Thạc Sĩ Nghiên cứu tính liều cơ thể từ nguồn gamma nhiễm bẩn trong đất sử dụng chương trình mcnp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành : VẬT LÝ HẠT NHÂN, NGUYÊN TỬ VÀ
NĂNG LƯỢNG CAO
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
2010

MỤC LỤC

Lời cảm ơn . 1
Mục lục 2
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt . 4
Danh mục các bảng 6
Danh mục các hình vẽ 7
Mở đầu . 8

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP VÀ PHANTOM HÌNH NGƯỜI . 11

1.1 Tổng quan về chương trình MCNP . 11
1.1.1 Giới thiệu phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP . 11
1.1.2 Cấu trúc file input trong chương trình MCNP4C2 . 11
1.1.3 Ước lượng sai số trong MCNP 16
1.1.4 Thư viện số liệu hạt nhân . 19
1.2 Tổng quan về phantom hình người . 19
1.2.1 Phantom hình người . 19
1.2.2 Phantom MIRD-5 . 20

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHÉP TÍNH LIỀU 26

2.1 Hệ số suy giảm tuyến tính và hệ số suy giảm khối 26
2.2 Quãng chạy tự do trung bình . 27
2.3 Liều hấp thụ 28
2.4 Kerma . 28
2.5 Kerma của mô mềm trong không khí 30
2.6 Liều tương đương . 30
2.7 Liều hiệu dụng 31


CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ TÍNH LIỀU CƠ QUAN CỦA CƠ THỂ NGƯỜI VÀ BÀN LUẬN 33

3.1 Hình học và thành phần của nguồn . 33
3.1.1 Hình học của nguồn 33
3.1.2 Thành phần của nguồn 34
3.2 Xác định độ dày lớp đất cực tiểu . 34
3.3 Liều cơ quan và liều hiệu dụng từ nguồn photon đơn năng . 36
3.4 Hệ số chuyển đổi liều hiệu dụng . 45
3.5 Kết luận và kiến nghị 46
Tài liệu tham khảo 48
Phụ lục . 50



DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 : Các loại tally tính toán . 16
Bảng 1.2 : Ý nghĩa sai số tương đối R trong MCNP 18
Bảng 1.3 : Thành phần cơ bản của các mô trong phantom trẻ sơ sinh. 21
Bảng 1.4 : Thành phần cơ bản của các mô cho tất cả các phantom
trừ phantom trẻ sơ sinh 22
Bảng 1.5 : Các thành phần vật chất trong xương ở trẻ sơ sinh và
người trưởng thành 23
Bảng 2.1 : Hệ số suy giảm khối m / r được xác định trong không khí và đất. 27
Bảng 2.2 : Hệ số của trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ . 31
Bảng 2.3 : Trọng số mô đặc trưng cho các mô trong cơ thể 32
Bảng 3.1 : Thành phần không khí và đất. 34
Bảng 3.2 : Bán kính cực tiểu của vùng không khí và độ dày lớp đất cực tiểu
của 12 mức năng lượng từ 0,01 MeV đến 5 MeV 35
Bảng 3.3 : Các thông số FOM và R của các mô hình tính toán . 40
Bảng 3.4 : Liều các cơ quan của phantom MIRD-5 người trưởng thành tại 12 mức năng lượng từ 10 keV đến 5 MeV (Gy/Bq.s.m-3) . 41
Bảng 3.5 : Liều hiệu dụng E của phantom MIRD-5
người trưởng thành (Sv/Bq.s.m-3). . 44
Bảng 3.6 : Hệ số chuyển đổi liều hiệu dụng E/Kair của phantom MIRD-5
người trưởng thành (Sv/Gy). . 45


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Hệ trục tọa độ. . 24
Hình 1.2 : Các cơ quan bên trong của phantom người trưởng thành. . 25
Hình 3.1 : Hình học của vùng nguồn (Mô hình 1). 33
Hình 3.2 : Độ dày lớp đất cực tiểu của vùng nguồn 36
Hình 3.3 : Mô hình 2. . 38
Hình 3.4 : Mô hình 3 38
Hình 3.5 : Mô hình 4 39
Hình 3.6 : Mô hình 5 39
Hình 3.7 : Mô hình 6 40
Hình 3.8 : Hệ số chuyển đổi liều hiệu dụng E/Kair của phantom MIRD-5
người trưởng thành . 46

MỞ ĐẦU


Ngày nay ngành hạt nhân trên thế giới được xem là một ngành công nghiệp quan trọng hàng đầu. Ứng dụng của năng lượng hạt nhân có thể nói là quá rộng và sâu, chi phối đến tất mọi lĩnh vực của đời sống xã hội như công nghiệp, nông nghiệp, sinh học, y tế, quốc phòng Điển hình như nhiều nhà máy điện hạt nhân được xây dựng để cung cấp năng lượng cho sinh hoạt hàng ngày của nhân loại và hiện nay Việt Nam cũng đang tiến hành xây dựng một nhà máy điện hạt nhân như thế, đây là một tín hiệu vui cho người dân Việt Nam. Trong điều kiện hoạt động bình thường, năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường. Nó hầu như không phát thải các loại khí gây ô nhiễm và đóng góp rất ít vào liều phóng xạ mà người dân phải chịu. Tuy nhiên, nhân loại không thể quên được hai vụ tai nạn hạt nhân là Three Mile Island ở Mỹ (năm 1979) và Tchernobyl ở Liên Xô cũ (nay thuộc Ukraine - năm 1986) và còn nhiều vụ tai nạn nhỏ khác rải rác khắp nơi trên thế giới. Tất cả đều là do sự mất an toàn hạt nhân. Bên cạnh đó là những vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân ngày càng gia tăng tại nhiều quốc gia. Từ những sự kiện này có thể khẳng định rằng các nguồn bức xạ hạt nhân và chất thải phóng xạ sẽ ít nhiều ảnh hưởng đến môi trường sống của con người làm môi trường bị nhiễm bẩn và do đó tác động đến sức khỏe con người nhất là những người thường xuyên làm việc trong môi trường bị nhiễm xạ. Nhằm tìm ra những giải pháp và những tiêu chí an toàn nhất để giảm thiệt hại cho con người ngoài việc các kiến thức, các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ đã được nghiên cứu và ban hành rộng rãi đến cho nhân loại, thì công việc nghiên cứu tính liều cơ quan và mô trong cơ thể người trong môi trường nhiễm xạ cũng là thiết thực. Công việc này mô phỏng cơ thể người dựa trên một phantom hình người kết hợp với các kỹ thuật Monte Carlo, từ đó xây dựng một mô hình tính toán thực phù hợp với cơ thể người. Năm 1990, Ủy ban Quốc tế về An toàn Bức xạ (ICRP) đã đề nghị xem liều hiệu dụng E như là một thước đo của liều chiếu cá nhân. Nó có liên quan đến những ảnh hưởng ngẫu nhiên trên cơ thể người khi vài cơ quan nhận được các liều khác nhau từ bức xạ. Tuy nhiên, không thể đo hay đánh giá E một cách trực tiếp. ICRP[18] và Ủy ban Quốc tế về Đơn vị và Đo lường bức xạ (ICRU)[20] đã đề nghị sử dụng các đại lượng đo được thay thế cho E . Như vậy, cần phải xác định hệ số chuyển đổi từ các đại lượng có thể đo được (nghĩa là hoạt độ nguồn, kerma không khí ) sang các đại lượng không thể đo được của
liều cơ quan. Để thực hiện cho mục đích này, các kỹ thuật Monte Carlo kết hợp với phantom hình người được sử dụng. Kỹ thuật Monte Carlo có thể xử lý những điều kiện bức xạ phức tạp và đưa ra sự phân bố liều bị hấp thụ trong cơ thể người trong những tình huống chiếu khác nhau.
Việc nghiên cứu tính liều cơ quan trong cơ thể người (liều hiệu dụng, liều hiệu dụng tương đương và hệ số chuyển đổi liều cơ quan) đối với sự chiếu xạ ngoài của sự phát xạ photon từ những môi trường nhiễm bẩn khác nhau như đất, không khí và nước đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và tính toán. Điển hình như năm 1974, Poston và Snyder[14] thực hiện nghiên cứu trong môi trường không khí bán vô hạn bị nhiễm xạ; năm 1981, D.C. Kocher[10, 11] nghiên cứu trong vùng nguồn nước và đất bán vô hạn bị nhiễm xạ; năm 1993, Keith F. Eckerman và Jeffrey C. Ryman[9] đã kết hợp giữa tung độ gián đoạn và phương pháp Monte Carlo để giải phương trình vận chuyển photon cho nguồn photon được phân bố trong môi trường; năm 1995, K. Saito và P. Jacob[15] tính liều cơ quan từ nguồn tự nhiên được phân bố đồng dạng sử dụng phương pháp Monte Carlo.
Có thể nói, việc khảo sát liều cơ quan của cơ thể người được thực hiện bởi nhiều người và đưa ra nhiều kết luận khác nhau, nhưng ý nghĩa của công việc luôn là một đó là tìm được những giải pháp an toàn bức xạ tối ưu. Đây cũng là lý do mà tác giả chọn đề tài này và công việc mà tác giả thực hiện trong luận văn là nghiên cứu tính liều cơ thể trong môi trường nhiễm bẩn là đất và phantom được dùng là phantom MIRD-5 (Medical Internal Radiation Dose Pamphlet No-5) kết hợp với chương trình MCNP phiên bản 4C2.
Trong luận văn này sẽ tính liều hiệu dụng, hệ số chuyển đổi liều đối với phantom người trưởng thành (21 tuổi) từ nguồn gamma nhiễm bẩn trong đất tương ứng với 12 mức năng lượng từ 0,01 MeV đến 5 MeV. Ứng với mỗi nguồn photon đơn năng đó sẽ tính liều cho 25 cơ quan trong cơ thể.
Nội dung của luận văn bao gồm 3 chương :

Chương 1 : Tổng quan về chương trình MCNP và phantom hình người.
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết của phép tính liều.
Chương 3 : Kết quả tính liều cơ quan của cơ thể người và bàn luận.