Thạc Sĩ Mô phỏng đường đẳng liều của các nguồn bức xạ gamma có dạng hình học khác nhau

MỞ ĐẦU

Kể từ khi vật lí hạt nhân ra đời, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ hạt nhân phục vụ lợi ích con người đã đạt được những thành công đáng kể. Hiện nay, các nguồn bức xạ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ở nước ta việc sử dụng các nguồn bức xạ đặc biệt là nguồn bức xạ gamma đang giữ vai trò quan trọng trong các ngành : nông nghiệp, công nghiệp, y học và sinh học. Nhiều trung tâm chiếu xạ, nhiều bệnh viện đã sử dụng các nguồn phóng xạ gamma trong nghiên cứu khoa học và trong điều trị đã đạt nhiều thành tựu đáng kể.
Bên cạnh đó vấn đề an toàn bức xạ ion hóa là một vấn đề đặc biệt quan trọng cần phải nghiên cứu. Khi sử dụng các nguồn bức xạ luôn tiềm ẩn những nguy cơ gây tổn hại đến sức khỏe con người. Khi sử dụng nhiều nguồn phóng xạ và thời gian làm việc càng lâu thì nguy cơ nhiễm phóng xạ càng lớn. Khi sử dụng các nguồn phóng xạ gamma, điều cần quan tâm nhất là suất liều chiếu, là đại lượng đặc trưng cho năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian. Thực tế người ta thường quan tâm đến những điểm có cùng suất liều hay nói khác đi là các đường đẳng liều (trong mặt phẳng) và mặt đẳng liều (trong không gian) tạo ra bởi nguồn phóng xạ gamma.
Khi sử dụng các nguồn gamma hoạt độ mạnh ta cần phải che chắn bởi một loại vật liều có bề dầy xác định nhằm đạt được suất liều mong muốn tại điểm khảo sát. Những vấn đề trên được giải quyết nhanh chóng với sự giúp đỡ của máy tính. Trong nước có một số đề tài nghiên cứu về vấn đề xây dựng chương trình mô phỏng nguồn bức xạ gamma. Đặc biệt là ở khoa Vật lí - Trường Đại học Khoa học tự nhiên TP. HCM. Những luận văn tốt nghiệp của sinh viên và những công trình khoa học của Thầy Châu Văn Tạo đã ứng dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để mô phỏng. Tuy nhiên những công trình đó chưa nghiên cứu được hết tất cả các dạng nguồn gamma có dạng hình học xác định vì thế những chương trình này còn hạn chế khi ta cần nghiên cứu nhiều dạng nguồn khác nhau. Trên thế giới đã có một số chương trình mô phỏng : Mercurad – 3D [12], MicroShield [15]. Các chương trình này cho 12 phép tính suất liều chiếu, tính bề dầy vật liệu che chắn nhằm đảm bảo an toàn cho người sử dụng các nguồn gamma. Tuy nhiên những phần mềm đó chưa phổ biến ở Việt Nam và khó sử dụng.
Trong khuôn khổ đề tài này đã trình bày công thức giải tích tính suất liều chiếu tại một điểm của các dạng nguồn cơ bản (điểm, dây thẳng, dây tròn, đĩa, cầu rỗng, cầu đặc, trụ rỗng, trụ đặc) trong hai trường hợp không sử dụng và có sử dụng che chắn. Bên cạnh đó, chương trình mô phỏng được xây dựng cho các dạng hình học cơ bản của nguồn nêu trên. Chương trình áp dụng cho một số nguồn thông dụng như : 27Co60, 53I131, 55Cs137, 77Ir192, 18Ar41, 19K40, 29Cu64, 30Zn65. Với các vật liệu che chắn được mô phỏng trong chương trình là : bê tông, nhôm, sắt, thiếc, chì. Phương pháp nghiên cứu chủ yếu của đề tài này là dựa trên nghiên cứu lí thuyết và thực hành trên máy tính. Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab [2, 14] và phương pháp giải tích số [4] để mô phỏng chương trình. Luận văn được trình bày trong các
chương chính :
Chương 1 : Các khái niệm về an toàn bức xạ.
Chương 2 : Sự che chắn bức xạ gamma.
Chương 3 : Chương trình mô phỏng đường đẳng liều của các nguồn bức xạ gamma có dạng hình học khác nhau.

MỤC LỤC


Trang phụ bìa
Mục lục . 1
Danh mục các bảng . 5
Danh mục các hình vẽ . 5
Mở đầu . 11
Chương 1 – Các khái niệm về an toàn bức xạ . 13
1.1. Các khái niệm liên quan đến an toàn bức xạ 13
1.1.1. Liều hấp thụ .13
1.1.2. Liều chiếu 14
1.1.3. Liều hiệu dụng 14
1.2. Liều giới hạn được phép . 17
Chương 2 – Sự che chắn bức xạ gamma 19
2.1. Cơ sở lí thuyết của sự che chắn bức xạ gamma 19
2.2. Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học điểm 21
2.2.1. Trường hợp không che chắn .21
2.2.2. Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 21
2.3. Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học dây thẳng 22
2.3.1. Trường hợp không che chắn .22
2.3.2. Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 25
2.4. Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học dây tròn 26
2.4.1. Trường hợp không che chắn .26
2.4.2. Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 27
2.5. Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học đĩa . 29
2.5.1. Trường hợp không che chắn .29
2.5.2. Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 30
2.6. Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học cầu rỗng 31
2.6.1. Trường hợp không che chắn .31
2.6.2. Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 32
2.7. Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học cầu đặc 34
2.7.1. Trường hợp không che chắn .34
2.7.2. Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 35
2.8. Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học trụ rỗng . 36
2.8.1. Trường hợp không che chắn .36
2.8.2. Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 37
2.9. Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học trụ đặc . 39
2.9.1. Trường hợp không che chắn .39
2.9.2. Trường hợp nguồn được che chắn bởi tấm che có bề dầy d 40
Chương 3 – Chương trình mô phỏng đường đẳng liều đối với các nguồn bức xạ gamma có dạng hình học khác nhau 42
3.1. Yêu cầu của chương trình 42
3.2. Giao diện chính (form main) . 44
3.3. Nguồn dạng điểm 44
3.3.1. Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 1) .44
3.3.2. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian
không sử dụng che chắn (form 2) 45
3.3.3. Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 3) 47
3.3.4. Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 4) .48
3.3.5. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 5) 49
3.4. Nguồn dạng dây thẳng . 50
3.4.1. Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 6) .50
3.4.2. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian
không sử dụng che chắn (form 7) 50
3.4.3. Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 8) 52
3.4.4. Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 9) .53
3.4.5. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 10) 53
3.5. Nguồn dạng dây tròn . 55
3.5.1. Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 11) .55
3.5.2. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 12) 55
3.5.3. Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 13) 57
3.5.4. Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 14) .58
3.5.5. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 15) 58
3.6. Nguồn dạng đĩa 60
3.6.1. Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 16) .60
3.6.2. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 17) 60
3.6.3. Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 18) 62
3.6.4. Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 19) .63
3.6.5. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 20) 63
3.7. Nguồn dạng cầu rỗng . 65
3.7.1. Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 21) .65
3.7.2. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian
không sử dụng che chắn (form 22) 65
3.7.3. Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 23) 67
3.7.4. Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 24) .68
3.7.5. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 25) 68
3.8. Nguồn dạng cầu đặc 70
3.8.1. Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 26) .70
3.8.2. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 27) 70
3.8.3. Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 28) 72
3.8.4. Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 29) .73
3.8.5. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 30) 73
3.9. Nguồn dạng trụ rỗng 75
3.9.1. Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 31) .75
3.9.2. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 32) 75
3.9.3. Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 33) 77
3.9.4. Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 34) .78
3.9.5. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 35) 78
3.10. Nguồn dạng trụ đặc . 80
3.10.1. Tính suất liều không sử dụng che chắn (form 36) .80
3.10.2. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng và mặt đẳng liều trong không gian không sử dụng che chắn (form 37) 80
3.10.3. Tính suất liều có sử dụng che chắn (form 38) .82
3.10.4. Tính bề dầy vật liệu che chắn (form 39) .83
3.10.5. Vẽ đường đẳng liều trong mặt phẳng có sử dụng che chắn (form 40) .83
Kết luận 85
Kiến nghị và hướng phát triển . 87
Tài liệu tham khảo 88
Phụ lục 1 : Các hằng số của các nguồn phóng xạ . 89
Phụ lục 2 : Các hằng số A1, α1, α2, δD, à của một số vật liệu che chắn . 90
Phụ lục 3 : Các giải thuật sử dụng trong chương trình . 91
Phụ lục 4 : Kết quả tính suất liều của các dạng nguồn 93