NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ ĐO THÙNG THẢI CHẤT PHÓNG XẠ

Header Page 1 of 50.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯƠNG NHẬT HUY

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ ĐO THÙNG THẢI
CHẤT PHÓNG XẠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Thành phố Hồ Chí Minh – 2013
Footer Page 1 of 50.


Header Page 2 of 50.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯƠNG NHẬT HUY

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ ĐO THÙNG THẢI CHẤT
PHÓNG XẠ

Chuyên ngành : Vật lý nguyên tử
Mã số

: 66 44 01 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. HUỲNH TRÚC PHƯƠNG

Thành phố Hồ Chí Minh – 2013
Footer Page 2 of 50.


Header Page 3 of 50.

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này, em xin cảm ơn các thầy đã giúp đỡ em
trong quá trình làm thực nghiệm cũng như quá trình xử lý kết quả. Do thời gian làm
luận văn chỉ trong vòng 8 tháng nên nếu không có sự giúp đỡ của các thầy chắc là
luận văn này không hoàn thành được.
Đầu tiên em xin cảm ơn đến TS. Huỳnh Trúc Phương giảng viên Bộ môn
Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý và VLKT, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
TP.HCM. Người thầy đã tận tình chỉ bảo em trong quá trình làm luận văn cũng như
tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em khi làm thí nghiệm. Sự giúp đỡ của thầy đã giúp
cho em hoàn thành luận văn này một cách thuận lợi.
Đặc biệt em xin gửi đến TS. Trần Thiện Thanh giảng viên Bộ môn Vật lý
Hạt nhân, Khoa Vật lý và VLKT, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM, lời
cảm ơn chân thành. Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn em rất chi tiết về đề tài mình làm,
chỉ bảo em trong quá trình làm thực nghiệm cũng như là cùng em giải quyết các vấn
đề khó khăn gặp phải.Trong quá trình hoàn thiện đề tài thầy luôn bên cạnh dạy bảo
cũng như động viên em những lúc em nản lòng.

Bên cạnh đó, em cũng xin cảm ơn các thầy, cô, anh, chị và các bạn làm trong
Phòng Thí nghiệm, Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý và VLKT, Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên TP.HCM, đã giúp đỡ trong quá trình làm thí nghiệm.
Em muốn nói lời cảm ơn đến gia đình, luôn động viên, tiếp thêm sức mạnh
cho em và các bạn trong lớp cao học khóa K22 chuyên ngành Vật lý Nguyên tử,
Trường Đại học Sư phạm TP.HCM, đã sát cánh, cổ vũ em trên con đường tìm kiếm
tri thức mới.
Chân thành cảm ơn

3
Footer Page 3 of 50.


Header Page 4 of 50.

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................3
MỤC LỤC ..................................................................................................................4
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .............................................................7
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................10
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ..........................................................15
1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu về hệ đo thùng thải chất phóng xạ ...15
1.2. Các vấn đề luận văn nghiên cứu..................................................................18
1.3. Phương pháp quét gamma phân đoạn SGS ................................................19
1.4. Đánh giá sai số hệ thống ..............................................................................21
1.5. Tương tác của gamma với vật chất ..............................................................23
1.5.1. Hiệu ứng quang điện [1] ........................................................................24
1.5.2. Tán xạ Compton [1] ...............................................................................26

1.5.3. Quá trình tạo cặp [1] .............................................................................29
1.6. Nhận xét chương 1 .......................................................................................32
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ ĐO ......................................................................33
2.1. Giới thiệu chung ...........................................................................................33
2.1.1. Thùng thải...............................................................................................33
2.1.2. Đầu dò NaI(Tl) .......................................................................................34
2.1.3. Osprey.....................................................................................................35
2.1.4. Ống chuẩn trực chì .................................................................................36

4
Footer Page 4 of 50.


Header Page 5 of 50.

2.1.5. Chương trình thu nhận và phân tích phổ ...............................................36
2.1.6. Hệ nâng đầu dò ......................................................................................37
2.1.7. Hệ quay thùng thải .................................................................................38
2.1.8. Máy tính ..................................................................................................39
2.1.9. Chương trình tách đỉnh phổ chồng chập................................................40
2.1.10. Chất độn được sử dụng ........................................................................41
2.2. Giới thiệu bộ nguồn chuẩn dùng để thí nghiệm .........................................41
2.3. Nguyên tắc vận hành hệ đo ..........................................................................42
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..........................................................44
3.1. Quét gamma phân đoạn theo chiều dọc thùng thải và quét phân đoạn
ngang khi xoay thùng ..........................................................................................44
3.1.1. Quét gamma phân đoạn theo trục Oz của thùng thải ............................44
3.1.2. Quét gamma phân đoạn theo từng góc khi xoay thùng thải...................45
3.2. Khảo sát đường chuẩn hiệu suất theo năng lượng với các khoảng cách
khác nhau .............................................................................................................47

3.3. Xác định vị trí nguồn bằng cách làm khớp hàm logd = x + y.logε ...........53
3.4. Xác định vị trí nguồn X, Y chưa biết ...........................................................54
3.5. Nhận diện các đồng vị phóng xạ trong thùng .............................................56
3.6. Xác định vị trí các nguồn phóng xạ theo phân đoạn ..................................57
3.6.1. Trường hợp không có vật liệu trong thùng ............................................57
3.6.1.1. Thùng đứng yên ..............................................................................57
3.6.1.2. Thùng quay đều ...............................................................................60
3.6.1.3. Kết luận khi thùng không chứa vật liệu ..........................................63

5
Footer Page 5 of 50.


Header Page 6 of 50.

3.6.2. Trường hợp vật liệu trong thùng là xốp .................................................64
3.6.2.1. Thùng đứng yên ..............................................................................64
3.6.2.2. Thùng quay đều ..............................................................................67
3.6.2.3. Kết luận khi thùng chứa vật liệu xốp ..............................................70
3.6.3. Trường hợp vật liệu trong thùng là vải ..................................................71
3.6.3.1. Thùng đứng yên .............................................................................71
3.6.3.2. Thùng quay đều ...............................................................................74
3.6.3.3. Kết luận khi thùng chứa vật liệu vải ...............................................77
3.6.4. Nhận xét chung cho việc xác định vị trí theo phân đoạn .......................77
3.7. Sự suy giảm cường độ qua các loại vật liệu khác nhau .............................78
3.8. Nhận xét chương 3 .......................................................................................79
KẾT LUẬN ..............................................................................................................80
KIẾN NGHỊ .............................................................................................................81
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ......................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................83

PHỤ LỤC .................................................................................................................85

6
Footer Page 6 of 50.


Header Page 7 of 50.

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Chữ
viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

SGS

Segmented Gamma Scanning

Kỹ thuật quét gamma phân đoạn

HPGe

Hyper Pure Germanium

Đầu dò Germanium siêu tinh khiết

MCA

Multi Channel Analyzer

Máy phân tích đa kênh

HVPS

High-Voltage Power Supply

Nguồn cao áp

Ký hiệu
h : hằng số Planck (h = 6,626.10-34J.s)
c : vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108m/s).
ϕ : góc bay ra của electron Compton
ν

: tần số của gamma tới (Hz)

ν ' : tần số của gamma tán xạ (Hz)
E : năng lượng gamma tới (MeV)
E ' : năng lượng gamma tán xạ (MeV)

m 0 : khối lượng của electron (m e = 9,1.10-31kg)
σ f (E) : tiết diện hấp thụ
σ e : tiết diện tán xạ compton.
M nuc : khối lượng nguyên tử.

7
Footer Page 7 of 50.

Header Page 8 of 50.

DANH MỤC CÁC BẢNG
TT Bảng

Diễn giải

Trang

1

2.1

Kích thước và vật chất cấu tạo của đầu dò.

33

2

2.2

Thông tin bộ nguồn chuẩn sử dụng trong quá trình đo.

39

3

3.1

Số đếm của từng phân đoạn

43

4

3.2

Số đếm theo góc.

44

5

3.3

6

3.4

Hiệu suất ở vị trí cách đầu dò 10,00 cm trước thùng

48

7

3.5

Hiệu suất ở vị trí cách đầu dò 10,90 cm trong thùng

48

8

3.6

Hiệu suất ở vị trí cách đầu dò 20,90 cm trong thùng

49

9

3.7

Hiệu suất ở vị trí cách đầu dò 30,90 cm trong thùng

49

10

3.8

Hiệu suất ở vị trí cách đầu dò 40,90 cm trong thùng

50

11

3.9

Làm khớp khoảng cách d với hiệu suất tại đỉnh năng lượng

51

Thông tin năng lượng gamma đặc trưng và số kênh tương
ứng

45

60

1173,2 keV của nguồn Co
12

3.10

Làm khớp khoảng cách d với hiệu suất tại đỉnh năng lượng

51

60

1332,5 keV của nguồn Co
13

3.11

Làm khớp khoảng cách d với hiệu suất tại đỉnh năng lượng

51

22

1274,5 keV của nguồn Na
14

3.12

Số đếm của các nguồn khi thùng đứng yên và không chứa
vật liệu

55

15

3.13

Số đếm của các nguồn khi thùng quay đều và không chứa
vật liệu

58

8
Footer Page 8 of 50.


Header Page 9 of 50.

16

3.14

Vị trí của các nguồn khi thùng thải không chứa vật liệu

61

17

3.15

Số đếm của các nguồn khi thùng chứa vật liệu xốp và đứng
yên

62

18

3.16

Số đếm của các nguồn khi chứa vật liệu xốp và quay đều

65

19

3.17

Vị trí của các nguồn khi thùng thải khi chứa vật liệu xốp

68

20

3.18

Số đếm của các nguồn khi thùng chứa vật liệu vải và đứng
yên

69

21

3.19

Số đếm của các nguồn khi thùng chứa vật liệu vải và quay
đều

72

22

3.20

Vị trí của các nguồn khi thùng thải khi chứa vật liệu vải

75

9
Footer Page 9 of 50.

Header Page 10 of 50.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
TT Hình

Diễn giải

Tra
ng

1

1.1

Minh hoạ nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật SGS

17

2

1.2

Mặt cắt ngang của một phân đoạn

20

3

1.3

Hiệu ứng quang điện

24

4

1.4

Tán xạ Compton

25

5

1.5

Quá trình tạo cặp

27

6

1.6

Sự suy giảm cường độ gamma qua vật hấp thụ

28

7

2.1

Hình thùng thải

31

8

2.2

Đầu dò NaI(Tl) 802-76cm x76cm

32

9

2.3

Hình vẽ Osprey

33

10

2.4

Ống chì bao quanh đầu dò NaI(Tl)

34

11

2.5

Mô tả giao diện phần mềm Genie 2000

35

12

2.6

Hệ xe nâng đầu dò

36

13

2.7

Hệ quay thùng thải

37

14

2.8

Máy tính

37

15

2.9

Chương trình Colegram để tách hai đỉnh phổ chồng chập

38

16

2.10

Hình xốp và vải vụn

39

17

2.11

Hình dạng của bộ nguồn chuẩn

40

10
Footer Page 10 of 50.

Header Page 11 of 50.

18

2.12

Hệ đo thùng thải

41

19

3.1

Đồ thị biểu diễn số đếm trên từng phân đoạn của thùng thải

42

20

3.2

Đồ thị biểu diễn số đếm trên từng góc của thùng thải

44

21

3.3

Đồ thị biễu diễn làm khớp năng lượng(keV) theo số kênh(Ch)

45

22

3.4

Đầu dò khi sử dụng ống chuẩn trực

46

23

3.5

Phổ gamma của 152Eu đã trừ phông khi đầu dò sử dụng ống

46

chuẩn trực
24

3.6

Hiệu suất theo năng lượng khi đầu dò sử dụng ống chuẩn trực

47

25

3.7

Đồ thị biểu diễn hàm logε = x + y.logE theo khoảng cách

50

26

3.8

Phổ nguồn X chưa biết của thí nghiệm 1

52

27

3.9

Phổ nguồn Y chưa biết của thí nghiệm 2

53

28

3.10

Phổ thu được khi thùng đứng yên và đang ở phân đoạn thứ 4

54

29

30

31

32

33

3.11

3.12

3.13

3.14

3.15

Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn57Co, 60Co, 22Na theo
phân đoạn khi thùng đứng yên và không chứa vật liệu.
Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn 137Cs, 54Mn, 133Ba theo
phân đoạn khi thùng đứng yên và không chứa vật liệu.
Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn57Co, 60Co, 22Na theo
phân đoạn khi thùng quay đều và không chứa vật liệu.
Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn 137Cs, 54Mn, 133Ba theo
phân đoạn khi thùng quay đều và không chứa vật liệu.

Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn57Co, 60Co, 22Na theo
phân đoạn khi thùng đứng yên và chứa vật liệu xốp.

11
Footer Page 11 of 50.

56

57

59

60

63


Header Page 12 of 50.

34

35

36

37

38

39

3.16

3.17

3.18

3.19

3.20

3.21

40

3.22

41

3.23

Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn 137Cs, 54Mn, 133Ba theo
phân đoạn khi thùng đứng yên và vật liệu xốp.
Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn57Co, 60Co, 22Na theo
phân đoạn khi thùng quay đều và chứa vật liệu xốp.
Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn 137Cs, 54Mn, 133Ba theo
phân đoạn khi thùng quay đều và vật liệu xốp.
Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn57Co, 60Co, 22Na theo
phân đoạn khi thùng đứng yên và chứa vật liệu vải.
Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn 137Cs, 54Mn, 133Ba theo

phân đoạn khi thùng đứng yên và vật liệu vải.
Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn57Co, 60Co, 22Na theo
phân đoạn khi thùng quay đều và chứa vật liệu vải.
Đồ thị biểu diễn vị trí của các nguồn 137Cs, 54Mn, 133Ba theo
phân đoạn khi quay đều và vật liệu vải.
Sự suy giảm qua các loại vật liệu khác nhau

12
Footer Page 12 of 50.

64

66

67

70

71

73

74
76


Header Page 13 of 50.

MỞ ĐẦU
Ngày nay, vật lý hạt nhân và kỹ thuật hạt nhân được ứng dụng rộng rãi trong

thực tế cuộc sống, một trong những ứng dụng lớn nhất đó là nhà máy điện hạt nhân.
Việc tạo ra một nguồn năng lượng điện lớn, ổn định và với chi phí thấp thì nhà máy
điện hạt nhân được xây dựng ở rất nhiều nước trên thế giới, trong đó Việt Nam cũng
đang xây dựng một nhà máy điện hạt nân. Nhưng trong quá trình vận hành nhà máy
điện hạt nhân sinh ra một số lượng lớn chất thải phóng xạ và các chất thải này
thường được chứa trong các thùng chứa lớn. Việc lưu trữ cũng như xử lý các thùng
chứa chất thải phóng xạ này không đơn giản như các chất thải bình thường, đòi hỏi
một quá trình nhận biết các nguồn đồng vị phóng xạ có chứa trong thùng. Đồng thời
với việc nhận biết thì cần xác định vị trí trong thùng cũng như hoạt độ tại thời điểm
hiện tại của các nguồn này.
Phương pháp quét gamma phân đoạn được sử dụng để xác định hoạt độ, vị
trí của các nguồn phóng xạ khác nhau chứa trong thùng. Một kỹ thuật với chi phí
thấp, hiệu quả cao. Kỹ thuật này có thể được ứng dụng cho các mục đích sau:
- Xác định và phân tích hoạt độ tổng của thùng thải phóng xạ.
- Nhận diện và xác định vị trí của các nguồn khác nhau có chứa trong thùng.
Bên cạnh đó thì phương pháp này vẫn có một số nhược điểm: yêu cầu của
phương pháp này là nguồn phóng xạ và các chất độn có chứa trong thùng phải đồng
nhất. Trong thực tế phần lớn chất thải phóng xạ có thể là quần áo, găng tay hay các
loại nguồn đã qua sử dụng. Chất độn thường không đồng nhất về các chất chứa
trong nó, có thể lẫn tạp chất vào. Do đó việc áp dụng phương pháp này vào thực tế
vẫn còn gặp một số sự sai khác.
Do đó để khắc phục vấn đề nói trên nên chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu và
xây dựng hệ đo thùng thải chất phóng xạ”. Trong đề tài này, chúng tôi tập trung
vào việc xây dựng nên một hệ đo thùng thải.

13
Footer Page 13 of 50.


Header Page 14 of 50.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và xây dựng hệ đo thùng thải chất phóng
xạ từ các thiết bị đơn giản. Khảo sát sự thay đổi số đếm của nguồn theo các khoảng
cách từ nguồn đến đầu dò khác nhau, xác định vị trí của một nguồn bất kỳ có trong
thùng. Đánh giá việc xác định vị trí của nhiều nguồn trong thùng với các chất độn
khác nhau.
Đối tượng nghiên cứu của luận văn hệ đo thùng thải được xây dựng và đặt tại
Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý và VLKT, Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên TP.HCM. Hệ đo được xây dựng dựa trên phương pháp quét gamma phân
đoạn, đầu dò được sử dụng trong hệ đo là đầu dò nhấp nhay NaI(Tl) 7,6 cmx7,6 cm,
các nguồn được sử dụng thuộc bộ nguồn chuẩn.
Phương pháp nghiên cứu là sử dụng phương pháp quét gamma phân đoạn
nhưng có sự thay đổi cho phù hợp với điều kiện hiện tại. Thu nhận và xử lý dữ liệu
thu được nhằm thu được các kết quả như mong muốn.
Nội dung của luận văn này trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong và ngoài nước về hệ đo
thùng thải chất phóng xạ. Trình bày về nội dung lý thuyết của kỹ thuật quét gamma
phân đoạn. Giới thiệu về tương tác gamma với vật chất.
Chương 2: Trình bày về các thiết bị của hệ đo thùng thải chất phóng xạ. Giới
thiệu chi tiết về cấu tạo cũng như công dụng các thiết bị trong hệ đo bao gồm: thùng
thải, đầu dò, hệ xe nâng đầu dò, hệ quay thùng thải, osprey, và các chương trình ghi
nhận và xử lý phổ.
Chương 3: Trình bày các kết quả thực nghiệm để xác định vị trí của một
nguồn trong thùng theo chiều cao và chiều ngang của thùng. Nhận diện được các
nguồn khác nhau có trong thùng, đánh giá ban đầu về sự suy giảm qua các loại chất
độn khác nhau. Đồng thời đưa ra những thảo luận về các kết quả này.

14
Footer Page 14 of 50.

Header Page 15 of 50.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu về hệ đo thùng thải chất phóng xạ
Khi nghiên cứu về hệ đo thùng thải chất phóng xạ, phương pháp chủ yếu được
sử dụng là phương pháp quét gamma phân đoạn (Segmented Gamma Scanning –
SGS) được phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos – Mỹ vào đầu
những năm 1970. Kỹ thuật này được sử dụng để đo đạc phân tích hoạt độ của chất
thải phóng xạ và được áp dụng nhiều trong thực tiễn vì độ tin cậy cao, giá thành sản
xuất phù hợp, dụng cụ đo và lắp ráp không quá phức tạp…
Một số công trình nghiên cứu về hàm đáp ứng đổi với hệ đo, xác định hoạt độ
các nguồn có kích thước lớn hay vật liệu chứa trong thùng có mật độ cao, nghiên
cứu sai số hệ thống bằng các sử dụng hai đầu dò, hay ba đầu dò, cải thiện độ tin cậy
và độ chính xác trong việc xây dựng hoạt độ tổng của thùng thải, đánh giá sự phân
bố hoạt độ phóng xạ trong thùng thải, các nguồn phóng xạ có kích thước lớn được
trình bày trong các tài liệu [7], [8], [9], [10], [13], [14], [15]. Ngoài ra một số đề tài
kiểm tra sự chính xác của phương pháp quét gamma phân đoạn khi so sánh với các
công cụ mô phỏng như phương pháp Monte- Carlo, hay đưa ra cách tính mới về
hiệu suất tổng và diện tích đỉnh năng lượng [11], [12].
* Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu được công bố trên các tạp chí quốc tế:
D. Stanga và D. Gurau [10] đã đưa ra một phương pháp mới trong kỹ thuật
quét gamma đối với thùng thải chứa chất phóng xạ. Các tác giả đã tiến hành thực
nghiệm sử dụng hai nguồn

137

Cs và 60Co chứa trong thùng thải với từng vật liệu có

mật độ khác nhau. Kết quả thu được của phương pháp mới này là đã xác định chính
xác hoạt độ của một nguồn phóng xạ khi vật liệu trong thùng là tương đối đồng
nhất. Xác định được phân bố hoạt độ của hai nguồn phóng xạ là

137

Cs và 60Co khi

vật liệu trong thùng là không đồng nhất và có khối lượng riêng lớn vào khoảng
2,1g/cm3.
15
Footer Page 15 of 50.


Header Page 16 of 50.

Cesana và cộng sự [9] đã đưa ra một phương pháp xác định nguồn có kích
thước lớn trong thùng thải có chứa chất thải khô và chất thải hữu cơ. Trong kỹ thuật
này các tác giả đã sử dụng hai đầu dò loại bán dẫn Ge (Germanium), hai đầu dò này
được đặt đồng trục và có khoảng cách bằng nhau với thùng thải. Kết quả đạt được là
đã xác định được hoạt độ chính xác của các nguồn, nhưng chỉ giới hạn trong một số
nguồn có dãy năng lượng phù hợp như

137

Cs,134Cs, 54Mn, 60Co, và còn phụ thuộc

vào mật độ của vật liệu trong thùng. Với vật liệu trong nghiên cứu này là loại vật
liệu có mật độ thấp với hệ số suy giảm tuyến tính 0,01-0,03 cm-1. Ngoài ra phương
pháp này là chính xác hơn khi đem so sánh với phương pháp chỉ sử dụng một đầu

dò đặt đồng trục với thùng thải. Tuy nhiên sự phân bố hoạt độ hoạt độ trong thùng
là chưa xác định được và độ chính xác của phương pháp này còn phụ thuộc vào vị
trí của nguồn trong thùng.
D. Gurau và O. Sima [12] nghiên cứu hàm đáp ứng của hệ xử lý thùng thải
phóng xạ. Các tác giả đã tiến hành sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo
mà ở đây cụ thể là chương trình mô phỏng GEANT 3.21 để ứng dụng vào hệ
ISOCART của hãng Ortec. Trong nghiên cứu của mình các tác giả đã cho thấy sự
ảnh hưởng không đồng nhất về hoạt độ trong thùng thải. Với năng lượng của các
nguồn phóng xạ trong thùng từ 50-2000keV thì độ phân giải năng lượng của hệ đo
trong mô phỏng được xử lý dựa trên các phổ đo được thì cho kết quả giống với các
kết quả thực nghiệm. Đồng thời, nghiên cứu còn tính các đỉnh năng lượng toàn phần
và hiệu suất tổng cho năng lượng nói trên là phù hợp khi nguồn được phân bố trong
mỗi phân đoạn và nguồn phân bố đồng nhất trong thùng.
D. Stanga và cộng sự [11] đã đưa ra nghiên cứu về việc tính hiệu suất đỉnh cho
đầu dò HPGe (Hyper Pure Germanium) sử dụng trong hệ đo thùng thải chất phóng
xạ. Các tác giả đã đưa ra một mô hình tính toán mới cho hiệu suất đỉnh cho đầu dò
HPGe. Trong nghiên cứu này các tác giả sử dụng chương trình Matlab để tính toán
cho dãi năng lượng từ 60-1500keV với khoảng cách từ đầu dò đến thùng thải là
10cm. Kết quả thu được là độ sai biệt hơn 10% so với lý thuyết đối với vật liệu

16
Footer Page 16 of 50.


Header Page 17 of 50.

chứa trong thùng có mật độ cao 2,3 g/cm3. Phương pháp mới cũng cho kết quả
tương tự khi so sánh giữa kết quả thực nghiệm và phương pháp mô phỏng MonteCarlo.
* Ở trong nước, một số đề tài đã được thực hiện và công bố bởi các tác giả sau:
Trần Quốc Dũng và cộng sự [7] đã đưa ra phương pháp có thể làm giảm sai số

hệ thống trong việc kiểm tra thùng thải bẳng kỹ thuật gamma. Ý tưởng của phương
pháp là kết hợp hai kỹ thuật đo quét gamma phân đoạn SGS dùng một đầu dò và
dùng hai đầu dò đồng nhất gọi là phương pháp kết hợp. Trong phương pháp mới
này hai đầu dò 1 và 2 được đặt cố định và đồng trục với thùng thải ở một khoảng
cách nhất định, đầu dò thứ 3 sẽ quét qua các phân đoạn của thùng khi thùng quay.
Các tác giả đã tiến hành thực nghiệm trên thùng thải có thể tích 210 lít, đường kính
29cm, chiều cao 86cm, kích thước từ đầu dò đến thùng là 150cm và với hệ số suy
giảm tuyến tính nằm trong khoảng 0,01cm-1 đến 0,12cm-1. Kết quả thu được là sai
số của phương pháp kết hợp là nhỏ hơn kỹ thuật sử dụng một đầu dò và thấp hơn sai
số lớn nhất của kỹ thuật sử dụng hai đầu dò. Ngoài ra phương pháp kết hợp còn đáp
ứng tốt việc xác định hoạt độ của các chất thải phóng xạ trong các thùng chứa các
chất độn có mật độ thấp như túi, giày, găng tay, quần áo bảo hộ….
Trương Trường Sơn và Trần Quốc Dũng [8] đã tiến hành nghiên cứu những
hạn chế của phương pháp quét gamma phân đoạn đồng thời đưa ra một phương
pháp bổ sung để xác định hoạt độ của các thùng chất thải. Giả thuyết của kỹ thuật
được đưa ra là hoạt độ của chất thải tập trung như một nguồn điểm trong chất độn
đồng nhất đối với một phân đoạn đo của thùng. Các kết quả tính toán cho thấy rằng
độ chính xác của kỹ thuật này tốt hơn so với kỹ thuật quét gamma phân đoạn truyền
thống trong hầu hết các trường hợp khi hỗn hợp chất phóng xạ và chất độn là không
đồng nhất.
Lê Anh Đức [2] trong luận văn tốt nghiệp cao học của mình đã nghiên cứu sự
ảnh hưởng của phân bố nguồn trong một phân đoạn đến sai số hệ thống của phép đo

17
Footer Page 17 of 50.


Header Page 18 of 50.

bằng phương pháp SGS. Trong công trình này, tác giả đã tiến hành xây dựng được

hệ đo SGS để đo đạc và tính toán thực nghiệm bằng phương pháp cho các nguồn
phóng xạ vào thùng ngẫu nhiên, đo đạc thực nghiệm với nguồn Cs137 cho vào một
phân đoạn, khảo sát định lượng sai số của kỹ thuật SGS do sự phân bố của nguồn
theo khoảng cách với chất độn là cát đồng nhất. Kết quả thực nghiệm thu được khá
phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết. Ngoài ra tác giả còn tiến hành khảo sát
định tính khả năng quét của hệ đo bằng phương pháp SGS đối với chất độn không
đồng nhất.
1.2. Các vấn đề luận văn nghiên cứu
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đã nêu ở phần trên thì
luận văn nhận thấy các vấn đề còn tồn tại như sau:
 Nghiên cứu và xây dựng một hệ đo thùng thải chất phóng xạ sử dụng
một đầu dò và với chi phí đầu tư thấp.
 Xây dựng đường chuẩn năng lượng theo năng lượng với các khoảng
cách khác nhau cho hệ đo thùng thải được thiết kế. Xác định sự suy
giảm hoạt độ của nguồn phóng xạ theo khoảng cách.
 Xác định chính xác vị trí của một nguồn bất kỳ trong thùng thải theo
phân đoạn chiều cao và phân đoạn chiều ngang của thùng.
 Nhận diện các nguồn có chứa trong thùng khi thùng được thả ngẫu
nhiên nhiều nguồn và vật liệu trong thùng có mật độ nhẹ.
 Xác định vị trí từng nguồn theo phân đoạn chiều cao thùng khi thùng
chứa nhiều nguồn.
 Đánh giá về sự suy giảm hoạt độ của các loại nguồn khác nhau có chứa
trong thùng đến đầu dò khi thùng chứa không có vật liệu với có vật liệu
là vải và xốp.

18
Footer Page 18 of 50.


Header Page 19 of 50.

1.3. Phương pháp quét gamma phân đoạn SGS
Nguyên tắc hoạt động cơ bản của kỹ thuật quét gamma phân đoạn SGS là
phân chia thùng rác thải phóng xạ thành các phân đoạn nằm ngang nhỏ hơn rất
nhiều so với chiều cao của thùng, và sử dụng đầu dò gắn ống chuẩn trực để phân
tích mỗi phân đoạn bằng phương pháp đo gamma thông thường. Khi tất cả các phân
đoạn được đo hoàn thành, kết quả số đếm cả thùng sẽ được tính bằng cách lấy tổng
của tất cả các kết quả đo trên từng phân đoạn. Để giảm thiểu tối đa sai số gây ra do
sự phân bố không đồng đều của nguồn và chất độn không đồng nhất trong mỗi phân
đoạn thì thùng sẽ được quay trong quá trình đo.

Hình 1.1: Minh hoạ nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật SGS
Thùng được chia thành nhiều phân đoạn, i = 1, 2, 3…n là số thứ tự đánh dấu
của từng phân đoạn, mỗi phân đoạn lần lượt được đo bởi đầu dò. Số đếm thô CR i
trên mỗi phân đoạn được xác định bởi đầu dò. Số đếm hiệu chỉnh C i được tính bằng
công thức:
Ci = CR i .CFi

19
Footer Page 19 of 50.

(1.1)


Header Page 20 of 50.

Trong đó CF i là hệ số suy giảm do chất độn bởi phân đoạn thứ i, có thể được
tính bằng công thức [6]:

1 - e-0.823.μ .d

0,823.μ i .d
i

CFi =
Trong đó:

(1.2)

μ i : hệ số hấp thụ trung bình tuyến tính (cm-1)
d: đường kính thùng rác thải (m)

Nếu hệ số hấp thụ tuyến tính trung bình chưa biết, ta có thể sử dụng một
nguồn ngoài để tính hệ số suy giảm tuyến tính. Cách giải quyết này được sử dụng
rộng rãi để xác định CF i trong phương pháp SGS vì hệ số hấp thụ tuyến tính có thể
thay đổi từ phân đoạn này sang phân đoạn khác do chất độn phân bố không đồng
nhất trong thùng.
Số đếm tổng cộng của thùng sẽ là:
n

CT = ∑ Ci

(1.3)

i=1

Kết quả cuối cùng của phép đo là hoạt độ của các loại đồng vị mà ta quan tâm [6]:
t
Tγ

0,693. d

I=

CT .e
t.Iγ .ε

Trong đó:
t d : Thời gian phân rã tính từ lúc nguồn được sản xuất đến lúc đo (ngày)
t: Thời gian đo (giây)
T γ : chu kì bán rã của các đồng vị phóng xạ (ngày)
Y: Hiệu suất tia gamma.

Iγ : xác xuất phát gamma
20
Footer Page 20 of 50.

(1.4)


Header Page 21 of 50.

ε: Hiệu suất ghi của đầu dò.
Các phương trình trên đều dựa trên hai giả thuyết là khoảng cách từ mẫu trong phân
đoạn đến đầu dò là vô hạn và mẫu là đồng nhất.
 Hệ số hình học:
Vì các nguồn phóng xạ trong thùng trải rộng và phân bố không đều nên số
đếm C i phụ thuộc vào vị trí của các mẫu trong thùng. Điều này có thể dẫn đến các
sai số tiềm tàng, việc gia tăng khoảng cách từ đầu dò đến thùng có thể giảm thiểu
sai số này phải đo trong thời gian lâu do sự suy giảm số đếm. Do vậy thùng được
xoay để giảm thiểu sai số gây ra bởi sự phân bố không đồng đều trong thùng. Sự lựa

chọn khoảng cách từ thùng đến đầu dò sao cho có sự cân bằng giữa tối thiểu hóa sai
số và có được số đếm chính xác tối đa. Độ biến thiên số đếm tối đa theo vị trí là nhỏ
hơn 10% nếu khoảng cách từ tâm thùng đến đầu dò là bằng hoặc lớn hơn ba lần độ
lớn của bán kính thùng và mẫu được xoay [6].
1.4. Đánh giá sai số hệ thống
Dựa trên mô phỏng toán học của phương pháp quét gamma phân đoạn SGS
những thông số ảnh hưởng đến sai số sẽ được nghiên cứu:
• Sự phân bố không đồng đều của chất thải phóng xạ trong thùng có chất độn
đồng nhất.
• Khoảng cách từ đầu dò đến tâm thùng liên quan đến việc điều chỉnh sai số
của phép đo với sự suy giảm số đếm mà đầu dò ghi nhận.
Mô hình thùng chất thải phóng xạ thường được sử dụng trong thực tế và mô
phỏng với thể tích 220 lít, đường kính 60 cm và chiều cao 88 cm. Phép đo gamma
được thực hiện ở năng lượng của các đồng vị sản phẩm phân hạch, từ 140 keV đến
1400 keV. Với khoảng năng lượng gamma đã cho, các hệ số hấp thụ tuyến tính
trung bình của chất độn đối sẽ trong khoảng 0,01 cm-1 đến 0,14 cm-1. Ta xét trường
hợp các nguồn điểm trong chất độn là đồng nhất.

21
Footer Page 21 of 50.


Header Page 22 of 50.

Giả thiết có một nguồn điểm hoạt độ thực là I d trong một phân đoạn. Thì số
đếm thực của nguồn đó sẽ được tính như sau:
Id .α

n

- µ .L

e j
C=
2
n ∑
j=1 H j

(1.5)

Trong đó:
L j : độ dài quãng đường tia gamma trong thùng (cm)
H j : khoảng cách từ nguồn đến đầu dò (cm)
L j , H j phụ thuộc vào góc θ j , khoảng cách từ nguồn đến tâm thùng r, khoảng
cách từ đầu dò đến tâm thùng K, và bán kính thùng R.
n: số góc θ j khác nhau cho mỗi số đếm
µ: hệ số hấp thụ tuyến tính (cm-1)
α: hệ số phụ thuộc vào năng lượng của tia gamma và hiệu suất của đầu dò

Hình 1.2: Mặt cắt ngang của một phân đoạn
H j = K 2 + r 2 - 2.K.r.cosθ j

22
Footer Page 22 of 50.

(1.6)


Header Page 23 of 50.

R 2 .H 2j - K 2 .r 2 .sin 2θ j - (K.cosθ j - r).r
Lj =
Hj

(1.7)

Ở đây L j , H j tính cho trường hợp phân đoạn được chia có bề dày rất nhỏ so
với khoảng cách từ tâm thùng đến đầu dò, khi đó chúng ta có thể không tính tới bề
dày của một phân đoạn. Kết quả sẽ chính xác hơn khi tính đến bề dày z của các
phân đoạn, lúc này ta phải hiệu chỉnh lại L j , H j . Giả sử thùng với chiều cao 88 cm
được chia làm 10 phân đoạn, với bề dày của mỗi phân đoạn là 8,8 cm, khi đó L j , H j
sẽ được hiệu chỉnh là:
H 'j = H 2j + z 2

(1.8)

L' j = L2j + z 2

(1.9)

Với 0< z < 8,8 cm.
Mối liên hệ giữa số đếm thực và hoạt độ I s của nguồn đo bởi kĩ thuật SGS được cho
bởi công thức [6]:

C=

Is .α
.CFi
K2

(1.10)

So sánh kết quả của I d và I s được tính toán từ các công thức (1.5) và (1.10) ta
có thể rút ra được sai số tương đối của phép đo SGS.
1.5. Tương tác của gamma với vật chất
Bức xạ gamma là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn khoảng cách giữa các
nguyên tử (có giá trị vào khoảng 10-8cm), bức xạ này ngoài tính chất sóng còn được
hình dung như dòng hạt nên gọi là lượng tử gamma. Giới hạn năng lượng thấp nhất
của lượng tử gamma là 10 keV. Công thức liên hệ giữa năng lượng và bước sóng
của lượng tử gamma có dạng:

23
Footer Page 23 of 50.


Header Page 24 of 50.

E=

2πhc
λ

(1.11)

Với λ là bước sóng của bức xạ gamma (m).
Các máy gia tốc hiện đại tạo được lượng tử gamma với năng lượng trên 20
GeV. Tuy vậy, giá trị năng lượng khoảng từ 2 MeV đến 30 MeV là thích hợp nhất
cho các ứng dụng trong thực tế.
Gamma tương tác với vật chất theo ba cơ chế sau :
 Hiệu ứng quang điện.

 Tán xạ Compton.
 Quá trình tạo cặp.
1.5.1. Hiệu ứng quang điện [1]
Lượng tử gamma va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao toàn bộ năng
lượng của mình cho electron liên kết của nguyên tử. Một phần năng lượng này giúp
electron thắng lực liên kết, phần còn lại trở thành động năng của electron. Theo
định luật bảo toàn năng lượng:
E = Te- + I0

(1.12)

Với I0 : là năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử.
Te- : động năng của electron.

Động lượng của hệ được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên tử. Do điều kiện
bảo toàn năng lượng và động lượng electron tự do không thể hấp thụ hay bức xạ
một photon. Do đó, hiệu ứng quang điện xảy ra mạnh nhất đối với lượng tử gamma
có năng lượng cùng bậc với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Đối
với electron nằm ở lớp vỏ nguyên tử sâu và với nguyên tử có bậc số nguyên tử Z
lớn, năng lượng liên kết của electron càng lớn. Vì vậy, với khoảng năng lượng của
bức xạ gamma cao hơn tia X, hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở lớp K (30%).

24
Footer Page 24 of 50.


Header Page 25 of 50.

Mặt khác, hiệu ứng quang điện tăng mạnh đối với môi trường vật chất có bậc số
nguyên tử lớn.

Tiết diện hấp thụ của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng của
lượng tử gamma và các loại nguyên tử. Cụ thể là tiết diện hấp thụ tỷ lệ với Z5, nghĩa
là nó tăng rất nhanh đối với các nguyên tố năng. Nếu năng lượng của bức xạ gamma
tới chỉ lớn hơn năng lượng liên kết của e- thì tiết diện hấp thụ, σ f (E) tỉ lệ với 1/E3,5,
nghĩa là nó giảm rất nhanh khi tăng năng lượng. Khi năng lượng bức xạ gamma tới
lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết, σ f (E) giảm chậm hơn, theo qui luật E. Trong khoảng của năng lượng liên kết của electron, tiết diện hấp thụ thay đổi gián

1

đoạn, nghĩa là xuất hiện các đỉnh hấp thụ tại các giá trị năng lượng hơi cao hơn
năng lượng liên kết của electron trong các lớp. Bởi vì, theo định luật bảo toàn năng
lượng, ở năng lượng thấp hơn năng lượng liên kết của electron lượng tử gamma
không thể tham gia hiệu ứng quang điện. Ở miền năng lượng thấp, hệ số hấp thụ
khối toàn phần xấp xỉ bằng hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện, τ , hai
đường biểu diễn trùng lên nhau. Hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện bằng:
τ = (σ f N) / ρ

(1.13)

N : là số lượng nguyên tử trên một đơn vị thể tích.
ρ : là khối lượng riêng (g/cm3)

τ : hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện.
Do vậy, τ tỷ lệ thuận với σ f (E) và sự xuất hiện các cạnh trên đường biểu diễn

τ ở các năng lượng hơi lớn hơn năng lượng liên kết của electron cho thấy sự thay
đổi gián đoạn của σ f (E) .
Trong khoảng năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử, tiết diện hấp
thụ σ f (E) rất lớn hơn so với tiết diện của các quá trình khác. Khi tăng năng lượng,

25
Footer Page 25 of 50.