Luận văn tốt nghiệp Vật lí: Đánh giá sai số hệ thống trong kỹ thuật quét Gamma phân đoạn trên cơ sở phân bố ngẫu nhiên của nguồn phóng xạ

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

79
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tốt nghiệp Vật lí: Đánh giá sai số hệ thống trong kỹ thuật quét Gamma phân đoạn trên cơ sở phân bố ngẫu nhiên của nguồn phóng xạ giới thiệu tới các bạn những nội dung về kỹ thuật quét Gamma phân đoạn và các kỹ thuật Gamma trong kiểm tra chất thải phóng xạ; mô tả toán học kỹ thuật quét Gamma phân đoạn; vấn đề cần giải quyết trong đánh giá sai số; đánh giá sai số hệ thống của kỹ thuật quét Gamma phân đoạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp Vật lí: Đánh giá sai số hệ thống trong kỹ thuật quét Gamma phân đoạn trên cơ sở phân bố ngẫu nhiên của nguồn phóng xạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  Lâm Văn Sa Huỳnh ĐÁNH GIÁ SAI SỐ HỆ THỐNG TRONG KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN TRÊN CƠ SỞ PHÂN BỐ NGẪU NHIÊN CỦA NGUỒN PHÓNG XẠ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Sư phạm vật lý Mã số sinh viên: 35.102.037 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN QUỐC DŨNG TP. Hồ Chí Minh – 2013
Xác nhận của Chủ tịch hội đồng ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... Xác nhận của GVHD ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... Xác nhận của GVPB ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, quan tâm và động viên từ các thầy cô, gia đình và bạn bè. Trước hết tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến TS. Trần Quốc Dũng, người hướng dẫn khoa học, đã cung cấp cho tôi những kiến thức và phương pháp nghiên cứu thiết yếu đầu tiên và trực tiếp gắn bó với đề tài, hướng dẫn tôi hình dung được con đường của một nhà khoa học. Thầy cũng đã luôn giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các giảng viên ở khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy cung cấp cho tôi những kiến thức nền tảng trong suốt những tháng năm đại học. Đặc biệt tôi xin cảm ơn cô Phan Thị Minh Tâm và thầy Lê Anh Đức đã luôn luôn sẵn sàng giúp đỡ tôi trong những lúc cần thiết. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô phản biện và Hội đồng chấm luận văn đã đọc và có những nhận xét cũng như những góp ý quý giá về luận văn. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và những người bạn đã luôn nhiệt tình động viên và hỗ trợ tôi mọi mặt để tôi có thể hoàn thành luận văn này và không bao giờ lùi bước. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013 Lâm Văn Sa Huỳnh
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ 1 DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ 4 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 5 Chương 1 KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN VÀ CÁC KỸ THUẬT GAMMA TRONG KIỂM TRA CHẤT THẢI PHÓNG XẠ ............... 9 1.1. Các kỹ thuật gamma trong đánh giá chất thải phóng xạ ................................. 9 1.2. Kỹ thuật quét gamma phân đoạn .......................................................................... 11 Chương 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN. VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT TRONG ĐÁNH GIÁ SAI SỐ. .......... 13 2.1. Mô tả toán học của kỹ thuật quét gamma phân đoạn .................................... 13 2.2. Mô hình bài toán thực tế.......................................................................................... 16 2.3. Các nghiên cứu trước và những vấn đề còn tồn tại: ...................................... 18 Chương 3 ĐÁNH GIÁ SAI SỐ HỆ THỐNG CỦA KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN. .................................... 20 3.1. Xây dựng thuật toán mô phỏng phân bố ngẫu nhiên của các nguồn phóng xạ. ......................................................................................... 20 3.2. Đánh giá sai số hệ thống của hệ SGS bằng mô phỏng phân bố ngẫu nhiên của nguồn phóng xạ. .................................... 23 3.3. Đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng bằng đồ thị tỉ số I s /I d theo vị trí nguồn............................................................... 34 3.4. Hiệu chỉnh sai số gây bởi vị trí theo phương thẳng đứng của nguồn trong một phân đoạn không phẳng................................................. 37 3.5. Biểu diễn kết quả đo trên một phân đoạn của hệ SGS. ................................ 41 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................. 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 45 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 46 Phụ lục 1. Tính toán H j , L j . ...................................................................................................... 46 Phụ lục 2. Ví dụ chương trình mô phỏng phân bố ngẫu nhiên nguồn thải phóng xạ ............................................................................................... 47
Phụ lục 3. Chương trình tính tỉ số I s / Id theo vị trí nguồn trong một phân đoạn phẳng. ................................................................................... 51 Phụ lục 4. Chương trình tính tỉ số I s / Id theo vị trí nguồn trong một phân đoạn không phẳng. ..................................................................... 53 Phụ lục 5. Tỉ số I s /I d theo r và z khi đánh giá hoạt độ một nguồn điểm. ..................... 55
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình Tên Trang 2.1 Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật quét gamma phân đoạn ................................. 13 2.2 Mặt cắt ngang của một phân đoạn .............................................................. 15 2.3 Các vị trí của nguồn trong mặt cắt ngang của một phân đoạn ................... 16 3.1 Lưu đồ thuật toán mô phỏng phân bố ngẫu nhiên của các nguồn phóng xạ .............................................................................. 21 3.2 Các tập tin số liệu được xuất ....................................................................... 22 3.3 Các tọa độ ( x, y ) và giá trị I s I d tương ứng ............................................. 22 3.4 Sự phân bố các nguồn được gieo trên phân đoạn và giá trị I s tương ứng ............................................................................... 23 3.5 Xác suất phân bố các nguồn theo bán kính ................................................. 24 3.6 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng giá trị I s I d trong trường hợp µ = 0.03 cm −1 , K = 87 cm .............................................. 25 3.7 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng sai số trong trường hợp µ = 0.03 cm −1 , K = 87 cm .............................................. 25 3.8 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng giá trị I s I d trong trường hợp µ = 0.03 cm −1 , K = 116 cm ............................................ 26 3.9 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng sai số trong trường hợp µ = 0.03 cm −1 , K = 116 cm . ........................................... 26 3.10 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng giá trị I s I d trong trường hợp µ = 0.06 cm −1 , K = 87 cm . ............................................ 27 3.11 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng sai số trong trường hợp µ = 0.06 cm −1 , K = 87 cm . ............................................. 27 3.12 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng giá trị I s I d trong trường hợp µ = 0.06 cm −1 , K = 116 cm . ........................................... 28 3.13 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng sai số 1
trong trường hợp µ = 0.06 cm −1 , K = 116 cm . ........................................... 28 3.14 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng giá trị I s I d trong trường hợp µ = 0.12 cm −1 , K = 87 cm . ............................................. 29 3.15 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng sai số trong trường hợp µ = 0.12 cm −1 , K = 87 cm . ............................................. 29 3.16 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng giá trị I s I d trong trường hợp µ = 0.12 cm −1 , K = 116 cm . ........................................... 30 3.17 Đồ thị phân bố xác suất của các khoảng sai số trong trường hợp µ = 0.12 cm −1 , K = 116 cm . ........................................... 30 3.18 Đánh giá xác suất các khoảng sai số bằng đồ thị I s / I d = f ( r ) trong trường hợp µ = 0.03 cm-1, K = 87 cm .......... 36 3.19 Tỉ số I s I d theo r và z khi đánh giá hoạt độ một nguồn điểm ứng với trường hợp µ = 0.03 cm -1 , K = 87 cm ........................................... 38 3.20 Sai số của hệ SGS theo r và z khi đánh giá hoạt độ một nguồn điểm ứng với trường hợp µ = 0.03 cm -1 , K = 87 cm ................ 38 3.21 Dạng vùng không gian cho xác suất nhỏ hơn 30% ứng với trường hợp µ = 0.03 cm -1 , K = 87 cm ........................................... 39 3.22 Ước lượng r để tính xác suất nguồn rơi vào vùng có sai số nhỏ hơn 30% ứng với trường hợp µ = 0.03 cm -1 , K = 87 cm .................... 40 3.23 Sự phụ thuộc của 1 y − 1 và 1 − 1 y ' vào hệ số hấp thụ tuyến tính µ ........ 42 A1.1 Mặt cắt ngang của một phân đoạn .............................................................. 46 A5.1 Tỉ số I s /I d theo r và z khi đánh giá hoạt độ một nguồn điểm ứng với trường hợp µ = 0.03 cm −1 , K = 116 cm ........................................ 55 A5.2 Tỉ số I s /I d theo r và z khi đánh giá hoạt độ một nguồn điểm ứng với trường hợp µ = 0.06 cm −1 , K = 87 cm .......................................... 55 A5.3 Tỉ số I s /I d theo r và z khi đánh giá hoạt độ một nguồn điểm ứng với trường hợp µ = 0.06 cm −1 , K = 116 cm ........................................ 56 A5.4 Tỉ số I s /I d theo r và z khi đánh giá hoạt độ một nguồn điểm 2
ứng với trường hợp µ = 0.12 cm −1 , K = 87 cm ......................................... 56 A5.5 Tỉ số I s /I d theo r và z khi đánh giá hoạt độ một nguồn điểm ứng với trường hợp µ = 0.12 cm −1 , K = 116 cm ........................................ 57 3
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên Trang 1.1 Một số kỹ thuật quét gamma phổ biến trong đánh giá rác thải phóng xạ .................................................................. 9 2.1 Hiệu quả của sự xoay thùng trong giảm thiểu sai số gây bởi vị trí nguồn ................................................ 17 3.1 Đánh giá kết quả của hệ SGS cho trường hợp µ = 0.03 cm −1 , K = 87 cm ................................................ 31 3.2 Đánh giá kết quả của hệ SGS cho trường hợp µ = 0.03 cm −1 , K = 116 cm ............................................... 31 3.3 Đánh giá kết quả của hệ SGS trong trường hợp µ = 0.06 cm −1 , K = 87 cm .............................................. 32 3.4 Đánh giá kết quả của hệ SGS trong trường hợp µ = 0.06 cm −1 , K = 116 cm ............................................ 32 3.5 Đánh giá kết quả của hệ SGS trong trường hợp µ = 0.12 cm −1 , K = 87 cm .............................................. 33 3.6 Đánh giá kết quả của hệ SGS trong trường hợp µ = 0.12 cm −1 , K = 116 cm ............................................ 33 4
MỞ ĐẦU Năng lượng hạt nhân đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế, quân sự,… và đặc biệt là trong sản xuất điện năng nhằm đáp ứng nhu cầu về năng lượng ngày càng cao trên toàn thế giới. Hiện nay, ở Việt Nam, lò phản ứng hạt nhân tại Đà Lạt đang hoạt động để tiến hành các nghiên cứu vật lý hạt nhân, ứng dụng công nghệ hạt nhân, sản xuất một số đồng vị phóng xạ phục vụ các chẩn đoán hình ảnh phức tạp trong y học và bào chế dược phẩm đặc biệt cung cấp cho các bệnh viện Ung bướu, Chợ Rẫy (TP.HCM), Bạch Mai (Hà Nội)... chữa các bệnh hiểm nghèo về tuyến giáp, ung thư… Ngoài ra, hoạt động của lò còn đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo nhân lực chuyên ngành hạt nhân [4]. Bên cạnh đó, giấc mơ về điện hạt nhân đang dần được hiện thực hóa khi dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân ở Ninh Thuận được tiến hành và theo kế hoạch sẽ đi vào hoạt động vào khoảng năm 2022 – 2025. Theo đề án được trình lên Quốc hội, dự kiến Nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận, dù chọn công nghệ nào, cũng sẽ được xây dựng sao cho để đến năm 2022 có công suất 4,000 MW, đến năm 2025 sẽ phát triển thêm để có công suất 8,000 MW - gấp bốn lần công suất Nhà máy thủy điện Hòa Bình và gần bằng tổng công suất tất cả nhà máy điện hiện nay của Việt Nam (khoảng 13,000 MW). Dự án này đặt ra hàng loạt vấn đề phải giải quyết về kinh tế, công nghệ, nhân lực, an toàn,…[1]. Sau khi nhà máy (điện hạt nhân) được đưa vào vận hành ở quy mô thương mại sẽ sản sinh ra một lượng lớn rác thải phóng xạ. Bên cạnh quá trình vận hành; kiểm tra và xử lý rác thải phóng xạ cũng là một trong những vấn đề hóc búa, rủi ro và nhạy cảm khiến cho rất nhiều nước e ngại sử dụng năng lượng hạt nhân. Mức độ nguy hiểm và sự ảnh hưởng của chất thải phóng xạ đến môi trường, con người,… là không thể xem thường. Do đó, rác thải phóng xạ cần được kiểm tra, đánh giá kỹ lưỡng trước khi đem 5
đi xử lý. Các phương pháp thích hợp, hiệu quả khi áp dụng vào thực tế đã và đang tiếp tục được nghiên cứu, hoàn thiện. Kỹ thuật quét gamma phân đoạn (SGS - Segmented gamma scanner) là kỹ thuật quét gamma quan trọng và được sử dụng phổ biến nhất trong đánh giá chất thải phóng xạ [5][6][8][11], dựa trên giả thiết chất độn và nguồn là đồng nhất. Dựa trên các nghiên cứu đã được thực hiện [9][11], nếu biết được vị trí của nguồn trong phân đoạn thì hoàn toàn có thể tìm ra hoạt độ chính xác của nguồn từ kết quả đo được. Nhưng do trong quá trình đo đạc với các thùng kín lớn, số nguồn và sự phân bố vị trí của nguồn hoàn toàn không biết được nên sai số hệ thống có ảnh hưởng không nhỏ đến kết quả đo được. Khi sử dụng hệ thống SGS, việc đánh giá sai số này là một nhiệm vụ quan trọng và cần thiết, nhưng vẫn đang được thực hiện và chưa trọn vẹn. Để góp phần giải quyết vấn đề này, đề tài “Đánh giá sai số hệ thống trong kỹ thuật quét gamma phân đoạn trên cơ sở phân bố ngẫu nhiên của nguồn phóng xạ” được chọn để nghiên cứu trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp đại học của tôi tại Trường ĐH Sư phạm TP HCM. Để thực hiện mục đích trên, luận văn đã tiến hành thực hiện các vấn đề sau: - Tìm hiểu tổng quan về các kỹ thuật gamma trong đánh giá chất thải phóng xạ. - Tìm hiểu kỹ thuật quét gamma phân đoạn: nguyên lý hoạt động, mô hình toán học, cấu hình đo trong thực tế và các yếu tố ảnh hưởng đến sai số hệ thống của kỹ thuật quét gamma phân đoạn trong việc đo hoạt độ của thùng rác thải phóng xạ. - Kiểm tra và đánh giá các kết quả đã có trong việc đánh giá sai số của kỹ thuật quét gamma phân đoạn bằng mô phỏng phân bố ngẫu nhiên của các nguồn phóng xạ. - Sử dụng phương pháp mô phỏng phân bố ngẫu nhiên của các nguồn phóng xạ, đồng thời kết hợp đánh giá bằng đồ thị sai số theo khoảng cách để đánh giá sai số hệ thống gây bởi số nguồn và sự phân bố vị trí các nguồn khi sử dụng kỹ thuật quét gamma phân đoạn. Ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, luận văn gồm có ba chương: 6
Chương 1: Kỹ thuật quét gamma phân đoạn và các kỹ thuật gamma trong đánh giá chất thải phóng xạ. Chương này trình bày sơ lược cách thức, ưu, nhược điểm của các kỹ thuật quét gamma trong đánh giá chất thải phóng xạ nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan ban đầu và sự so sánh, đối chiếu giữa các phương pháp. Bên cạnh đó, đi sâu vào mô hình của kỹ thuật quét gamma phân đoạn. Chương 2: Mô tả toán học kỹ thuật quét gamma phân đoạn và vấn đề cần giải quyết trong việc đánh giá sai số. Chương này trình bày mô hình toán học với những công thức tính toán định lượng làm tiền đề cho việc đánh giá sai số hệ thống của kỹ thuật quét gamma phân đoạn. Đề xuất mô hình cần giải quyết phù hợp với thực tế xử lý và đánh giá chất thải phóng xạ, giải thích các đặc điểm của hệ đo được xét như: Hệ số tuyến tính được chọn là bao nhiêu? Tại sao thùng phải được xoay? Khoảng cách tâm thùng đến đầu dò được chọn như thế nào?. Nêu ra những vấn đề tồn tại trong các nghiên cứu trước và vấn đề sẽ giải quyết. Chương 3: Đánh giá sai số hệ thống của phương pháp quét gamma phân đoạn. Trong chương này, thuật toán dùng để mô phỏng phân bố ngẫu nhiên của các nguồn phóng xạ được xây dựng. Từ kết quả mô phỏng thu được, đưa ra đánh giá về sai số hệ thống của kỹ thuật quét gamma phân đoạn. Tìm cách biểu diễn kết quả đo được sao cho hợp lí và chính xác. Mục tiêu là đưa ra phương pháp đánh giá và câu trả lời cho vấn đề đã đặt ra: Khi xử lý kết quả của hệ SGS trong một trường hợp đo đạc thì lấy sai số bao nhiêu là hợp lý? Phần kết luận và hướng phát triển trình bày tóm lược các kết quả thu được trong luận văn, đánh giá ý nghĩa của những kết quả đó và nêu lên hướng phát triển của đề tài trong những nghiên cứu tiếp theo. Phần tài liệu tham khảo gồm các sách, báo và công trình khoa học liên quan đến đề tài được dùng để tham khảo trong quá trình thực hiện luận văn. 7
Kết quả cung cấp một cái nhìn mới, một phương pháp mới góp phần làm phong phú thêm, đa dạng hóa lựa chọn cho người sử dụng . Trong quá trình thực hiện và trình bày luân văn, vì còn hạn chế về kiến thức cũng như kinh nghiệm nghiên cứu nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi sai sót. Kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn đọc. Tôi xin chân thành cảm ơn. Lâm Văn Sa Huỳnh 8
CHƯƠNG 1 KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN VÀ CÁC KỸ THUẬT GAMMA TRONG KIểM TRA CHẤT THẢI PHÓNG XẠ Chương này trình bày sơ lược cách thức, ưu, nhược điểm của các kỹ thuật quét gamma trong đánh giá chất thải phóng xạ nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan ban đầu và sự so sánh, đối chiếu giữa các phương pháp. Bên cạnh đó, đi sâu vào mô hình của kỹ thuật quét gamma phân đoạn. 1.1. Các kỹ thuật gamma trong đánh giá chất thải phóng xạ Các kỹ thuật quét gamma chỉ hữu dụng đối với các hạt nhân bức xạ một lượng đáng kể tia gamma với năng lượng có thể đo được, không thể sử dụng với những bức xạ gamma với năng lượng ở mức rất thấp (như tia X) hoặc các loại chỉ bức xạ beta hay alpha. Tuy nhiên, hạt nhân bức xạ thường phát ra tia gamma nằm trong vùng có thể đo đạc được, chẳng hạn Co-60 hay Cs-137 [6]. Một số kỹ thuật gamma đã được phát triển nhằm phục vụ mục đích đánh giá rác thải, một số kỹ thuật phổ biến [5][6][8] được tóm lược tổng quan trong bảng 1.1. Kỹ thuật càng phức tạp thì thông tin thu được càng nhiều, sai số càng nhỏ nhưng bù lại thời gian quét càng lâu, kinh phí càng tốn kém và cần nhân lực trình độ cao để vận hành, bảo trì và sửa chữa. Việc lựa chọn kỹ thuật quét thích hợp tùy thuộc vào yêu cầu về mức độ chính xác của phép đo, tính đồng nhất của chất độn và sự phân bố của nguồn thải phóng xạ. Bảng 1.1. Một số kỹ thuật quét gamma phổ biến trong đánh giá rác thải phóng xạ. Kiểu quét Minh họa Ưu điểm Nhược điểm Quét xoay (Rotational Là kỹ thuật đơn Không thể nhận scanning hoặc One-shot giản nhất trong biết nguồn technique). Đầu dò đặt các kỹ thuật quét phóng xạ trong tại một vị trí cố định, gamma. Thời gian thùng. Sai số nhìn toàn bộ thùng, quét nhanh. lớn. 9
thùng được xoay liên tục. Quét phân đoạn (SGS) Trong trường hợp Độ chính xác là kỹ thuật phổ biến nhất chất độn đồng giới hạn (sai số trong các kỹ thuật đánh nhất, sự biến đổi lớn nhưng tốt giá rác thải phóng xạ. hoạt độ theo hơn quét xoay). phương thẳng Thời gian quét đứng cho phép lâu hơn quét nhận biết nguồn xoay. thải phóng xạ. Quét phân đoạn và Trong trường hợp Độ chính xác xoay (SGS/SW) là một chất độn đồng giới hạn (sai số kỹ thuật quét gamma nhất, kết quả phân lớn nhưng tốt cao cấp. Về cơ bản, hệ tích cho phép xác hơn quét phân SGS/SW giống như hệ định phân bố hoạt đoạn thông + SGS nhưng bổ sung độ theo phương thường). thêm đặc điểm là đầu dò thẳng đứng và Thời gian quét sẽ xoay trên một mặt phương bán kính. lâu hơn quét phẳng ngang. phân đoạn thông thường. Các kiểu quét SGS và SGS/SW có thể sử dụng thêm nguồn truyền dẫn phát tia gamma ngoài để đánh giá hệ số hấp thụ tuyến tính trên từng phân đoạn. Chụp gamma cắt lớp Nhờ thu được Thời gian quét (TGS) là một kỹ thuật thông tin trong lâu hơn quét chụp ảnh bằng tia không gian 3 phân đoạn (ít gamma, hiện đang được chiều (được gọi là nhất là gấp đôi). nghiên cứu và rất phát bản đồ 3D hoặc Đầu dò yêu cầu triển. Các thành phần cơ ma trận 3D) nên độ phân giải cao. bản của hệ TGS giống hệ TGS có thể Vận hành yêu hệ SGS nhưng bổ sung cho kết quả rất cầu kỹ thuật cao, thêm đặc điểm cho phép chính xác về sự việc xử lý kết 10
xây dựng bản đồ phân Một ví dụ về biến đổi hệ số hấp quả thu được bố của hệ số hấp thụ, hình ảnh được thụ tuyến tính phức tạp hơn các hoạt độ trong không xây dựng bởi hệ cũng như phân bố phương pháp gian ba chiều. Điển hình TGS. Các chấm các nguồn trong khác. thì một thùng 200 L màu mô tả mức thùng rác thải, Kinh phí đầu tư được chia thành 1600 độ tập trung vật đặc biệt cho phép lớn. yếu tố thể tích [8]. chất phóng xạ đánh giá trường [10]. hợp nguồn và chất độn không đồng nhất (điều mà hệ SGS không làm được). 1.2. Kỹ thuật quét gamma phân đoạn Quét gamma phân đoạn (Segmented gamma scanning, viết tắt là SGS) là kỹ thuật quét gamma thông dụng nhất được ứng dụng trong đánh giá chất thải phóng xạ [5][6][8][11]. Phép đánh giá SGS phù hợp nhất với những chất độn mật độ thấp và trung bình nhưng cũng có thể phù hợp với những chất độn mật độ cao miễn là đánh giá SGS còn khả dụng. Trong đo đạc, đánh giá chất thải; điều này có thể chắc chắn bởi những thông tin được biết về nguồn gốc và đặc trưng của chất thải. Thùng rác thải được xoay liên tục và cho chuyển động tương đối với đầu dò theo trục thẳng đứng. Các phổ gamma của các phân đoạn ngang được thu thập bởi một hoặc nhiều đầu dò chuẩn trực (HPGe, CdTe hoặc NaI) [5][8] đặt tại một khoảng cách cố định. Bằng cách này toàn bộ thùng rác thải sẽ được đo theo từng phân đoạn một, trong đó, chất độn và hoạt độ được giả thiết là đồng nhất và đều. Thông thường, một thùng 200 L được chia thành khoảng từ 4 đến 20 phân đoạn [8]. Đầu dò được xem là chuẩn trực tuyệt đối, do đó, đồng đều trên khắp tầm quét (là một lát cắt ngang qua mẫu). Hệ số hấp thụ tuyến tính tia gamma của mỗi phân đoạn được đo bởi một nguồn truyền dẫn đặt đối diện với đầu dò trên 1 đường kính. 11
Ưu điểm chính của phương pháp: Trong trường hợp chất độn phân bố đồng nhất, sự biến đổi của phân bố hoạt độ theo phương thẳng đứng có thể cho phép nhận biết sự tồn tại của nguồn phóng xạ. Cải thiện độ chính xác của phép đo đối với các mẫu vật không đồng nhất theo chiều thẳng đứng. Tối thiểu chỉ yêu cầu một đầu dò và một nguồn truyền dẫn (mặc dù có thể sử dụng nhiều đầu dò). Khuyết điểm chính của phương pháp: Không thể phân biệt giữa chất thải phóng xạ thông thường và các nguồn phóng xạ trên mỗi phân đoạn. Hạn chế trong việc xác định và hiệu chỉnh những hệ quả gây ra do sự phân bố chất độn và hoạt độ theo phương bán kính. Thời gian quét lâu hơn nhằm tạo ra kết quả tốt hơn (có thể nhanh hơn nếu sử dụng nhiều đầu dò). Cơ cấu quét có độ phức tạp trung bình và giá thành cao hơn quét xoay. Độ chính xác giới hạn khi xác định hoạt độ nguồn phóng xạ. Kỹ thuật quét gamma phân đoạn có thể sử dụng thêm nguồn truyền dẫn để hiệu chỉnh chất độn gọi là hệ TC-SGS [5], một kỹ thuật quét gamma cao cấp. Phương pháp này cho độ chính xác cao hơn quét gamma phân đoạn nhờ việc nhận biết sự biến đổi hệ số hấp thụ tuyến tính giữa các phân đoạn. 12
CHƯƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN. VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT TRONG VIỆC ĐÁNH GIÁ SAI SỐ. Chương này trình bày mô hình toán học với những công thức tính toán định lượng làm tiền đề cho những đánh giá, phân tích sai số hệ thống của kỹ thuật quét gamma phân đoạn. Đề xuất mô hình cần giải quyết phù hợp với thực tế xử lý và phân tích chất thải phóng xạ, giải thích các đặc điểm của hệ đo được xét như: Hệ số tuyến tính được chọn để mô phỏng là bao nhiêu? Tại sao thùng phải được xoay? Khoảng cách tâm thùng đến đầu dò được chọn như thế nào?. Nêu ra những vấn đề tồn tại trong các nghiên cứu trước và vấn đề sẽ giải quyết. 2.1. Mô tả toán học của kỹ thuật quét gamma phân đoạn Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật quét gamma phân đoạn là phân chia thùng rác thải phóng xạ thành các phân đoạn nằm ngang với chiều cao mỗi phân đoạn là nhỏ so với chiều cao của thùng, mỗi phân đoạn được phân tích bằng phương pháp đo gamma thông thường sử dụng đầu dò chuẩn trực (xem hình 2.1). Trong trường hợp chất độn đồng nhất, sự biến đổi hoạt độ theo phương thẳng đứng cho phép nhận biết nguồn thải phóng xạ. Góc nhìn của đầu dò 1 phân đoạn Đầu dò Đầu dò và thùng chuyển động tương đối với nhau Thùng xoay Hình 2.1. Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật quét gamma phân đoạn. 13
Giả sử thùng có bán kính R được chia thành N phân đoạn đánh số =i 1, 2, 3, … , N ; lần lượt được đo bởi đầu dò. Xét phân đoạn thứ i có số đếm hiệu chỉnh Ci thì số đếm tổng cộng của cả thùng là N C = ∑ Ci . (2.01) i =1 Số đếm hiệu chỉnh Ci được tính từ số đếm thô là CRi bằng công thức Ci = CRi .CF . (2.02) CF là hệ số hiệu chỉnh do sự hấp thụ tuyến tính của chất độn, phụ thuộc vào hệ số hấp thụ tuyến tính trung bình µ của phân đoạn thứ i , được tính bởi 1 − exp(−0.823µ D) CF = [9]. (2.03) 0.823µ D Nếu hệ số hấp thụ tuyến tính trung bình µ chưa biết, có thể sử dụng một nguồn ngoài để tính hệ số hấp thụ. Cách này được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật 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. Xét một nguồn điểm hoạt độ thực I d trong một phân đoạn, số đếm thực của nguồn sẽ được tính như sau - µ .L I d .α n e j n ∑ C= 2 [11]. (2.04) j =1 H j Trong đó L j là độ dài quãng đường tia gamma trong thùng, H j là khoảng cách từ nguồn đến đầu dò, 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 là số góc θ j khác nhau (ở đây n = 360 ), µ là hệ số hấp thụ tuyến tính trung bình của phân đoạn, α là hệ số phụ thuộc năng lượng tia gamma và hiệu suất đầu dò. 14
Lj Hj r R θj K Đầu dò Hình 2.2. Mặt cắt ngang của một phân đoạn. H j , L j được tính từ các công thức hình học và lượng giác (xem phụ lục 1). Trong trường hợp phân đoạn lí tưởng có dạng đĩa phẳng ( z = 0 ) (hình 2.2) thì = Hj K 2 + r 2 - 2.K .r.cosθ j , (2.05) R 2 .H 2j - K 2 .r 2 .sin 2 θ j - ( K .cosθ j - r ).r Lj = . (2.06) Hj Trường hợp phân đoạn không phẳng (bề dày h ), cần tính thêm độ cao z của nguồn trong phân đoạn ( 0 ≤ z ≤ h / 2 ) , H j , L j lúc này trở thành = H 'j H 2j + z 2 , (2.07) H 'j L j = Lj ' . (2.08) Hj Mối liên hệ giữa số đếm thực và hoạt độ I s của nguồn đo bởi kỹ thuật SGS được cho bởi công thức I s .α C= .CF [11]. (2.09) K2 So sánh các công thức (2.04) và (2.09) ta có thể tính được tỉ số I s I d −µL K 2 360 e j Is Id = ∑ 360CF j =1 H 2j , (2.10) từ đó rút ra được sai số tương đối của phép đo SGS. 15