Nghiên cứu đánh giá các thành phần liều phục vụ nghiên cứu BNCT trên kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân đà lạt tt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (618.29 KB, 26 trang )
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÀNH PHẦN LIỀU
PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU BNCT TRÊN KÊNH NGANG
CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Mã số: 9.44.01.06
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Hà Nội – 2020
Công trình được hoàn thành tại: Viện Nghiên cứu hạt nhân-Viện Năng lượng
nguyên tử Việt Nam
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Trịnh Thị Tú Anh
Phản biện 1: ...........................................................................................................
...............................................................................................................................
Phản biện 2: ...........................................................................................................
...............................................................................................................................
Phản biện 3: ...........................................................................................................
...............................................................................................................................
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Viện chấm luận án tiến sĩ họp tại
...............................................................................................................................
vào hồi
giờ
ngày
tháng
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Thư viện Trung tâm Đào tạo hạt nhân
năm 20
MỞ ĐẦU
Xạ trị (chữa trị bằng bức xạ) là phương pháp được áp dụng để điều trị các khối u thông
qua sự tương tác của bức xạ với các tế bào. Trong đó, xạ trị bằng phản ứng bắt nơtrôn
(Neutron Capture Therapy – NCT) là một kỹ thuật được thiết kế để phá hủy khối u ở cấp độ tế
bào. Một số nguyên tố như 10B, 6Li, 157Gd và 235U có thể được sử dụng trong NCT. Tuy nhiên,
chỉ có 10B được sử dụng để chữa trị ung thư não với hàm lượng nằm trong khoảng từ 30-60
ppm.
Sau khi Goldhaber phát hiện ra tiết diện bắt nơtrôn nhiệt cao bất thường của 10B vào
năm 1934. Năm 1936 Locher đã đưa ra ý niệm về phương pháp xạ trị bằng phản ứng bắt
nơtrôn của hạt nhân 10B (Boron Neutron Capture Therapy – BNCT) (Hình 1.2), và đã được đề
nghị như một khả năng để điều trị u não vào năm 1951.
Các bài toán vật lý quan trọng trong phạm vi phương pháp BNCT có thể kể đến bao
gồm: (i) thiết kế kênh nơtrôn phù hợp với các tham số đặc trưng về phổ năng lượng nơtrôn và
photon; (ii) tính toán mô phỏng và thực nghiệm xác định các đặc trưng phân bố thông lượng
nơtrôn trong mô hình phantom; (iii) tính toán các thành phần liều từ phản ứng bắt nơtrôn
trong BNCT trên cơ sở thông tin về phổ năng lượng nơtrôn; (iv) phát triển các kỹ thuật phân
tích để định lượng hàm lượng bor trong quá trình xạ trị.
Liều hấp thụ trong BNCT bao gồm 4 thành phần liều thường được quan tâm, đó là: (i)
liều bor; (ii) liều nơtrôn nhiệt; (iii) liều nơtrôn nhanh; và (iv) liều gamma. Tuy nhiên, chỉ có 2
thành phần liều đầu tiên có đóng góp chủ yếu và chỉ có thể được xác định gián tiếp thông qua
thông lượng nơtrôn và hàm lượng của các nguyên tố 10B. Trong đó, thông lượng nơtrôn nhiệt
thường được xác định bằng phương pháp kích hoạt đo gamma trễ (Neutron Activation
Analysis – NAA), và hàm lượng của 10B được xác định bằng phương pháp kích hoạt đo
gamma tức thời (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis – PGNAA).
Trong lịch sử, những nguồn nơtrôn tốt nhất có thông lượng cần thiết cho BNCT được
lấy ra từ LPƯ nghiên cứu bằng: (i) phương pháp dịch phổ, hoặc (ii) sử dụng phin lọc, phương
pháp này được sử dụng phổ biến để tạo ra chùm nơtrôn đơn năng không chỉ cho BNCT mà
còn cho nhiều mục đích nghiên cứu khác.
Việc cải tiến thiết kế các kênh ngang hoặc cột nhiệt của LPƯ nghiên cứu để tạo dòng
nơtrôn nhiệt cho nghiên cứu BNCT thường được tính toán và mô phỏng bằng một số chương
trình điển hình như: DORT, MacNCTPLAN, SERA, MCNP (Monte Carlo N – Particle), v.v...
Tuy nhiên, MCNP vẫn là chương trình được sử dụng phổ biến nhất. Tại Hàn Quốc, năm 1998
Byung-Jin và cộng sự đã sử dụng MCNP để thiết kế chùm nơtrôn nhiệt trên kênh ngang của
LPƯ HANARO có công suất 30 MW, với phin lọc Si và Bi. Thông lượng nơtrôn nhiệt và tỷ
số suất liều gamma trên thông lượng nơtrôn nhiệt tại vị trí chiếu mẫu tương ứng là
2,6×109 n.cm-2.s-1 và 1,2×10-13 Gy.cm2.n-1.
Ở Việt Nam, LPƯ Đà Lạt đã được khôi phục, nâng cấp, và đưa vào hoạt động chính
thức với công suất danh định 500 kW vào ngày 20/3/1984. Các dòng nơtrôn phin lọc từ kênh
ngang số 3 và số 4 đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1990 phục vụ các nghiên cứu cơ
bản và ứng dụng. Từ năm 2011, kênh ngang số 2 LPƯ Đà Lạt (Channel No.2 of Dalat Reactor
– CN2DR) được đưa vào sử dụng với một số dòng nơtrôn có chất lượng tốt như: dòng nơtrôn
thuần nhiệt và dòng nơtrôn đơn năng trên nhiệt 2 keV, đã được tạo ra bằng kỹ thuật phin lọc
với thông khoảng 1,5×106 n.cm-2.s-1. Các dòng nơtrôn này được sử dụng chủ yếu cho nghiên
cứu về số liệu hạt nhân, cấu trúc hạt nhân, v.v…
Mặc dù trên thế giới phương pháp BNCT đã được áp dụng từ thập niên 60 của thế kỷ 20
cho nghiên cứu lâm sàng hoặc tiền lâm sàng tại nhiều quốc gia như: Nhật Bản, Mỹ, Hàn
Quốc, Iran, Italia, Cộng hòa Séc, Phần Lan, Hà Lan, v.v.... Trong khi đó, cho đến nay, Việt
Nam vẫn chưa có hệ thiết bị BNCT cũng như những nghiên cứu chuyên sâu về tính toán liều
từ phản ứng nơtrôn-bor xảy ra trong BNCT.
Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá các thành phần liều phục vụ nghiên cứu BNCT trên
kênh ngang của LPƯ Đà Lạt là vấn đề được đặt ra để thực hiện trong luận án này.
1
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của luận án là mô phỏng thiết kế tối ưu dòng nơtrôn nhiệt tại lối ra của
CN2DR phục vụ nghiên cứu BNCT bằng chương trình MCNP; mô phỏng, tính toán và đo
thực nghiệm các tham số đặc trưng về phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt và các thành phần
liều bức xạ trong mô hình phantom nước; xây dựng phương pháp phân tích hàm lượng bor
trong mẫu nước để áp dụng trong thực nghiệm về BNCT và các ứng dụng liên quan khác.
Để đạt được mục tiêu đề ra, các nội dung của luận án cần được thực hiện bao gồm: (i)
nghiên cứu, tính toán liều hấp thụ của phản ứng 10 B(n, α) 7 Li trong BNCT; (ii) mô phỏng sự
phân bố liều hấp thụ của BNCT trong phantom nước tại CN2DR sử dụng chương trình
MCNP; (iii) xác định sự phân bố liều hấp thụ trong BNCT với mô hình phantom nước sử
dụng CN2DR; và (iv) đề xuất thiết kế cấu hình tối ưu cho hệ BNCT tại CN2DR với dòng
nơtrôn tại lối vào phantom có các thông số về thông lượng nơtrôn nhiệt > 1×108 n.cm-2.s-1 và
tỷ số suất liều gamma trên thông lượng nơtrôn nhiệt < 3×10-13 Gy.cm2.n-1.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa khoa học là lần đầu tiên tiếp cận và
nghiên cứu vật lý về phương pháp BNCT ở Việt Nam sử dụng kênh nơtrôn của LPƯ Đà Lạt,
cung cấp thông tin mới về thiết kế cải tiến nâng cao thông lượng nơtrôn tại vị trí chiếu mẫu,
các kết quả mô phỏng và thực nghiệm về phân bố thông lượng nơtrôn và các thành phần liều
trong phantom góp phần có ý nghĩa vào nghiên cứu phát triển tri thức và tiền đề cho việc ứng
dụng BNCT ở Việt Nam trong tương lai.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án là kết quả nghiên cứu cải tiến thiết kế chùm nơtrôn đã
chứng minh có khả năng tăng thông lượng nơtrôn tại vị trí thực nghiệm của kênh số 2 lên 12
lần, qua đó góp phần để tăng cường khai thác hiệu quả các kênh ngang của LPƯ Đà Lạt.
Ngoài ra, kết quả của luận án cũng đã góp phần quan trọng vào việc nâng cao năng lực nghiên
cứu mô phỏng và đo đạc thực nghiệm trong lĩnh vực vật lý nơtrôn và các ứng dụng liên quan
trên các chùm nơtrôn từ LPƯ. Kết quả của luận án cũng có ý nghĩa thực tiễn khi phục vụ cho
công tác đào tạo và phát triển nguồn nhân lực hạt nhân.
Cấu trúc của luận án
Cấu trúc của luận án gồm 3 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về phương pháp tính
liều hấp thụ trong BNCT, bao gồm: nguyên lý của BNCT, các thành phần liều sinh ra trong
BNCT, hệ số KERMA nơtrôn cho các nguyên tố trong mô, phương pháp kích hoạt sử dụng
phương pháp đo gamma trễ để xác định thông lượng nơtrôn nhiệt, và phantom dùng cho
BNCT. Chương 2 trình bày phần mô phỏng sự phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong
phantom nước sử dụng chương trình MCNP; thực nghiệm tại CN2DR, bao gồm: thiết kế
phantom nước, thiết lập hệ đo, xác định sự phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom
nước, xây dựng đường chuNn hàm lượng bor trong mẫu dung dịch, đo suất liều gamma trong
phantom nước bằng liều kế nhiệt phát quang (ThermoLuminescence Dosimeter – TLD), đánh
giá và thảo luận về số liệu giữa thực nghiệm và mô phỏng. Chương 3 trình bày kết quả mô
phỏng thiết kế một số cấu hình mới đối với dòng nơtrôn, từ đó đề xuất cấu hình tối ưu phục
vụ cho BNCT tại CN2DR.
Chương 1: TỔNG QUAN
Mục tiêu của chương này là trình bày về nguyên lý và các thành phần liều hấp thụ trong
BNCT, đánh giá và xác định được các thành phần liều có trọng số đóng góp chính trong liều
hấp thụ toàn phần cũng như phương pháp tính toán và xác định các thành phần liều có đóng
góp chủ yếu đó.
1.1. Nguyên lý của BNCT
Mục này trình bày nguyên lý của BNCT, hàm lượng và tiết diện phản ứng của các
nguyên tố trong mô với nơtrôn nhiệt. Hình 1.2 minh họa kỹ thuật BNCT sử dụng chùm nơtrôn
nhiệt để chữa trị u não.
2
Hình 1.2. Minh họa kỹ thuật BNCT sử dụng chùm nơtrôn nhiệt để chữa trị u não
1.2. Chữa trị u não bằng BNCT trên thế giới
Mục này trình bày tổng quan về tình hình thử nghiệm lâm sàng của BNCT trên thế giới
trong giai đoạn từ 1968 đến 1999.
1.3. Hệ số KERMA nơtrôn trong mô
1.3.1. Tiết diện tương tác của nơtrôn
Mục này trình bày về khái niệm và các loại tiết diện tương tác của nơtrôn.
1.3.2. Hệ số KERMA nơtrôn trong mô
Trường nơtrôn thường được mô tả trong thuật ngữ thông lượng φ(E), khi một chùm
nơtrôn đơn năng tương tác với một hạt nhân trong mô thì năng lượng giải phóng của phản ứng
trên đơn vị khối lượng vật chất (Kinetic Energy Released per unit Mass – KERMA), được xác
định bởi biểu thức:
N
K = σ × t
m
× E ×Φ
(1.5)
Nt
là số hạt nhân của đồng vị quan tâm có trong 1 đơn vị
m
trong đó, σ là tiết diện nơtrôn,
khối lượng mô (tính cho 1 g mô), và E là năng lượng tỏa ra của phản ứng.
Bảng 1.3 liệt kê hệ số KERMA đối với nơtrôn nhiệt (KERMA nơtrôn) của các nguyên
tố có trong mô.
Bảng 1.3. Hệ số KERMA đối với nơtrôn nhiệt của các nguyên tố có trong mô
Hàm lượng
Hệ số KERMA
Tỷ lệ
TT
Nguyên tố
(%)
(Gy.cm2)
(%)
1
H
10,7
4,49E-15
2,49
2
3
C
N
14,5
2,2
3,49E-18
1,73E-13
0,00
95,67
-----
-----
-----
-----
-----
Như vậy, tỷ lệ đóng góp KERMA nơtrôn của 2 nguyên tố hydro và nitơ là chủ yếu trong
mô (chiếm 98,2 %). Do đó, khi tính KERMA nơtrôn trong mô, chúng ta có thể chỉ cần tính
KERMA nơtrôn của nitơ hoặc tính thêm KERMA nơtrôn của hydro.
1.4. Lý thuyết tính liều hấp thụ trong BNCT
1.4.1. Liều hấp thụ và đơn vị đo
Mục này trình bày lý thuyết về khái niệm và đơn vị đo của liều hấp thụ, liều tương
đương và trọng số bức xạ của các loại bức xạ.
1.4.2. Các thành phần liều trong BNCT
Trong BNCT, 4 thành phần liều hấp thụ thường quan tâm đó là: (i) liều bor; (ii) liều
nơtrôn nhiệt; (iii) liều nơtrôn nhanh; và (iv) liều gamma (Dγ).
(i)
Liều bor (DB): sinh ra từ phản ứng
10
B(n, α) 7 Li được thể hiện như sau:
3
10
B+1 n (0,025 eV) →11 B* 〈
4
He+ 7 Li + γ (0,478 MeV) + 2,31 (MeV)
4
He + 7 Li + 2,79 (MeV)
(94%)
(6%)
Liều bor được tính bởi công thức:
D B = 1,6 ×10 −13 × CB × σ B × Q × Φ th
(1.8)
Ở đây, các ký hiệu D, Cx , σx và Q được sử dụng như sau: D là liều hấp thụ, C là hàm lượng
của nguyên tố, x là ký hiệu của nguyên tố, σ là tiết diện phản ứng của nguyên tố đó với nơtrôn
nhiệt, Q là động năng của các hạt sản phNm mang điện (MeV), và Φth là dòng nơtrôn nhiệt
(n.cm-2).
Trong BNCT, khi tính liều người ta thường sử dụng khái niệm dòng nơtrôn nhiệt ( Φ th )
thay cho khái niệm thông lượng nơtrôn nhiệt ( φ th ). Mối liên hệ giữa hai đại lượng này được
tính như sau:
Φ th = φth × t
(1.9)
-2
-1
trong đó, φth là thông lượng nơtrôn nhiệt (n.cm .s ), và t là thời gian (s). Kết hợp với hệ số
KERMA nơtrôn đối với hạt nhân 10B và hàm lượng 10B trong khối u được sử dụng tính theo
ppm, phương trình (1.8) được viết lại như sau:
(1.10)
D B = 7,43 ×10 −14 × C B × Φ th
-14
trong đó, giá trị 7,43×10 là hệ số KERMA của bor đối với nơtrôn nhiệt, CB tính theo đơn vị
(ppm).
(ii)
Liều nơtrôn nhiệt (DN): sinh ra từ phản ứng
14
N(n, p)14 C được tính theo công thức:
D N = 1,6 × 10 −13 × C N × σ N × Q × Φ th
(1.11)
Kết hợp với hệ số KERMA nơtrôn đối với hạt nhân 14N, tiết diện phản ứng và hàm
lượng nitơ trong mô, phương trình (1.11) được viết lại như sau:
D N = 6,78 × 10−14 × CN × Φ th
(1.12)
-14
trong đó, giá trị 6,78×10 là hệ số KERMA của nitơ đối với nơtrôn nhiệt, CN là hàm lượng
của 14N (%).
(iii) Liều nơtrôn nhanh (Df): sinh ra từ các proton giật lùi giải phóng trong tán xạ đàn
hồi xảy ra khi nơtrôn nhanh tương tác với hydro theo phản ứng 1 H(n, n ' )1 H , được tính bởi
công thức:
D f = 1,6 × 10−13 × CH × σsH × E f × Φ f × f
(1.13)
trong đó: σsH là tiết diện tán xạ đàn hồi giữa nơtrôn nhanh và hydro (cm2), Ef là năng lượng
giải phóng của phản ứng (MeV), Φ f là dòng nơtrôn nhanh (n.cm-2), và f = 0,5 là hệ số hấp thụ
trong mô đối với nơtrôn nhanh.
(iv) Liều gamma ( Dγ ): sinh ra do các tia gamma hình thành trong phản ứng
1
H(n, γ) 2 H và các tia gamma lẫn trong chùm nơtrôn tới (thông qua các tương tác của dòng
nơtrôn hoặc từ vùng hoạt của LPƯ). Liều gamma trong mô có kết quả chủ yếu khi hydro
trong mô hấp thụ các nơtrôn nhiệt theo phản ứng 1 H(n, γ)2 H , và được tính theo công thức:
(1.14)
Dγ (2,22) = 1,6 × 10−13 × CH × σ H × Eγ ( 2, 22) × Φ th × fγ ( 2, 22)
trong đó: fγ ( 2, 22) = 0,278 là hệ số hấp thụ toàn thân đối với tia gamma ở trên.
Kết hợp với hàm lượng của 1H, tiết diện phản ứng của 1H, và hệ số hấp thụ gamma
trong mô, phương trình (1.14) được viết lại như sau:
(1.15)
Dγ (2,22) = 1,0 × 10−14 × Φ th
-14
trong đó, giá trị 1,0×10 là hệ số KERMA của tia gamma năng lượng 2,22 MeV đối với thể
tích được chiếu xạ.
4
• Liều hấp thụ gây ra bởi tia gamma năng lượng 478 keV khi hạt nhân 7 Li * giải năng
lượng kích thích, được tính theo công thức:
Dγ (0,478) = 1,6 × 10−13 × CB × σ B × Eγ ( 0, 478) × Φ th × fγ ( 0, 478)
(1.16)
trong đó: fγ (0, 478) là hệ số hấp thụ trong thể tích được chiếu xạ của tia gamma có E =
0,478 MeV.
Tương tự như phương trình (1.14), phương trình (1.16) được viết lại như sau:
Dγ (0,478) = 1,0 × 10−16 × CB × Φ th
(1.17)
trong đó, giá trị 1,0×10-16 là hệ số KERMA của gamma 0,478 MeV toàn bộ cơ thể, tính cho 1
đơn vị ppm của hàm lượng bor.
1.4.3. Liều hấp thụ toàn phần trong BNCT
Từ các phương trình 1.10, 1.12, 1.15 và 1.17 có thể thấy rằng, hệ số nhân trong các
phương trình 1.15 và 1.17 nhỏ hơn hệ số nhân trong các phương trình 1.10 và 1.12 tương ứng
khoảng 10 và 100 lần. Mặt khác, trọng số bức xạ của gamma nhỏ hơn trọng số bức xạ của các
hạt nặng tích điện khoảng 20 lần nên liều hấp thụ trong phương pháp BNCT thường chỉ quan
tâm đến hai thành phần liều gây ra bởi phản ứng bắt nơtrôn nhiệt bởi 10B và 14N trong mô.
D = (7,43 × C B + 6,78 × C N ) ×10 −14 × Φ th
(1.18)
trong đó D (Gy) là liều hấp thụ trong BNCT.
1.5. Các thành phần trong mô hình nghiên cứu BNCT trên thế giới
1.5.1. Dòng nơtrôn phin lọc
Mục này trình bày về dòng nơtrôn sử dụng cho BNCT, nguyên lý cơ bản của kỹ thuật
phin lọc nơtrôn nhiệt, và một số dòng nơtrôn phin lọc đã được sử dụng cho nghiên cứu BNCT
trên thế giới.
Bảng 1.7. Một số LPƯ tạo ra dòng nơtrôn nhiệt bằng các phin lọc đơn tinh thể Si và Bi
Chiều dài phin lọc (cm)
LPƯ
Công suất
(MW)
Si
Bi
MURR
HANARO
10
30
50
40
8
15
1.5.2. Phantom
Mục này trình bày về việc lựa chọn chất liệu làm phantom trong nghiên cứu BNCT. Hai
chất liệu thường được sử dụng để làm phantom là nước và polyethylene, vì mật độ của hai
chất liệu này gần tương tự như mô.
1.5.3. Xác định thông lượng nơtrôn nhiệt bằng kỹ thuật NAA
Mục này trình bày về cơ sở lý thuyết của phương pháp kích hoạt nơtrôn và công thức
tính thông lượng nơtrôn nhiệt bằng kỹ thuật NAA. Thông lượng nơtrôn nhiệt của lá dò đã
kích hoạt có thể được xác định theo phương trình:
C× f ×λ
(1.26)
φ=
ε × I × N × σ 0 × (1 − e − λt1 )× e − λt 2 × 1 − e − λt 3
Nguồn sai số chủ yếu khi tính thông lượng nơtrôn nhiệt gây ra bởi: số đếm đỉnh gamma
quan tâm (C) và hiệu suất ghi đỉnh gamma (ε). Vì vậy, sai số tương đối và sai số tuyệt đối của
thông lượng nơtrôn nhiệt được tính bởi các công thức (1.27) và (1.28):
(
(δC )2 + (δε )2
)
(1.27)
(1.28)
∆φ = φ × δφ
ở đây δφ , δC , và δε tương ứng là sai số tương đối của thông lượng nơtrôn nhiệt, của số đếm
đỉnh gamma và của hiệu suất ghi đỉnh gamma; và ∆φ là sai số tuyệt đối của thông lượng
nơtrôn nhiệt.
δφ =
5
1.5.4. Xác định hàm lượng bor bằng kỹ thuật PGNAA
Mục này trình bày tổng quan về việc sử dụng kỹ thuật PGNAA để xác định hàm lượng
bor trong nghiên cứu BNCT.
Tại Nhật Bản, các phép đo hàm lượng 10B trong các khối u, mô, máu và tế bào nuôi cấy
tại Viện Công nghệ Musashi bởi Matsumoto và Aizawa, giới hạn phát hiện 10B của hệ
PGNAA trong các thí nghiệm này là 2,5 ppm đối với mẫu có thể tích là 1 ml và 10 ppm đối
với mẫu có thể tích 0,3 ml.
Tại Việt Nam, hệ PGNAA đã được đưa vào sử dụng tại kênh ngang tiếp tuyến số 3 của
LPƯ Đà Lạt từ năm 1988; tại kênh ngang xuyên tâm số 2 từ năm 2011, để phục vụ các hướng
nghiên cứu phân tích kích hoạt nơtrôn đo gamma tức thời.
1.5.5. Xác định liều gamma bằng liều kế TLD
Mục này trình bày tổng quan tài liệu về việc sử dụng liều kế TLD để xác định liều
gamma trong nghiên cứu BNCT. Trong đó, TLD-900 (CaSO4:Dy) sẽ là lựa chọn tốt vì liều kế
này có độ nhạy rất cao với gamma. Sai số của một số loại liều kế TLD được liệt kê trong
Bảng 1.10.
TT
1
Bảng 1.10. Sai số của một số loại liều kế TLD
Liều kế
Vật liệu
TLD-300
CaF2:Tm
Sai số (%)
30
TLD-600
6
LiF:Mg,Ti
5,1
3
TLD-700
7
LiF:Mg,Ti
5,1
4
TLD-900
CaSO4:Dy
6
2
1.6. Sử dụng chương trình MCNP5 trong BNCT
1.6.1. Giới thiệu
MCNP5 là chương trình ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng các quá
trình vật lí hạt nhân đối với nơtrôn, photon, electron. Đây là một công cụ tính toán rất mạnh,
có thể mô phỏng vận chuyển nơtrôn, photon và electron, và giải các bài toán vận chuyển bức
xạ 3 chiều sử dụng trong các lĩnh vực từ thiết kế LPƯ đến an toàn bức xạ và vật lý y học.
1.6.2. Cấu trúc input file và các loại đánh giá
Mục này giới thiệu về chương trình, cấu trúc input file và các loại đánh giá trong
MCNP5.
1.6.3. Chuyển đổi thông lượng nơtrôn và gamma sang suất liều
Mục này trình bày cách chuyển đổi thông lượng nơtrôn và gamma sang suất liều hấp thụ.
1.6.4. Đánh giá sai số
Mục này trình bày về sai số tương đối và ý nghĩa của giá trị sai số tương đối của kết quả
chạy chương trình MCNP.
Giá trị R
> 0,5
0,2 – 0,5
0,1 – 0,2
< 0,1
< 0,05
Bảng 1.14. Ý nghĩa của giá trị sai số tương đối R trong MCNP
Ý nghĩa
Không có ý nghĩa
Có thể chấp nhận trong một vài trường hợp
Chưa tin cậy hoàn toàn
Tin cậy (ngoại trừ đối với detector điểm/vòng)
Tin cậy (đối với cả detector điểm/vòng)
Để theo dõi diễn biến của kết quả truy xuất, MCNP còn đưa ra tiêu chuNn FOM (Figure
Of Merit) sau mỗi lần truy xuất kết quả. Bên cạnh đó, để đánh giá độ chính xác của R, người
ta sử dụng đại lượng phương sai của phương sai (Variance Of Variance – VOV), giá trị của
VOV phải nhỏ hơn 0,1 đối với tất cả các loại Tally.
6
120
Thực nghiệm
100
Mô phỏng
80
Đường trung tâm
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
Độ sâu trong phantom (cm)
12
Thông lượng nơtrôn tương đối (%)
Thông lượng nơtrôn tương đối (%)
1.6.5. Mô phỏng và tính liều hấp thụ trong BNCT
Trên thế giới, hầu hết các trung tâm nghiên cứu trong đó có nghiên cứu BNCT đã đề
xuất kỹ thuật lập kế hoạch điều trị dựa trên phương pháp Monte Carlo để tính toán sự phân bố
các thành phần liều trong BNCT. Một số kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm đối
với thông lượng nơtrôn trong phantom nước tại LPƯ HFR được thể hiện trong Hình 1.22.
120
Tại độ
sâu 7cm
100
80
60
40
20
0
-6
-4
-2
0
2
4
6
Khoảng cách theo bán kính (cm)
Hình 1.22. Phân bố thông lượng nơtrôn trong phantom nước bằng mô phỏng và thực nghiệm
tại LPƯ HFR (Hà Lan)
1.6.6. Thiết kế dòng nơtrôn cho BNCT
Mục này trình bày về việc sử dụng MCNP để thiết kế dòng nơtrôn cho BNCT bởi
Matsumoto năm 1996 (Nhật Bản), bởi Monshizadeh năm 2015 (Iran), và hai thông số cơ bản
trong thiết kế dòng nơtrôn nhiệt phục vụ nghiên cứu BNCT.
TT
1
2
3
4
-----
Bảng 1.15. Thông số cơ bản trong thiết kế dòng nơtrôn nhiệt phục vụ nghiên cứu BNCT
Dgamma/φth
φth
Công suất
LPƯ
(MW)
(×109 n.cm-2.s-1)
(×10-13 Gy.cm2.n-1)
IAEA
>1
<2
RA3
10
9
1,73
HANARO
30
2,6
1,54
TRIGA Mark II
0,1
1,5
1,7
-----------------
1.7. Dòng nơtrôn phin lọc tại CN2DR
1.7.1. Lò phản ứng Đà Lạt
Mục này trình bày việc sử dụng các kênh ngang và mô tả mặt cắt ngang của LPƯ Đà Lạt.
1.7.2. Dòng nơtrôn phin lọc tại CN2DR
Bằng việc sử dụng tổ hợp phin lọc đơn tinh thể 80cm Si và 4cm Bi, dòng nơtrôn thuần
nhiệt đã được tạo ra tại CN2DR, và các thông số vật lý của dòng nơtrôn này được liệt kê trong
Bảng 1.16.
Bảng 1.16. Các thông số vật lý của dòng nơtrôn nhiệt tại lối ra của CN2DR
φth (n.cm .s )
Tỷ số Cadmi
RCd(Au)
1,6×106
420
Thông lượng nơtrôn nhiệt
-2
-1
Chiều dài phin lọc FL
(cm)
Si
Bi
80
4
Đường kính của
dòng nơtrôn (cm)
3
1.8. Tóm tắt chương 1
BNCT là kỹ thuật xạ trị dựa trên phản ứng 10 B(n, α)7 Li được ứng dụng trong điều trị u
não. Mặc dù có 4 thành phần liều sinh ra trong quá trình xạ trị bằng BNCT nhưng chỉ có 2
thành phần liều có đóng góp chủ yếu là liều bor và liều nitơ. Hai thành phần liều này phụ
thuộc nhiều vào hàm lượng của bor và thông lượng nơtrôn nhiệt chiếu tới (được tính theo
phương trình 1.18). Trong đó, hàm lượng 10B trong khối u được kiểm soát bằng kỹ thuật
PGNAA và thông lượng nơtrôn nhiệt được xác định bằng kỹ thuật NAA.
7
Chương 2: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
Mục tiêu của chương này là mô phỏng (bằng MCNP5) và thiết lập thực nghiệm tại
CN2DR với cấu hình hiện tại để: xác định, so sánh và đánh giá các giá trị của thông lượng
nơtrôn nhiệt và suất liều gamma trong phantom nước. Đồng thời tác giả cũng xây dựng đường
chuNn hàm lượng bor bằng kỹ thuật PGNAA nhằm kiểm tra khả năng xác định hàm lượng bor
trong mẫu lỏng của hệ thiết bị PGNAA hiện có.
2.1. Mô phỏng mô hình nghiên cứu BNCT tại LPƯ Đà Lạt
2.1.1. Dòng nơtrôn phin lọc tại kênh số 2
Hệ dẫn dòng nơtrôn tại CN2DR theo thiết kế có dạng hình trụ có tổng chiều dài là 240,3
cm được chia làm hai phần: (i) phần dẫn dòng nơtrôn; và (ii) phần chuNn trực dòng nơtrôn.
Hình 2.3 thể hiện cấu trúc của hệ dẫn dòng nơtrôn tại CN2DR, có chuNn trực hình trụ
với tổ hợp phin lọc 20 cm Si và 3 cm Bi (gọi tắt là – cấu hình hiện tại).
Hình 2.3. Cấu trúc CN2DR với cấu hình hiện tại
Hình 2.4 thể hiện hình dạng phổ tại lối vào kênh số 2, phía gần với vùng hoạt LPƯ (sử
dụng số liệu trong Phụ lục 1).
-2 -1
Thônglượngnơtrôn(n.cm .s )
1E+11
1E+10
1E+09
1E+08
1E+07
1E+06
1E+05
1E+04
1E+03
1E+02
1E+01
1E+00
1E-09 1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00
Năng lượng (MeV)
Hình 2.4. Hình dạng phổ tại lối vào CN2DR
Hình 2.5 thể hiện hình dạng phổ tại vị trí chiếu mẫu, cách lối ra của kênh số 2 khoảng
60 cm với cấu hình hiện tại.
1E+09
-2 -1
Thông lượng nơtrôn (n.cm .s )
ChuNn trực hình trụ
1E+08
1E+07
1E+06
1E+05
1E+04
1E+03
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
Năng lượng (MeV)
Hình 2.5. Hình dạng phổ tại vị trí chiếu mẫu trên CN2DR với cấu hình hiện tại
8
Có thể dễ dàng nhận ra rằng, sau khi đi qua tổ hợp phin lọc đơn tinh thể 20 cm Si và 3
cm Bi, phổ nơtrôn nhiệt thu được có độ tinh khiết cao (En < 0,414 eV), và đạt giá trị cực đại
khoảng 2,5×107 n.cm-2.s-1. Tuy nhiên, giá trị cực đại này đã bị suy giảm khoảng 5×103 lần so
với giá trị cực đại tại lối vào của kênh, gần với vùng hoạt LPƯ (khoảng 1,4×1011 n.cm-2.s-1).
2.1.2. Phantom nước
Trong luận án, phantom nước (gọi tắt là phantom) hình hộp chữ nhật có kích thước dài
25 cm × rộng 16 cm × cao 16 cm (xem Hình 2.11) đã được thiết kế và chế tạo, vỏ của
phantom được làm từ các tấm thủy tinh hữu cơ có bề dày 2 mm. Hình 2.6 thể hiện hình ảnh
của phantom sử dụng tại CN2DR được mô phỏng bằng MCNP5.
Phantom nước
Cell tính thông lượng nơtrôn
Đường trung tâm
Cell tính suất liều gamma
Hình 2.6. Phantom sử dụng tại CN2DR được mô phỏng bằng MCNP5
Hình 2.8 thể hiện cấu trúc chi tiết CN2DR và vị trí phantom sử dụng trong mô phỏng
MCNP5.
Hình 2.8. Cấu trúc chi tiết CN2DR và vị trí phantom sử dụng trong mô phỏng MCNP5
2.1.3. Kết quả mô phỏng
Một phần kết quả mô phỏng phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom bằng
MCNP5, với cấu hình hiện tại của CN2DR được trình bày trong Bảng 2.1, trong đó x là chiều
rộng, y là chiều đứng và z là chiều dài của phantom (chiều sâu). Trong mô phỏng chọn trục
trung tâm nên tọa độ y luôn bằng 0 cm.
Bảng 2.1. Thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom được mô phỏng bằng MCNP5
với cấu hình hiện tại
TT
Pos.(cm)
φth (n.cm-2.s-1)
x
z
Mean
Err. (%)
1
0
0
2,23E+07
0,39
2
0
0,5
2,79E+07
3
0
1
-----
-----
-----
TT
Pos.(cm)
φth (n.cm-2.s-1)
x
z
Mean
Err. (%)
91
5
5
6,15E+05
2,97
0,52
92
5
6
4,36E+05
3,32
2,13E+07
0,6
93
5
7
3,21E+05
3,86
-----
-----
-----
-----
-----
-----
-----
9
Một số kết quả mô phỏng phân bố suất liều gamma trong phantom bằng MCNP5, với
cấu hình hiện tại của CN2DR được trình bày trong Bảng 2.2, với tọa độ y luôn bằng 0 cm.
Bảng 2.2. Suất liều gamma trong phantom được mô phỏng bằng MCNP5 với cấu
hình hiện tại
Tọa độ (cm)
Sai số
Suất liều
Trường hợp
TT
(%)
(Gy.h-1)
x
z
1
2
----29
30
-----
0
0
----0
0
-----
-0,5
0
-----0,5
0
-----
2,41E-03
5,63E-03
----3,14E-04
4,49E-04
-----
3,99
2,71
----7,00
5,93
-----
Có phantom
Như trên
----Không có phantom
Như trên
-----
2.1.4. Đánh giá sai số mô phỏng
Các thông số để đánh giá cho quá trình mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều
gamma trong phantom được trình bày tương ứng trong Bảng 2.3 và Bảng 2.4.
Bảng 2.3. Kết quả đánh giá các thông số mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt trong
phantom với cấu hình hiện tại
TT
Tọa độ x
(cm)
1
2
0
0,5
3
-----
1
-----
Số hạt gieo
R
FOM
VOV
1×109
1×109
1×109
-----
0,0039
0,0040
18
18
0,0000
0,0000
0,0042
-----
16
-----
0,0001
-----
Bảng 2.4. Kết quả đánh giá các thông số mô phỏng suất liều gamma trong phantom
với cấu hình hiện tại
Tọa độ
(cm)
TT
1
x
z
0
≠0
Số hạt gieo
R
FOM
VOV
1×109
0,0399
0,16
0,0022
9
2
≠
3
6×10
0,0176
0,15
0,0005
3
0
≠0
7×109
0,0161
0,15
0,0004
Trường hợp
Có phantom
Không có
phantom
Sử dụng các giá trị đã trình bày trong các Bảng 2.3 và 2.4 để so sánh với các thông số
yêu cầu trong Bảng 1.14, có thể khẳng định rằng việc lựa chọn số hạt gieo (NOH) cho các
trường hợp trên thỏa mãn yêu cầu bắt buộc của chương trình MCNP5. Điều đó có nghĩa rằng,
số liệu của kết quả mô phỏng là đáng tin cậy.
Để kiểm chứng số liệu đã mô phỏng ở trên, các phép đo thực nghiệm tại CN2DR đã
được tiến hành, để so sánh và đánh giá kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng.
2.2. Thực nghiệm trên cấu hình hiện tại để nghiên cứu BNCT tại LPƯ Đà Lạt
Để có cơ sở thay đổi và đề xuất cấu hình mới phục vụ nghiên cứu BNCT tại CN2DR,
các thực nghiệm với cấu hình hiện tại đã được thực hiện (đã giới thiệu và mô phỏng trong
mục 2.1).
Các bước thiết lập thực nghiệm bao gồm: hiệu chuNn detector, chuNn bị phantom nước
và các lá dò kích hoạt, chiếu – đo – xử lý phổ từ các lá dò kích hoạt đã được chiếu với dòng
nơtrôn nhiệt tại CN2DR.
10
2.2.1. Hiệu chu n detector
Trong luận án này, hệ phổ kế gamma sử dụng detector germanium siêu tinh khiết
(model: GR7023) của hãng Canberra (Hình 2.9) đã được sử dụng, và có các thông số được
liệt kê trong Bảng 2.5.
Hình 2.9. Hệ phổ kế gamma dùng detector bán dẫn loại GR7023 tại CN2DR
Bảng 2.5. Đặc trưng của hệ phổ kế gamma sử dụng tại CN2DR
Phần mềm thu nhận và
Độ phân giải tại đỉnh
Thời gian đáp ứng
Thay mẫu
xử lý phổ
1332,5 keV
Genie2K
2,1 keV
Bằng tay
4 µs
Để xác định sự phụ thuộc của hiệu suất ghi của detector vào năng lượng, 8 nguồn chuNn
là:
và 60Co đã được sử dụng. Các nguồn trên có 14
đỉnh năng lượng xác định nằm trong dải từ 81 keV đến 1332,5 keV.
Đường cong hiệu suất ghi các tia gamma của detector HPGe đã sử dụng trong nghiên
cứu của luận án được thể hiện trong Hình 2.10.
133Ba, 109Cd, 57Co, 22Na, 137Cs, 54Mn, 65Zn,
0.5
Log(Hiệu suất ghi %)
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
1.8
y = 1.7003x5 - 23.1623x4+ 125.5631x3
- 338.6775x2 + 453.9850x - 241.1282
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
Log(Năng lượngkeV)
Hình 2.10. Đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối các tia gamma của detector HPGe cho các
mẫu chuNn tại vị trí 5 cm cách mặt detector
Dựa vào số liệu liên hệ giữa hiệu suất ghi tuyệt đối của detector và năng lượng tia
gamma, thực hiện ngoại suy hiệu suất ghi của detector cho tia gamma có năng lượng 1434
keV của 52V phát ra từ lá dò 51V, hiệu suất này được sử dụng để tính thông lượng nơtrôn nhiệt
(trong mục 2.2.2.2).
Sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu, tính toán được hiệu suất ghi và sai số
tương đối của hiệu suất ghi của detector đối với đỉnh gamma có năng lượng 1434 keV tương
ứng là 0,6644 % và 1,5 %.
2.2.2. Đo phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom
Mục tiêu của phép đo này là để xác định sự phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong
phantom nước. Các phép đo đã được thực hiện bằng phương pháp kích hoạt nơtrôn, trong đó
sử dụng các lá dò chuNn là Vanadium (51V).
11
Dựa vào kết quả thu được từ các phép thông lượng nơtrôn nhiệt (trong Bảng 2.10),
phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt được xác định. Đồng thời, kết quả này được so sánh và
đánh giá với kết quả đã mô phỏng (trong Bảng 2.1). Đây là cơ sở để đánh giá sự tương quan
giữa mô phỏng và thực nghiệm, làm cơ sở để mô phỏng đề xuất cấu hình mới phục vụ nghiên
cứu BNCT. Bên cạnh đó, từ kết quả đo thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom, liều hấp thụ
trong phương pháp BNCT cũng được xác định dựa vào phương trình (1.18).
2.2.2.1. ChuNn bị phantom và các lá dò, chiếu - đo - xử lý phổ
(i) ChuNn bị phantom: Phantom hình hộp chữ nhật có kích thước dài 25 cm × rộng
16 cm × cao 25 cm đã được thiết kế và chế tạo, vỏ của phantom này được làm từ các tấm thủy
tinh hữu cơ có bề dày 2 mm (Hình 2.11), và được cấp đầy nước (gọi tắt là phantom).
Hình 2.11. Phantom sử dụng tại CN2DR
(ii) ChuNn bị lá dò: Mỗi lá dò 51V có đường kính 1,27 cm và độ tinh khiết 99,88 %.
Các lá dò kích hoạt này được đặt trong phantom tại vị trí cần xác định thông lượng nơtrôn
nhiệt và được phân tích với các thông số được liệt kê trong Bảng 2.8.
Bảng 2.8. Các tính chất phân rã của hạt nhân trong lá dò kích hoạt
Sản phNm
kích hoạt
52
V
Chu kỳ bán hủy
(phút)
Năng lượng γ
(keV)
Cường độ phát
(%)
3,75
1434,08
100
(iii) Chiếu lá dò: Cấu hình của các mẫu chiếu xạ với chùm nơtrôn nhiệt tại CN2DR
với cấu hình hiện tại được chỉ ra trong Hình 2.13.
Hình 2.13. Thiết lập thực nghiệm đo thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom tại CN2DR
Các thông số kích hoạt của lá dò được liệt kê trong Bảng 2.9.
Bảng 2.9. Các thông số chiếu và đo cho lá dò 51V bằng phương pháp kích hoạt
Hạt nhân;
Khối lượng (g)
51
V; 0,0925
Thời gian chiếu
(s)
Thời gian rã
(s)
Thời gian đo
(s)
60-960
176-1800
201-1250
12
(iv) Xử lý phổ: Phổ gamma của lá dò Vanadium sau khi được chiếu trong phantom với
chùm nơtrôn phin lọc ở trên, đã được đo với hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu
tinh khiết (model: GR7023).
2.2.2.2. Kết quả thực nghiệm
Thông lượng nơtrôn nhiệt trong các lá dò Vanadium đã đo với cấu hình của Hình 2.13,
được tính bằng cách áp dụng phương trình (1.26), và kết quả của các phép đo này được liệt kê
trong Bảng 2.10, với tọa độ y luôn bằng 0 cm.
Bảng 2.10. Kết quả đo thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom với cấu hình hiện tại ở
CN2DR
TT
Tọa độ (cm)
Diện tích đỉnh
Thông lượng nơtrôn nhiệt
x
z
(số đếm)
Sai số (%)
(n.cm-2.s-1)
Sai số (%)
1
0
1
832760
0,55
2,13E+07
1,82
2
0
2
947480
0,47
1,23E+07
1,79
-----
-----
-----
-----
-----
-----
-----
2.2.3. Xây dựng đường chu n hàm lượng bor bằng PGNAA tại CN2DR
Trong luận án này, để xây dựng đường chuNn hàm lượng bor của hệ PGNAA tại
CN2DR, thực nghiệm được tiến hành trên dòng nơtrôn nhiệt với cấu hình hiện tại. Thông
lượng nơtrôn nhiệt tại vị trí chiếu mẫu là 2,0×107 n.cm-2.s-1.
Mẫu sử dụng là dung dịch bor có các hàm lượng khác nhau, được pha từ dung dịch bor
chuNn H3BO3 có hàm lượng ban đầu là 1000 mg/l ± 2 mg/l (của hãng Sigma-Aldrich). Công
thức pha loãng dung dịch được tính như sau:
C1 × V1 = C 2 × V2
(2.1)
ở đây, C1 (C2); V1 (V2) là hàm lượng và thể tích ban đầu (sau) của dung dịch.
Mẫu được đựng trong các lọ polyethylen chuyên dụng có thể tích từ 0,65 ml đến 2,0 ml,
được đặt một góc 450 so với dòng nơtrôn nhiệt, với thời gian chiếu (cũng là thời gian đo) từ
khoảng 1200 s đến 82000 s. Tia gamma tức thời 478 keV của 10B phát ra từ mẫu sẽ được ghi
nhận bởi một hệ phổ kế gamma đã sử dụng trong Hình 2.9. Kết quả của các phép đo này được
trình bày trong Bảng 2.11.
Hàm
lượng
(ppm)
10
25
100
-----
Bảng 2.11. Kết quả xác định tốc độ đếm tia gamma tức thời 478 keV của hệ
PGNAA tại CN2DR
Thời gian
Thể tích
Sai số
Số đếm
đo
cps
cps/ml
cps/ppm/ml
(ml)
(%)
(s)
2
37526
6,1
81107
0,46
0,23
0,023
1,8
53846
2,7
61721
0,87
0,48
0,019
0,65
14449
2,3
10102
1,43
2,20
0,022
-----------------------------
Từ số liệu được trình bày của cột đầu tiên và cột cuối cùng trong Bảng 2.11 cho thấy
rằng, với dung dịch H3BO3 có hàm lượng bor khác nhau từ 10 ppm đến 500 ppm nhưng tỷ số
cps/ppm/ml gần như là hằng số. Điều đó chứng tỏ, việc pha loãng dung dịch là hợp lý, thiết bị
đo là ổn định, trong đó giới hạn phát hiện của hệ đạt được là 1,1 ppm đối với thể tích mẫu là
0,65 ml và 0,1 ppm đối với thể tích mẫu là 2 ml.
2.2.4. Đo suất liều gamma trong phantom bằng liều kế TLD
Trong luận án, các TLD-900 được sử dụng để đo liều tại vị trí trước và trong phantom,
mỗi liều kế được sử dụng với thời gian chiếu (cũng là thời gian đo) từ 1-4 giờ. Các TLD sau
khi chiếu, được gửi đến Trung tâm An toàn bức xạ, Viện Nghiên cứu hạt nhân để đọc kết quả
13
bằng máy Rexon. Kết quả của các phép đo này được thể hiện trong Bảng 2.12, với tọa độ y
luôn bằng 0 cm.
Bảng 2.12. Kết quả đo suất liều gamma trong phantom bằng liều kế TLD-900
x
z
Thời
gian
đo (h)
M1
0
0
2
11,24
5,62E-03
6
2
M2
0
2
1
3,01
3,01E-03
6
3
M3
0
4
2
3,61
1,80E-03
6
-----
-----
-----
-----
-----
-----
-----
-----
TT
Ký hiệu
mẫu
1
Vị trí đo (cm)
Suất liều
Liều
(Sv)
Gy.h-1
Sai số (%)
2.3. Tóm tắt chương 2
Như đã trình bày ở trên, chương trình MCNP5 đã được sử dụng để mô phỏng và tính
thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom; phương pháp kích hoạt lá dò với phương pháp đo
gamma trễ được sử dụng để xác định thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom nước và sử
dụng liều kế TLD-900 để đo suất liều gamma trong phantom. Bên cạnh đó, phương pháp đo
gamma tức thời cũng được sử dụng để xây dựng đường chuNn hàm lượng bor trong dung
dịch.
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Mục tiêu chính của chương này là: (i) đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm
đã được trình bày trong Chương 2; và (ii) mô phỏng một số cấu hình cho CN2DR, từ đó đề
xuất cấu hình tối ưu phục vụ nghiên cứu BNCT trên kênh số 2 của PLƯ Đà Lạt.
3.1. Đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm với cấu hình hiện tại trên CN2DR
Thông lượng nơtrôn nhiệt (n.cm-2.s-1)
3.1.1. Đối với thông lượng nơtrôn
Hình 3.1 là kết quả so sánh thông lượng nơtrôn nhiệt dọc theo trục trung tâm (theo độ
sâu) của phantom giữa mô phỏng bằng MCNP và đo thực nghiệm bằng kỹ thuật kích hoạt lá
dò (Số liệu này được trích ra từ các Bảng 2.1 và 2.10).
3.0E+07
MCNP5
Thực nghiệm
Đường khớp dữ liệu MCNP5
2.5E+07
2.0E+07
1.5E+07
1.0E+07
5.0E+06
R2 = 0,998
0
2
4
6
8
10
Độ sâu trong phantom (cm)
Hình 3.1. Kết quả phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt dọc theo trục trung tâm của phantom
bằng thực nghiệm và mô phỏng
Hình 3.1 cho thấy rằng, phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt dọc theo trục của phantom là
một hàm theo độ sâu của phantom. Thông lượng nơtrôn nhiệt có giá trị lớn nhất khoảng
14
2,3×107n.cm-2.s-1 tại độ sâu 1 cm trong phantom và giảm nhanh đến 4,0×106 n.cm-2.s-1 tại độ
sâu 4 cm. Đồng thời hình ảnh cũng cho thấy sự phù hợp khá tốt giữa số liệu thực nghiệm và
mô phỏng.
Thông lượng nơtrôn nhiệt (n.cm-2.s-1)
Hình 3.2 là kết quả so sánh thông lượng nơtrôn nhiệt theo chiều bán kính của dòng
nơtrôn, tại vị trí z = 1 cm trong phantom giữa mô phỏng bằng MCNP và đo thực nghiệm bằng
kỹ thuật kích hoạt lá dò (Số liệu này được trích ra từ các Bảng 2.1 và 2.10).
MCNP5
Thực nghiệm
Đường khớp dữ liệu MCNP5
2.50E+07 Tại z = 1 cm trong phantom
2.00E+07
1.50E+07
1.00E+07
5.00E+06
0.00E+00
R2 = 0,983
-6
-4
-2
0
2
4
6
Theo chiều bán kính của dòng nơtrôn (cm)
Hình 3.2. Kết quả phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt theo chiều bán kính của dòng nơtrôn
bằng thực nghiệm và mô phỏng
Kết quả thể hiện trong Hình 3.2 cho thấy rằng, dòng nơtrôn nhiệt tại vị trí z = 1 cm
trong phantom của CN2DR có độ đối xứng tốt về phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt.
Để đánh giá sự ảnh hưởng của phantom đến độ lớn của thông lượng nơtrôn nhiệt tại lối
vào phantom (có tọa độ x = y = z = 0 cm), việc mô phỏng và tính thông lượng nơtrôn nhiệt tại
lối vào phantom trong trường hợp có và không có phantom đã được thực hiện. Kết quả của
công việc này được trình bày trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Thông lượng nơtrôn nhiệt tại lối vào phantom trong trường hợp có và
không có phantom, bằng MCNP
Phantom
•
φ th
(n.cm-2.s-1)
•
Dγ
Dγ / φth
(Gy.cm2.n-1)
2,67E-14
Có (A)
3,18E+07
(Gy.h-1)
3,06E-03
Không có (B)
1,69E+07
2,29E-05
3,76E-16
A/B
1,88
133,62
71,01
Từ dữ liệu thể hiện trong Bảng 3.3 có thể thấy rằng, khi có phantom thì thông lượng
nơtrôn nhiệt tại vị trí lối vào phantom sẽ tăng lên khoảng 1,9 lần và suất liều gamma tăng lên
khoảng 134 lần. Sự tăng lên của thông lượng nơtrôn nhiệt được giải thích là do phần đóng góp
của nơtrôn tới khi tương tác tán xạ với hydro ở bề mặt trong phantom; và sự tăng lên của suất
liều gamma là do phần đóng góp của tia gamma có năng lượng 2,22 MeV sinh ra do tương tác
của nơtrôn nhiệt với hydro trong phantom.
3.1.2. Đối với suất liều gamma
Kết quả so sánh suất liều gamma dọc theo trục trung tâm của phantom giữa MCNP và
thực nghiệm, được thể hiện trong Hình 3.3 (Số liệu này được trích ra từ các Bảng 2.2 và
2.12).
15
8.00E-03
MCNP5
TLD
Đường khớp dữ liệu MCNP5
Suất liều gamma (Gy.h-1)
7.00E-03
6.00E-03
5.00E-03
4.00E-03
3.00E-03
2.00E-03
1.00E-03
R2 = 0,989
0.00E+00
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24
Độ sâu trong phantom (cm)
Hình 3.3. Phân bố suất liều gamma dọc theo trục trung tâm của phantom giữa MCNP5 và
thực nghiệm
Từ đường cong thể hiện trong Hình 3.3 cho thấy, suất liều gamma có giá trị cực đại
khoảng 5,5×10-3 (Gy.h-1) ngay tại lối vào của phantom và giảm nhanh xuống khoảng 1,8×10-3
(Gy.h-1) tại vị trí 4 cm trong phantom. Bên cạnh đó, kết quả này cũng cho thấy có sự phù hợp
khá tốt giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với suất liều gamma dọc theo trục trung
tâm của phantom.
Kết quả so sánh suất liều gamma theo chiều bán kính chùm nơtrôn, tại vị trí z = 3 cm
trong phantom giữa MCNP và thực nghiệm, được thể hiện trong Hình 3.4 (Số liệu này được
trích ra từ các Bảng 2.2 và 2.12).
2.00E-03 Tại z = 3 cm trong phantom
MCNP5
TLD
Đường khớp dữ liệu MCNP5
-1
Suất liều gamma (Gy.h )
1.75E-03
1.50E-03
1.25E-03
1.00E-03
7.50E-04
5.00E-04
R2 = 0,997
2.50E-04
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Theo chiều bán kính của dòng nơtrôn (cm)
Hình 3.4. Phân bố suất liều gamma theo chiều bán kính của dòng nơtrôn tại z = 3 cm trong
phantom by MCNP5 and experiement
Từ đường cong thể hiện trong Hình 3.4 cho thấy rằng, suất liều gamma theo tiết diện
ngang tại vị trí z = 3 cm trong phantom có sự đối xứng tốt trong vòng bán kính khoảng 5 cm.
Đồng thời hình ảnh trên cũng cho thấy có sự phù hợp khá tốt giữa mô phỏng bằng MCNP và
đo thực nghiệm bằng liều kế TLD-900.
Từ các số liệu thể hiện trong các Hình 3.1 ÷ 3.4 có thể khẳng định rằng, có sự phù hợp
tốt giữa mô phỏng MCNP và thực nghiệm về giá trị thông lượng nơtrôn và suất liều gamma
trong phantom. Đây là cơ sở để sử dụng chương trình MCNP để mô phỏng các cấu hình
CN2DR khác nhau nhằm đề xuất được cấu hình tốt nhất phục vụ nghiên cứu BNCT.
16
Bên cạnh đó, các Hình 3.1 ÷ 3.4 cho thấy rằng, hình dáng của đường cong phân bố
thông lượng nơtrôn nhiệt cũng như đường cong phân bố suất liều gamma trong phantom có sự
tương đồng với nhau. Có nghĩa là, có sự liên hệ giữa suất liều gamma và thông lượng nơtrôn
nhiệt trong phantom. Để kiểm chứng nhận xét trên, số liệu mô phỏng suất liều gamma dọc
theo trục trong phantom khi có và không có phantom đã được so sánh.
Kết quả so sánh suất liều gamma dọc theo trục của phantom khi có và không có
phantom được thể hiện trong Hình 3.5.
6.0E-03
Có phantom
Không có phantom
Suất liều gamma (Gy.h-1)
5.0E-03
4.0E-03
3.0E-03
2.0E-03
1.0E-03
0.0E+00
0
5
10
15
20
25
Độ sâu trong phantom (cm)
Hình 3.5. Phân bố suất liều gamma dọc theo trục của phantom khi có và không có phantom
Từ Hình 3.5 cho thấy rằng, suất liều gamma dọc theo trục của phantom trong khoảng từ
0-4 cm, trong trường hợp có phantom là lớn hơn nhiều so với trường hợp không có phantom.
Kết quả trên có thể được giải thích rằng, suất liều gamma đo được trong phantom gây ra
chủ yếu bởi tia gamma có năng lượng 2,22 MeV. Vì suất liều của tia gamma 2,22 MeV trong
phantom liên quan đến thông lượng nơtrôn nhiệt, và thông lượng này cũng có sự suy giảm
nhanh chóng giống với sự suy giảm của suất liều gamma trong khoảng từ 0-4 cm trong
phantom (Hình 3.1). Như vậy, từ kết quả mô phỏng suất liều gamma ở trên (Hình 3.5) cũng
cho phép khẳng định được rằng sự đóng góp của suất liều gamma lẫn trong dòng nơtrôn chiếu
đến phantom tại CN2DR là rất thấp.
3.2. Định liều hấp thụ của BNCT trong phantom
Từ những kết quả so sánh và đánh giá về thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma
trong phantom (đã trình bày trong mục 3.1), sử dụng các phương trình (1.10), (1.12) và (1.18)
để tính các thành phần liều DB, DN và liều hấp thụ toàn phần D trong nghiên cứu BNCT đối
với số liệu thực nghiệm, tại mỗi vị trí trong phantom, với hàm lượng Nitơ là 2 % và giả định
hàm lượng bor là 30 ppm. Hình 3.6 thể hiện mối tương quan giữa liều hấp thụ toàn phần và
hai liều thành phần DB và DN, dọc theo trục trung tâm trong phantom. Trong đó, sự đóng góp
của liều DN là nhỏ khi hàm lượng 10B sử dụng là 30 ppm.
Liều Bor
Liều Nito
Liều hấp thụ toàn phần
Liềuhấpthụ(Gy)
5.00E-05
4.00E-05
3.00E-05
2.00E-05
1.00E-05
0.00E+00
0
2
4
6
8
10
Độ sâu trong phantom (cm)
Hình 3.6. Phân bố liều hấp thụ dọc theo trục trung tâm trong phantom tại CN2DR
17
Như đã thể hiện trong Hình 3.1, khi tăng độ sâu trong phantom thì thông lượng nơtrôn
nhiệt giảm do sự hấp thụ trong quá trình khuếch tán trong môi trường nước thông qua tương
tác tán xạ đàn hồi và phản ứng bắt (n,γ) với hạt nhân hydro của nước trong phantom. Do vậy,
các liều thành phần cũng như liều hấp thụ toàn phần cũng bị suy giảm tỷ lệ với sự suy giảm
của thông lượng nơtrôn nhiệt theo độ sâu trong phantom.
Phân bố 2 chiều của thông lượng nơtrôn nhiệt đo thực nghiệm trong phantom, được thể
hiện trong Hình 3.7.
Thông lượng nơtrôn nhiệt
(n.cm-2.s-1)
Độ sâu trong phantom (cm)
6
2.13E+07
1.86E+07
5
1.60E+07
2.663E+06
4
1.33E+07
1.07E+07
5.325E+06
3
7.99E+06
7.988E+06
2
1
1.065E+07
5.33E+06
1.598E+071.331E+07
2.66E+06
0.00
0
1
2
3
4
5
Theo chiều bán kính của dòng nơtrôn (cm)
Hình 3.7. Phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt 2 chiều trong phantom
Từ Hình 3.7 có thể thấy rằng, thông lượng nơtrôn nhiệt phân bố trong phantom có dạng
đám mây elipsoid có lõi thông lượng nơtrôn cao nhất với bán trục dài khoảng 2 cm và bán
trục ngắn khoảng 1cm.
3.3. Kết quả xây dựng đường chu5n hàm lượng bor bằng PGNAA tại CN2DR
Hình 3.8 thể hiện kết quả đường chuNn hàm lượng bor được xác định tại CN2DR (Số
liệu được lấy từ kết quả Bảng 2.11).
12
10
Cps/ml
8
6
4
2
R2 = 0,998
0
0
100
200
300
400
500
Hàm lượng bor (ppm)
Hình 3.8. Đường chuNn hàm lượng bor trong dung dịch được thực hiện tại CN2DR
Kết quả thể hiện trong Hình 3.8 cho thấy rằng, tốc độ đếm đỉnh gamma 478 keV của 10B
là một hàm bậc nhất theo hàm lượng của bor trong mẫu. Trong các công trình nghiên cứu
BNCT trên thế giới, hàm lượng bor trong khối u nằm trong dải từ 30 đến 100 ppm và trong
mô bình thường lúc ấy nhỏ hơn trong khối u khoảng 3 lần, tức là từ 10 đến 33 ppm. Từ kết
quả trên, có thể khẳng định rằng, hệ PGNAA tại CN2DR hoàn toàn sử dụng được trong quá
trình kiểm soát hàm lượng bor khi nghiên cứu BNCT.
18
3.4. Thiết kế cấu hình mới tại CN2DR
3.4.1. Kết quả mô phỏng khi thay đổi hình dạng ống chu n trực
Trong thiết kế, chế tạo và đo thực nghiệm trên dòng nơtrôn phin lọc tại CN2DR, khi
thay đổi hình dạng của ống chuNn trực thì thông lượng nơtrôn tại lối ra của kênh cũng thay
đổi. Cụ thể là, khi dùng ống chuNn trực hình nón sẽ tốt hơn ống chuNn trực hình trụ. Trên cơ
sở đó, việc mô phỏng thay đổi ống chuNn trực hình trụ (Hình 2.2) thành ống chuNn trực hình
nón đã được tiến hành. Bản vẽ thiết kế cấu hình CN2DR với ống chuNn trực hình nón được
trình bày trong Hình 3.9.
Hình 3.9. Bản vẽ thiết kế ống chuNn trực hình nón của CN2DR
Việc mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma tại lối vào phantom đã
được thực hiện với cấu hình tổ hợp phin lọc 20 cm Si + 3 cm Bi và chuNn trực hình nón (cấu
hình mới) như Hình 3.9. Kết quả mô phỏng được liệt kê trong Bảng 3.8.
Bảng 3.8. Thông lượng nơtrôn tại lối vào phantom với ống chuNn trực hình trụ và
ống chuNn trực hình nón
Ống chuNn trực
•
φ th
(n.cm2.s-1)
•
Dγ
Dγ / φth
(Gy.cm2.n-1)
2,67E-14
Hình trụ (A)
3,18E+07
(Gy.h-1)
3,06E-03
Hình nón (B)
1,74E+08
2,09E-02
3,34E-14
B/A
5,47
6,83
1,25
Dựa vào số liệu trong Bảng 3.8 có thể nhận xét rằng, khi thay đổi cấu hình ống chuNn
trực hình trụ sang cấu hình ống chuNn trực hình nón toàn phần với tổ hợp phin lọc 20 cm Si +
3 cm Bi thì thông lượng nơtrôn nhiệt tăng lên khoảng 5,5 lần và suất liều gamma tăng lên
khoảng 6,8 lần. Phần tăng lên của thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma ở trên có thể
được giải thích là do góc khối của lối vào phantom đến trường nơtrôn trong vùng hoạt của
LPƯ đã tăng lên.
3.4.2. Tối ưu hóa chiều dài ống chu n trực
Để khảo sát chiều dài tối ưu của ống chuNn trực, công việc mô phỏng ống chuNn trực
hình nón không có phin lọc, ứng với các chiều dài (L): 40, 90, 140 và 240 cm đã được tiến
hành. Thông số của ống chuNn trực được liệt kê trong Bảng 3.9.
Bảng 3.9. Các thông số của ống chuNn trực sử dụng trong mô phỏng MCNP
L (cm)
240
140
90
40
D5 (cm)
14,6
19,4
19,4
19,4
D4 (cm)
5,3
7,8
9,4
12,7
Ghi chú: D* là đường kính của dòng nơtrôn tại vị trí chiếu mẫu.
19
D* (cm)
3
3
3
3
Cấu hình của CN2DR với ống chuNn trực hình nón có chiều dài 140 cm sử dụng để mô
phỏng trong MCNP, được thể hiện trong các Hình 3.10b.
Hình 3.10b. Cấu hình CN2DR với ống chuNn trực hình nón dài 140 cm
Kết quả mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma tại vị trí chiếu mẫu
(xem Hình 2.3) theo chiều dài khác nhau của ống chuNn trực hình nón tại CN2DR khi không
sử dụng phin lọc, được trình bày trong Bảng 3.10.
Bảng 3.10. Thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma tại vị trí chiếu mẫu theo
chiều dài của ống chuNn trực hình nón
•
φ th
Chiều dài ống
chuNn trực (cm)
(n.cm2.s-1)
240
140
90
40
4,81E+08
5,03E+08
5,31E+08
5,45E+08
•
Dγ
Dγ / φth
(Gy.h-1)
0,0661
0,0992
0,13
0,153
(Gy.cm2.n-1)
3,82E-14
5,48E-14
6,8E-14
7,8E-14
Kết quả trong Bảng 3.10 cho thấy rằng, khi giảm chiều dài của ống chuNn trực thì thông
lượng nơtrôn tăng lên. Tuy nhiên, sự tăng của thông lượng nơtrôn chậm hơn sự tăng của suất
liều gamma. Khi giảm chiều dài ống chuNn trực từ 240 cm về đến 40 cm thì thông lượng
nơtrôn chỉ tăng 1,30 lần; trong khi đó suất liều gamma tăng lên 2,04 lần. Hơn nữa, độ mở của
dòng nơtrôn tăng từ đường kính 5,3 cm đến 12,47 cm, điều này cũng đồng nghĩa với việc tăng
suất liều gamma đến các vùng không cần chiếu xạ. Vì vậy, ống chuNn trực tối ưu để lựa chọn
là hình nón có chiều dài 240 cm.
3.4.3. Tối ưu hóa chiều dài phin lọc
Để tìm chiều dài tối ưu của tổ hợp phin lọc thỏa mãn thông lượng nơtrôn nhiệt lớn nhất
và đảm bảo tỷ số suất liều gamma trên thông lượng nơtrôn nhiệt thỏa mãn yêu cầu khuyến cáo
(< 3×10-13 Gy.cm2.n-1) của IAEA. Mô phỏng tổ hợp phin lọc Si và Bi với các chiều dài từ 5
cm đến 20 cm đối với Si, và 1 cm đến 3 cm đối với Bi được thực hiện. Kết quả của mô phỏng
này được trình bày trong Bảng 3.11.
TT
1
2
3
4
5
-----
Bảng 3.11. Thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma tại lối vào phantom ứng
với chiều dài của các tổ hợp phin lọc khác nhau
•
•
•
Phin lọc (cm)
φth
Dγ
Dγ / φth
Dγ / φth
(n.cm2.s-1)
Si
Bi
(Gy.h-1)
(Gy.cm2.n-1)
(Gy.cm2.n-1)*
5
1
3,92E+08
1,13E-01
8,01E-14
2,04E-13
10
1
3,44E+08
1,02E-01
8,24E-14
2,39E-13
15
1
3,01E+08
9,01E-02
8,31E-14
2,76E-13
20
1
2,64E+08
7,98E-02
8,4E-14
3,18E-13
5
2
3,36E+08
9,52E-02
7,87E-14
2,34E-13
------------------------20
Ghi chú : * trong cột cuối của bảng trên là tỷ số suất liều gamma trên thông lượng nơtrôn
nhiệt khi chiếu để đạt giới hạn thông lượng nơtrôn khuyến cáo là 1×109 n.cm-2.s-1.
Kết quả mô phỏng được trình bày trong Bảng 3.11 cho thấy rằng, một số tổ hợp phin lọc
sử dụng phù hợp cho BNCT là: 5 cm Si + 1 cm Bi; 10 cm Si + 1 cm Bi; 15 cm Si + 1 cm Bi;
5 cm Si + 2 cm Bi; 10 cm Si + 2 cm Bi; và 5 cm Si + 3 cm Bi. Trong đó, tổ hợp phin lọc bao
gồm 5 cm Si + 1 cm Bi là lựa chọn tốt nhất trong các trường hợp này. Lý do lựa chọn là vì
thông lượng nơtrôn đạt được cao nhất, thời gian chiếu xạ để đạt giới hạn thông lượng nơtrôn
khuyến cáo 1×109 n.cm-2.s-1 là ngắn nhất, và vẫn đảm bảo được tỷ số suất liều gamma trên
thông lượng nơtrôn nhiệt là nhỏ hơn 3×10-13 Gy.cm2.n-1. Phổ nơtrôn tại lối vào của phantom
giữa cấu hình mới và cấu hình hiện tại được thể hiện trong Hình 3.11.
Cấu hình mới
Cấu hình hiện tại
Thông lượng nơtrôn (n.cm-2.s-1)
1E+09
1E+08
1E+07
1E+06
1E+05
1E+04
1E+03
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
Năng lượng (MeV)
Hình 3.11. Phổ nơtrôn tại lối vào phantom của các cấu hình mới và cấu hình hiện tại, mô
phỏng bằng MCNP5 cho CN2DR
Từ Hình 3.11 dễ dàng nhận ra rằng, sau khi đi qua tổ hợp phin lọc đơn tinh thể Si và Bi,
phổ nơtrôn thu được chủ yếu là các nơtrôn nhiệt. Trong đó, thông lượng nơtrôn nhiệt tạo ra
bởi cấu hình mới tăng lên hơn 12 lần so với cấu hình hiện tại (Tuy nhiên thành phần nơtrôn
trên nhiệt, nơtrôn nhanh và suất liều gamma cũng tăng lên).
3.4.4. Đề xuất cấu hình mới cho CN2DR
Từ những kết quả mô phỏng và bình luận ở trên, cấu hình mới phục vụ cho nghiên cứu
BNCT tại CN2DR được NCS đề xuất. Bản vẽ thiết kế tổng quát của cấu hình mới được trình
bày trong Hình 3.12.
Hình 3.12. Bản vẽ thiết kế tổng quát của cấu hình mới phục vụ
nghiên cứu BNCT tại CN2DR
Cấu hình mới này có chiều dài ống dẫn dòng (đồng thời cũng là ống chuNn trực nơtrôn)
là 240 cm, với đường kính tiếp xúc với vành phản xạ của LPƯ là 15,2 cm và đường kính phía
phantom là 5,3 cm.
21
Kết quả mô phỏng phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom với cấu hình mới
đề xuất cho nghiên cứu BNCT tại CN2DR (chuNn trực dòng nơtrôn hình nón dài 240 cm, tổ
hợp phin lọc 5 cm Si và 1 cm Bi) được liệt kê trong Bảng 3.12, với tọa độ y bằng 0 cm.
Bảng 3.12. Thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom với cấu hình đề xuất tại CN2DR
z (cm)
0
x = 0 (cm)
3,92E+08
x = 1 (cm)
3,87E+08
x = 2 (cm)
3,35E+08
x = 3 (cm)
2,15E+08
x = 4 (cm)
9,23E+07
0,2
4,97E+08
4,88E+08
4,23E+08
2,77E+08
1,18E+08
0,4
4,97E+08
4,82E+08
4,16E+08
2,77E+08
1,28E+08
0,9
4,28E+08
4,10E+08
3,51E+08
2,36E+08
1,25E+08
1,2
3,74E+08
3,58E+08
3,06E+08
2,17E+08
1,18E+08
-----
-----
-----
-----
-----
-----
Các thông số đánh giá cho quá trình mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom,
theo chiều bán kính của dòng nơtrôn được trình bày trong Bảng 3.13.
TT
Bảng 3.13. Kết quả đánh giá các thông số mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt
trong phantom với cấu hình mới
Tọa độ x
R
FOM
VOV
Số hạt gieo
(cm)
1
2
0
1
3
-----
2
-----
5×108
8
5×10
5×108
-----
0,0013
0,0013
256
252
0,0000
0,0000
0,0014
-----
217
-----
0,0000
-----
-2 -1
Thông luợng notrôn nhiệt (n.cm .s )
Các thông số được trình bày trong các Bảng 2.3 và 3.13 cho thấy rằng, với cấu hình
mới: số hạt gieo giảm xuống một nửa nhưng thông số FOM tăng và R giảm. Vì vậy chỉ cần sử
dụng một lượng thời gian nhỏ nhưng chúng ta vẫn có được kết quả mô phỏng chính xác. Điều
này chứng tỏ cấu hình thiết kế mới là tối ưu hơn cấu hình hiện tại.
Hình 3.14 thể hiện sự cải thiện dòng nơtrôn nhiệt trong phantom của cấu hình mới so
với cấu hình hiện tại.
5.5E+08
Cấu hình mới
Cấu hình hiện tại
5.0E+08
4.5E+08
4.0E+08
3.5E+08
3.0E+08
2.5E+08
2.0E+08
1.5E+08
1.0E+08
5.0E+07
0.0E+00
0
5
10
15
20
Ðộ sâu trong phantom (cm)
Hình 3.14. Thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom của cấu hình mới và cấu hình hiện
tại, mô phỏng bằng MCNP
Như vậy, bằng cách thay đổi cấu hình ống chuNn trực và chiều dài tổ hợp phin lọc cho
dòng nơtrôn tại CN2DR, kết quả cho thấy rằng, thông lượng nơtrôn nhiệt đã được tăng lên
khoảng 12 lần (từ 3,18×107 lên 3,92×108 n.cm-2.s-1).
22
Bảng 3.14 so sánh dòng nơtrôn nhiệt đề xuất tại CN2DR với một số dòng nơtrôn nhiệt
sử dụng cho nghiên cứu BNCT trên thế giới.
Bảng 3.14. Một số thiết kế dòng nơtrôn nhiệt trên LPƯ của các nước đã thực hiện
bằng MCNP
φ th
•
LPƯ
Công suất
(MW)
×109 (n.cm-2.s-1)
TRIGA Mark II
0,1
1,5
×10-13 (Gy.cm2.n-1)
1,7
MURR
10
0,96
3,99
HANARO
30
2,6
1,2
LPƯ Đà Lạt
0,5
0,39
2,04
Dγ / φth
Như vậy có thể khẳng định rằng, cấu hình thiết kế đã đề xuất trong luận án là phù hợp
cho nghiên cứu BNCT, đáp ứng được mục tiêu đã đề ra là thông lượng nơtrôn nhiệt > 1×108
n.cm-2.s-1 và tỷ số suất liều gamma trên thông lượng nơtrôn nhiệt < 3 ×10-13 Gy.cm2.n-1.
3.5. Tóm tắt chương 3
Như đã trình bày ở trên, từ kết quả so sánh sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm
đối với sự phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma trong phantom của cấu hình
hiện tại, tác giả đã cải tiến thiết kế và đề xuất được cấu hình mới phục vụ cho nghiên cứu
BNCT tại CN2DR. Thông lượng nơtrôn nhiệt của cấu hình mới tăng lên khoảng 12 lần so với
cấu hình hiện tại và đảm bảo được an toàn cho phép đối với suất liều gamma. Tuy nhiên với
kết quả thiết kế mới này là tập trung chủ yếu vào mục tiêu thông lượng nơtrôn đạt được trong
phantom, các cấu trúc che chắn bức xạ bên ngoài kênh cần được thiết kế bổ sung khi áp dụng
mô hình chuNn trực mới được đề xuất trong luận án này.
Thêm vào đó, từ việc xây dựng đường chuNn hàm lượng bor cho mẫu dung dịch, có thể
khẳng định rằng, hệ PGNAA tại CN2DR hoàn toàn đáp ứng được quá trình kiểm soát hàm
lượng bor trong nghiên cứu BNCT. Ngoài ra, kết quả này cũng cho thấy khả năng ứng dụng
cao của thiết bị PGNAA tại LPƯ Đà Lạt trong phân tích định lượng nguyên tố bor trong các
đối tượng mẫu sinh học, y học, dược học và môi trường.
KẾT LUẬN
Từ những kết quả thu được có thể kết luận rằng, luận án của tác giả đã đạt được các
mục tiêu đặt ra, đó là tiếp cận và khởi đầu hướng nghiên cứu mới ứng dụng chùm nơtrôn từ
LPƯ Đà Lạt để nghiên cứu và xác định các tham số vật lý đặc trưng của phương pháp BNCT.
Để đáp ứng các mục tiêu nêu trên, những kết quả khoa học và thực tiễn của luận án đã
đạt được bao gồm:
- Nghiên cứu và xác định các thành phần liều trong BNCT. Kết quả thu được có thể kết
luận rằng, liều hấp thụ trong phương pháp BNCT phụ thuộc chủ yếu vào thông lượng của
nơtrôn nhiệt và hàm lượng của bor trong thể tích vùng tế bào khối u.
- Mô phỏng và xác định sự phân bố liều hấp thụ của BNCT trong phantom nước tự chế
tạo tại CN2DR tương ứng bằng chương trình MCNP5 và phương pháp NAA. Kết quả cho
thấy rằng, có sự phù hợp tốt giữa số liệu thực nghiệm với kết quả mô phỏng. Vì vậy, có thể
khẳng định việc bố trí thực nghiệm đạt yêu cầu và phương pháp mô phỏng có thể sử dụng để
thiết kế cải tiến CN2DR nhằm đáp ứng được các yêu cầu nghiên cứu BNCT.
- Xây dựng phương pháp phân tích hàm lượng bor trong mẫu nước bằng kỹ thuật
PGNAA. Kết quả cho phép kết luận hệ PGNAA tại CN2DR hoàn toàn đáp ứng được các yêu
23
