xạ
thiên văn, nghiên cứu cấu trúc của những mẫu sinh vật.
1.4. Sự mất năng lượng do bức xạ Cherenkov
Vào năm 1934, Cherenkov nghiên cứu sự phát quang của muối u-ran dưới tác

động của những tia gamma phát ra từ radium. Ông đã khám phá ra một loại phát quang
mới mà không thể giải thích theo cơ chế huỳnh quang bình thường.
Chúng ta biết rằng hiện tượng huỳnh quang là do sự chuyển dời giữa hai mức
kích thích của nguyên tử hay phân tử. Khoảng thời gian của sự phát huỳnh quang
-10
τ > 10
s và xác suất chuyển dời phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu và nhiệt độ.
Bức xạ Cherenkov có những tính chất sau:
• Sự phân cực của sự phát quang thay đổi rất rõ khi có từ trường. Điều này có nghĩa là
sự phát quang gây ra do hạt tích điện hơn là bởi lượng tử gamma. Những hạt này có thể
là các electron được tạo bởi sự tương tác của lượng tử gamma với môi trường do hiệu
ứng quang điện hoặc hiệu ứng Compton.
• Cường độ bức xạ độc lập với điện tích Z của môi trường, do đó nó không thể có nguồn
gốc từ bức xạ.
• Sự bức xạ ở góc xác định với chiều chuyển động của hạt tích điện.
Sự bức xạ Cherenkov được giải thích vào năm 1937 bởi Frank và Tamm trên cơ
sở điện động lực cổ điển. Họ thấy rằng việc phát biểu: “Hạt tích điện chuyển động
16
thẳng đều trong chân không thì không có khả năng mất năng lượng bởi bức xạ”, sẽ
không còn đúng nữa khi khảo sát trong những môi trường có chiết suất n > 1. Những
kết luận của Frank và Tamm được đưa ra dựa trên định luật bảo toàn năng lượng và
động lượng.
Giả sử rằng hạt tích điện chuyển động thẳng đều có thể mất năng lượng và động
lượng thông qua bức xạ [4], trong trường hợp này phương trình theo sau phải thỏa:
part rad
dE dE
=
dp dp
   
 ÷  ÷

   
(1.14)
Phương trình (1.14) không thể thỏa trong chân không, nhưng có thể có giá trị đối với
môi trường có n > 1. Thật vậy, năng lượng toàn phần E của hạt có khối lượng m ≠ 0 và
di chuyển tự do trong chân không với động lượng p (vận tốc v) là
2 4 2 2
part
E = m c + p c
và do đó ta có:
2
part
dE pc
= = βc = v
dp E
 
 ÷
 
(1.15)
Mặt khác, ta có bức xạ điện từ trong chân không được cho bởi
part
E = pc
, tức là
part
dE
= c
dp
 
 ÷
 
. Bởi vì v < c nên chúng ta có:

part
rad
dE dE
<
dP dp
 
 
 ÷  ÷
 
 
(1.16)
Như thế, theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, nó sẽ ngăn cản hạt
tích điện chuyển động thẳng đều trong chân không phát ra bức xạ điện từ. Tuy nhiên
giới hạn này sẽ được loại bỏ khi hạt chuyển động trong môi trường có chiết suất n > 1.
Trong trường hợp này, vận tốc của ánh sáng trong môi trường là
c' = c n < c
. Khi đó
17
vận tốc v của hạt trong môi trường không những bằng với vận tốc của ánh sáng c’
trong môi trường mà còn có thể vượt qua nó.
c
v c' =
n
≥
Đối với v = c´, điều kiện trên sẽ thỏa đối với những bức xạ điện từ phát chính
xác theo chiều chuyển động của hạt (θ = 0°). Đối với v > c', điều kiện trên sẽ thỏa đối
với chiều mà dọc theo đó
v' = v×cosθ = c'
. Đây là hình chiếu của vận tốc v trên chiều
này. Trong môi trường có n > 1, những định luật bảo toàn cho phép một hạt tích điện

chuyển động thẳng đều với vận tốc:
c
v c' =
n
≥
mất phần năng lượng dE và động
lượng dp của nó bằng cách phát ra dưới dạng sóng điện từ truyền trong môi trường ở
góc θ. Chúng ta có thể sử dụng nguyên lý Huyghens để xây dựng mặt sóng đối với các
sóng bức xạ. Giả sử sau khoảng thời gian t hạt ở vị trí
x = v×t
, ta dựng mặt sóng bao
những sóng cầu phát ra trên đường đi của hạt từ điểm x = 0 đến x. Bán kính của sóng ở
vị trí x = 0 tại thời điểm t là
0
R = c'×t
, trong khoảng thời gian này bán kính ở vị trí
x
x
R = c'× t- = 0
v
 
 
 ÷
 
 
 
. Đối với điểm
[ ]
x' 0;x∈
bán kính của sóng sau khoảng thời gian

t này là
x'
x'
R = c'× t- = 0
v
 
 
 ÷
 
 
 
tức là bán kính của sóng giảm tuyến tính theo sự gia
tăng của x´. Ta thấy mặt phủ là hình nón với góc ở đỉnh là 2φ, với:
0
R
c't c' c 1
sinφ = = = = =
x v×t v v×nβ×n
(1.17)
1
cosθ =
β×n
(1.18)
Chiều truyền của bức xạ Cherenkov được xác định bởi góc θ theo phương vuông góc
18
với mặt sóng.
19
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KHÁI NIỆM BỘ LỌC VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP
2.1. Cơ sở của bộ lọc

2.1.1. Giới thiệu
Chiếu xạ thực phẩm là một công nghệ đảm bảo an toàn về mặt vệ sinh thực
phẩm, an toàn khi sử dụng và rất kinh tế. Chính vì những lợi ích đó mà công nghệ
chiếu xạ thực phẩm ngày càng trở nên quan trọng. Hiện nay Trung tâm Nghiên cứu và
Triển khai Công nghệ Bức xạ đang tiến hành chiếu xạ các loại thực phẩm xuất khẩu và
dụng cụ y tế sử dụng máy gia tốc chùm tia điện tử UERL-10-15S2.
Thực tế để quá trình chiếu xạ đạt hiệu quả tối ưu không phải đơn giản. Do khả
năng xuyên sâu của chùm tia điện tử không cao nên trong thùng hàng liều phân bố
không đồng đều, hình 2.1. Chính vì thế, tỷ số bất đồng đều liều khá lớn
max min
D D
> 2.
Tại những điểm dưới liều, vi khuẩn không bị tiêu diệt. Muốn diệt hết vi khuẩn ta phải
cung cấp thêm liều. Điều này dẫn đến, chất lượng hàng hóa được chiếu xạ ngày càng
xấu đi đồng thời mất hiệu quả chùm tia.
Phương pháp tăng sự đồng đều liều trong khắp chiều sâu của thùng hàng là sử
dụng các vật liệu hấp thụ (được gọi là bộ lọc) [6]. Sau khi đi qua bộ lọc hạt mất dần
năng lượng và thâm nhập vào đối tượng chiếu xạ làm thay đổi sự phân bố liều theo
chiều sâu.
20
Hình 2.1. Phân bố liều trong thùng hàng khi không sử dụng bộ lọc
Biểu đồ hình 2.1 cho thấy đường phân bố liều không đồng đều tại mọi độ sâu
của thùng hàng. D
0
là liều bề mặt,
max
D

là liều tối đa tại độ sâu
m

X
, W
Us
(đánh dấu 2)
khu vực trong thùng hàng liều đồng nhất, X
U
là độ sâu tối đa để xử lý lên đến liều D
0
,
W
EOD
(đánh dấu 1) khu vực quá liều, W
L
(đánh dấu 3) khu vực dưới liều (liều không đủ
lớn để tiêu diệt vi khuẩn).
Mục đích của khóa luận là kiểm tra kết quả của nghiên cứu khoa học trước đó [6]
bằng chương trình MCNP và phát triển chi tiết bộ lọc, bao gồm việc lựa chọn độ dày,
hình dạng, vật liệu thích hợp làm bộ lọc, tính toán tỉ lệ chùm tia điện tử thâm nhập vào
thùng hàng để đảm bảo liều phân bố đồng đều trong khắp chiều sâu của đối tượng
chiếu xạ.
2.1.2. Cơ sở lý thuyết
Chương 2 sẽ cung cấp các công cụ tính toán cụ thể bề dày bộ lọc tương ứng với
các mức năng lượng electron nhằm thiết kế một bộ lọc hoàn chỉnh.
21
Electron năng lượng cao xuyên qua vật chất, chúng mất dần năng lượng qua
tương tác Coulomb với nguyên tử, electron của nguyên tử và hạt nhân. Chùm tia
electron sau khi đi qua chất hấp thụ có bề dày d, tổng liều để lại trong chất thụ được
tính theo công thức [6] (Phụ lục 2).
( ) ( ) ( ) ( )
S 0 0 0 F 0

D x,E ,d = D x,E + K E ,d ×D x,E ,d
(2.1)
trong đó
( )
0
D x,E
,
F
D

và
S
D

lần lượt là liều sơ cấp, liều thứ cấp, liều tổng và
( )
0
K E ,d
là trọng số của liều thứ cấp.
Cần hạn chế tối đa
max
D
, từ đó ta có được độ lệch của
S
D

từ x = 0 đến
max
x = x
[7]:

( ) ( )
m
2
x
2
0 max S 0
2
0
m max
1
Δ E ,d = D - D x,E ,d dx
x D
 
 ∫
(2.2)
trong đó
m
x
là độ sâu của bia tại
( )
0 max
D x,E ,d = D
.
Độ dày của bộ lọc d có thể đạt được chỉ với vài thủ thuật, cho
op
K = K
và
( )
2
0

Δ E ,d
min, ta được công thức sau:
( )
( ) ( ) ( )
( )
m 0
x x
max F 0 0 F 0
0 0
op 0
x
2
m 0
0
D D x,E ,d dx - D x,E ×D x,E ,d dx
K E ,d =
D x,E ,d dx
∫ ∫
∫
(2.3)
Chúng ta kí hiệu tỷ lệ của các hạt xuyên qua một bộ lọc là
( )
b
χ E,d
.
( )
( )
( )
op 0
b 0

op 0
K E ,d
χ E ,d =
1 + K E ,d
(2.4)
Năng lượng hữu ích
b
η
cho chiếu xạ hai mặt có liên quan đến
b
χ
bởi mối quan
hệ:
22
F
b b
0
W
η =1 - χ
E
(2.5)
trong đó
F
W

là phần năng lượng của electron bị hấp thụ trong bộ lọc. Từ công thức
(2.5) ta thấy năng lượng hữu ích
b
η
càng cao khi

b
χ
càng nhỏ.
Năng lượng trung bình của electron sau khi đi qua bộ lọc được biểu diễn bởi
công thức (2.6) [8]:
( )
( ) ( )
0 C R R 0 C R
E d = E S + S ×exp - d×S E - S S
 
 
(2.6)
trong đó
0
E

là năng lượng chùm tia sơ cấp,
C
S

và
R
S

lần lượt là mất năng lượng do
ion hóa và mất năng lượng do bức xạ được tính bởi công thức (2.7) và (2.8) [4]:
* Sự mất năng lượng do ion hóa
C
S
:

2
2
e
C
2
e
m v
4πe e
S = nZ×ln
2
2I
m v
 
 ÷
 ÷
 
(2.7)
* Sự mất năng lượng do bức xạ
R
S
:
2 2
e
R
2
e
Z r
2T 4
S = nT 4ln -
137 3

m c
 
 
 
 ÷
 ÷
 
 
 
(2.8)
Ký hiệu
( )
d
0
E d
e =
E
từ công thức (2.6) ta có thể suy ra mối quan hệ đơn giản cho độ
dày d và năng lượng trung bình
( )
E d
sau khi qua bộ lọc.
R
d
C
0
R
R
C
S

1 + e
S
E
d = - ln
S
S
1 +
S
 
 
 
 ÷
 
 
 
 
 
 ÷
 
 
 
(2.9)
23
Phần năng lượng của hạt bị hấp thụ trong bộ lọc
F
W
có thể được biểu diễn dưới
dạng của
d
e

và
b
η
.
( )
F 0 d d
W = E 1 - eη
(2.10)
trong đó
b
η
là hệ số truyền qua [9].
Bảng 2.1 trình bày đặc trưng của các vật liệu hấp thụ làm bộ lọc, tất cả các vật
liệu đều làm giảm năng lượng chùm tia điện tử từ E
0
= 6 MeV đến E(d) = 3 MeV. X
R
(g/cm
2
) là tỷ trọng mặt của bộ lọc.
Bảng 2.1. Các thông số đặc trưng của vật liệu hấp thụ
Bậc số
nguyên tử
Nguyên tố
hóa học
S
R
/S
C

X
R
(g/cm
2
) η
d
W
F
6 C 0,049 1,727 0,909 0,546
13 Al 0,099 1,764 0,734 0,633
22 Ti 0,168 1,837 0,551 0,724
26 Fe 0,203 1,829 0,427 0,762
42 Mo 0,321 1,831 0,348 0,826
74 W 0,569 1,841 0,192 0,904
82 Pb 0,612 1,807 0,162 0,919
2.1.3. Lựa chọn vật liệu tối ưu cho bộ lọc
Tuy khả năng xuyên sâu của chùm electron là rất hạn chế, nhưng trong quá trình
ion hóa vật chất chúng sẽ sinh ra các photon có năng lượng cao qua quá trình phát bức
xạ hãm. Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng công
thức gần đúng sau đây [1]:
4
max
f = 3,5×10 Z×E
−
(2.11)
trong đó f (MeV) là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon, Z là bậc số nguyên
tử của chất hấp thụ và
max
E

(MeV) là năng lượng cực đại của electron.
24
Công thức (2.11) cho thấy khả năng phát bức xạ hãm của electron tỷ lệ thuận
với bậc số nguyên tử Z của chất hấp thụ, với mật độ nguyên tử môi trường n và năng
lượng cực đại của electron.
Từ bảng 2.1 ta thấy, phần năng lượng của hạt bị bộ lọc hấp thụ W
F
tăng khi bậc
số nguyên tử tăng. Điều này có nghĩa là cần chọn vật liệu có bậc số nguyên tử nhỏ để
làm bộ lọc.
Ngoài ra vật liệu được chọn làm bộ lọc phải đảm bảo các yêu cầu: bền với bức
xạ, không bị oxy hóa, độ bền cơ học cao, gia công dễ dàng, tản nhiệt tốt. Do đó, nhôm
là vật liệu được ưu tiên chọn lựa vì đáp ứng tốt tất cả yêu cầu trên.
2.2. Tổng quan về chương trình MCNP
2.2.1. Giới thiệu
MCNP (Monte Carlo N-Particle) là phần mềm ứng dụng phương pháp Monte
Carlo để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon và electron
mang tính chất thống kê (các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa hạt nhân với
vật chất, tính thông lượng photon, tính thông lượng electron ). MCNP sử dụng các thư
viện số liệu hạt nhân của các quá trình tính toán, gieo số ngẫu nhiên tuân theo các quy
luật phân bố, ghi lại sự kiện lịch sử của một hạt phát ra từ nguồn đến hết thời gian sống
của nó. Sự phức tạp của tương tác photon cũng được xử lý trong chương trình MCNP.
Chương trình điều khiển các quá trình này bằng cách gieo số theo quy luật thống kê
cho trước và mô phỏng được thực hiện trên máy tính vì số lần thử cần thiết thường rất
lớn. Độ chính xác của kết quả càng cao nếu ta gieo càng nhiều biến ngẫu nhiên.
MCNP ban đầu được phát triển bởi nhóm Monte Carlo và sau này bởi nhóm
Radiation Transport (nhóm X-6) của phòng Vật Lý Lý Thuyết Ứng Dụng ở Phòng thí
nghiệm quốc gia Los Alamos (Mỹ). Nhóm X-6 cải tiến MCNP và cứ hai hoặc ba năm
họ lại cho ra một phiên bản mới. MCNP được cung cấp tới người dùng thông qua
25

Trung tâm che chắn bức xạ (RSICC) ở Oak Ridge, Tennessee (Mỹ) và ngân hàng dữ
liệu OECD/NEA ở Pari (Pháp).
Chương trình có nhiều ứng dụng như: thiết kế lò phản ứng, an toàn tới hạn, che
chắn và bảo vệ, phân tích và thiết kế đầu dò, vật lý trị liệu, nghiên cứu khí quyển, nhiệt
phát quang do phóng xạ, chụp ảnh bằng phóng xạ
Là ngôn ngữ lập trình, MCNP đòi hỏi người sử dụng phải xây dựng một chương
trình chuẩn về cú pháp. Để viết một chương trình có thể chạy và cho kết quả tốt, ta
phải cung cấp đầy đủ những thành phần chuẩn và lựa chọn chính xác các phép tính
(Phụ lục 3).
2.2.2. Dữ liệu hạt nhân
MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân và nguyên tử có năng lượng liên
tục. Ngoài việc sử dụng các bảng dữ liệu có sẵn trong MCNP, người dùng còn có thể
sử dụng các dữ liệu được tái tạo từ các dữ liệu gốc bên ngoài thông qua một chương
trình chuyển đổi chẳng hạn như NJOY hay là các dữ liệu mới được đưa vào trong
MCNP bởi chính bản thân người dùng [3]. Nguồn các số liệu hạt nhân có sẵn trong
MCNP được lấy từ chương trình hồ sơ số liệu hạt nhân ENDF (Evaluated Nuclear Data
File), thư viện ENDL (Evaluated Nuclear Data Library) và thư viện ACTL (Activation
Library) của các phòng thí nghiệm hạt nhân ở Mỹ Livermore và Los Alamos.
Các bảng số liệu hạt nhân bao gồm: Tương tác hạt nhân, tương tác photon được
tạo ra do neutron, tương tác neutron, phép đo liều hay kích hoạt neutron và tán xạ nhiệt
S(α,β).
Các bảng số liệu dùng cho chương trình MCNP được liệt kê trong file XSDIR.
Người sử dụng có thể chọn các bảng cụ thể nhờ vào số nhận dạng chúng ZAIDS. Các
số nhận dạng bao gồm điện tích Z, số khối A và chỉ số của thư viện ID. Các dữ liệu hạt
nhân được đưa vào trong MCNP qua phần khai báo ở thẻ vật liệu (material card) (phụ
lục 3).