Trang chủ / Công trình nghiên cứu / Ảnh hưởng của hàm lượng RAMs đến độ hấp thụ tia X và tia Gama của bê tông chống phóng xạ barit
adv.

Ảnh hưởng của hàm lượng RAMs đến độ hấp thụ tia X và tia Gama của bê tông chống phóng xạ barit

06/12/2017

Bài báo này trình bày ảnh hưởng của hàm lượng RAMs đến độ hấp thụ tia X và tia γ của bê tông barit, kết quả của đề tài “Nghiên cứu và triển khai ứng dụng một số hệ vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên một số dải tần radar tia X và tia γ”.

Influence of RAMs content on X-ray and γ-radiation absorption of Ba based antiradioactive concrete

Nguyễn Văn Dán Khoa Công nghệ vật liệu, ĐHBK Tp.HCM

Tóm tắt

   Đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng RAMs (Radar Absorbent Materials) tới độ hấp thụ tia X và tia Gama của bê tông chống phóng xạ barit. Kết quả nghiên cứu cho thấy: - Hàm lượng RAMs 2,5% cho độ hấp thụ tốt nhất - Bê tông barit với 2,5 % RAMs (X-γ RAMs) có các đặc tính chống bức xạ cao hơn so với bê tông nặng.

Abstract

   The effect of RAMs content on the X-ray and γ radiation absorption of Ba based antiradioactive concrete was studied. Results are as folows: - Absorption of the barit concrete is the best with 2,5 % RAMs. - Antiradioactive perfomances of barit concrete with 2,5 % RAMs (X-γRAMs) are higher than those of heavy con- crete.

1. Đặt vấn đề

   Nghiên cứu vật liệu hấp thụ che chắn tia X và tia γ có ý nghĩa quan trọng tại Việt Nam. Hàng ngàn phòng X quang và các cơ sở bức xạ không đạt tiêu chuẩn an toàn bức xạ (ATBX) gây nên sự ô nhiễm bức xạ trầm trọng, ảnh hưởng đến sức khoẻ người sử dụng và cư dân xung quanh. Bài báo này trình bày ảnh hưởng của hàm lượng RAMs đến độ hấp thụ tia X và tia γ của bê tông barit, kết quả của đề tài “Nghiên cứu và triển khai ứng dụng một số hệ vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên một số dải tần radar tia X và tia γ”.

   Như đã biết, tương tác của tia X và tia γ với vật liệu thông qua ba hiệu ứng: quang điện, compton và tạo cặp electron - pozitron [2]. Nếu năng lượng bức xạ <1,03 MeV thì sự tiêu tán năng lượng chùm tia chủ yếu do hai hiệu ứng đầu là quang điện và compton. Hai hiệu ứng này xảy ra là do tương tác của chùm tia với các điện tử trong vật liệu. Vì vậy, vật liệu hấp thụ tia X và tia γ cần phải có bán kính nguyên tử lớn và số điện tử trong một nguyên tử phải nhiều. Các nguyên tố như Pb, Co, Ba, Bi là các nguyên tố nặng đáp ứng được các yêu cầu trên.

   Chì là loại vật liệu cản tia X và tia γ hữu hiệu nhất nhưng lại biểu hiện một số khiếm khuyết như quá nặng, đắt tiền, không thẩm mỹ và đặc biệt hiện tượng sụt chì theo thời gian và độc tố của nó với cơ thể người.

   Sự ra đời của bê tông chống phóng xạ nhằm khắc phục nhược điểm của chì và làm chậm nguồn. Bê tông chống phóng xạ được sử dụng trong các lò phản phản ứng hạt nhân, các cơ sở hạt nhân nhưng triển khai cho các ứng dụng thuần túy tia X hoặc tia γ lại có nhược điểm là hệ số hấp thụ nhỏ. Nếu sử dụng bê tông chống phóng xạ cho các phòng rơngen, xạ trị γ trong y tế thì lớp che chắn bằng vật liệu này phải rất dày.

   Những phân tích trên cho thấy xu hướng không hoặc rất hạn chế sử dụng Pb trong che chắn bức xạ và sự cần thiết phải nghiên cứu một loại bê tông chống bức xạ hiệu quả khắc phục được các nhược điểm của chì (Pb) và bê tông chống phóng xạ truyền thống.

2. Thực nghiệm

2.1. Chế tạo mẫu

2.1.1. Thành phần và kí hiệu mẫu

   Các mẫu cản tia X và tia γ được chế tạo bao gồm:

   - Mẫu M1: Mẫu bê tông chống phóng xạ không biến tính bởi RAMs có thành phần: gồm xi măng póclăng (mác 400) + cát + (70% barit + 2% Bi2O3 + 18%FeO.TiO2 + 10% magnetit) theo tỷ lệ phối trộn 1:2:3. Các tấm mẫu có kích thước 100 x 100 x 10 mm3 dùng để làm mẫu đối chứng.

   - Mẫu M2, M3, M4, M5: Nhóm mẫu này được chế tạo trên cơ sở nhóm bê tông cản tia ra giống mẫu M1 được biến tính thêm bởi bột RAM. Bột RAM bao gồm 25% hỗn hợp bột nanô tinh thể Ag - than hoạt tính + 75% bột ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4.

   Lượng RAM biến tính theo các mẫu có thành phần như sau: M2-2,5% RAM; M3-5%RAM; M4- 7,5%RAM; M5-10%RAM.

2.1.2. Công nghệ chế tạo

   Bột xi măng poclăng (mác 400) + cát + (70% borit + 2% Bi2O3 + 18% FeO.TiO2 + 10% magneti) theo tỷ lệ phối trộ 1:2:3 được nghiền cùng với bột RAMs trong máy nghiền bi trong thời gian 5h Thời gian nghiền 5h đủ để làm đồng đều thành phần hỗn hợp.

   Bột RAMs được chế tạo như đã công bố trong [1,3]. Các bột RAMs có kích thước rất nhỏ d

   Tất cả các mẫu bê tông được chế tạo bằng cách phối trộn hỗn hợp xi măng - cát - bột hấp thụ và RAM với nước theo tỷ lệ đã định rồi đem đổ khuôn với kích thước xác định và được bảo trì trong 7 ngày.

2.2. Các phương pháp nghiên cứu

   Xác định năng lượng truyền qua, độ hấp thụ và suất liều bức xạ X và γ bằng máy phân tích biên độ đa kênh tại Trung tâm Nguyên tử quốc gia Đà Lạt [4,5,6].

   Đo suất liều bức xạ tia X của phòng hấp thụ sóng điện từ đa công dụng bằng thiết bị Inspector của Trung tâm hạt nhân TP.HCM.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng RAM đến độ hấp thụ tia X và γ

3.1.1. Kết quả nghiên cứu

   Đã đo độ truyền qua tia X và y của các mẫu M1, M2, M3, M4, M5 ứng với hàm lượng RAM 0; 2,5; 5; 7,5 và 10%. Kết quả do ghi trong bảng 1, trong đó kí hiệu Mo ứng với trạng thái không có mẫu che chắn.

   Đánh giá độ hấp thụ của các mẫu theo các nguồn phát khác nhau theo công thức :

Eht = Eng - ETQ (1)

trong đó:

Eht là năng lượng bị tấm chắn hấp thụ. Eng là năng lượng nguồn, ETQ là năng lượng truyền qua và được tính theo công thức

ETQ = (n2/ n1).Eng (2)

với

n1: độ truyền qua hay tố độ đếm phóng xạ trong trường hợp không có mẫu che chắn, n2: độ truyền qua tố độ đếm phóng xạ trong trường hợp có mẫu che chắn.

   Đánh giá khả năng hấp thụ của các mẫu (%) ta có:

Công thức 1 (3)

Công thức 2

 (4)

trong đó nht là độ hấp thụ của mẫu (%).

   Từ (3) và bảng 1 ta tính được độ hấp thụ tia X và γ của các mẫu với các mức nguồn phát năng lượng khác nhau, kết quả nêu trong bảng 2.

   Từ bảng 2 dựng được đồ thị biểu diễn phụ thuộc độ hấp thụ nht (5) theo hàm lượng RAM (hình 1)

Hình 1 và 2

Bảng 1 và 2

Hình 1

Hình 1. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ các mẫu vào lượng RAM và năng lượng nguồn phát

3.1.2. Thảo luận

   Từ các bảng 1 và 2 và hình 1 thấy các mẫu có hàm lượng RAM là 2,5% cho kết quả hấp thụ lớn nhất ở các mức năng lượng nguồn ≤122 keV. Trên mức 122 keV với chiều dày mẫu là làm hầu như các tia truyền qua. RAMs là vật liệu hấp thụ được chế tạo trong đó sử dụng hiệu ứng bẫy lượng tử để hấp thụ sóng radar [2]. Vật liệu này cũng có khả năng bẫy các lượng tử tia X và γ khi hàm lượng vừa đủ, tuy nhiên nếu hàm lượng RAMs lớn hơn sẽ làm giảm hàm lượng barit và các thành phần hấp thụ khác. Điều này lý giải tại sao khi hàm lượng RAM > 2,5% độ hấp thụ lại giảm xuống.

3.2. Xác định hệ số hấp thụ bức xạ μ, chiều dày một nửa (HVL) x1/2 và chiều dày 1/10 (TVL) x1/10 của vật liệu

3.2.1. Kết quả

   Vật liệu hấp thụ trên cơ sở bê tông barit với 2,5% RAMs (gọi tắt là vật liệu X, γ - RAM) được xác định các đặc trưng hấp thụ bức xạ như hệ số hấp thụ tuyến tính μ, chiều dày làm suy hao một nửa x1/2 và chiều dày làm suy hao 10 lần cường độ tia bức xạ x1/10. Một trong những thông số quan trọng đặc trưng cho sự hấp thụ bức xạ của vật liệu là hệ số hấp thụ tuyến tính μ. Từ công thức:

Dx = D0.ex-μx  (5)

trong đó D0, Dx là công suất chùm tia trước và sau mẫu chắn và x là chiều dày tấm mẫu, sẽ xác định được hệ số μ`:

-μx = ln Dx/ D0 μ = (-l/x) ln Dx/ D0 (6)

   Từ công thức (5) khi Dx/ D0 = 1/2 có thể xác định được chiều dày làm suy hao một nửa cường độ (suất liều...) tia bức xạ:

0,693     x1/2 = ——— (cm)  (7) μ

và chiều dày làm suy hao 10 lần cường độ tia bức xạ theo công thức:

2,303      x1/10 = ——— (cm)  (8) μ

   Từ bảng 2 xác định được hệ số hấp thụ μ, chiều dày làm suy giảm một nửa cường độ bức xạ x1/2 và chiều dày x1/10 của vật liệu X, γ -RAM tại các mức năng lượng nguồn khác nhau bằng các công thức (6), (7), (8). Kết quả xem trong bảng 3.

Bảng 3

Bảng 3. Hệ số μ, x1/2 và x1/10 tại các mức năng lượng phát khác nhau của vật liệu X, γ - RAM và bê tông nặng chống phóng

3.2.2. Thảo luận

   Nhìn vào bảng thấy vật liệu X, γ - RAM có chiều dày che chắn bảo đảm ATBX mỏng hơn bê tông nặng chống phóng xạ vào khoảng 2,5 lần. Dựa vào bảng 3 hoàn toàn có thể thiết kế được chiêu dày lớp che chắn đảm bảo ATBX cho một phòng bức xạ tia X và tia γ khi biết suất liều bức xạ trong phòng.

   Ví dụ, một phòng xạ trị bằng đồng vị 60 Co có suất liều trong phòng không che chắn là 25 mSv/h. Để đạt ATBX ngoài phòng xạ trị cần có suất liều là 0,5 mSv/h - có nghĩa tường chắn phải làm suy giảm 50 lần suất liều phát. Dựa vào giá trị x1/10 tại 1173 keV và 1332 keV tương ứng với năng lượng do hai tia γ phóng ra từ 60 Co khi xạ trị, tra bảng 6 có x1/10 của vật liệu X, γ - RAM là 8cm. Để giảm 50 lần suất liều phát thì tấm bê tông chế tạo bằng vật liệu X, γ - RAM phải dày là:

50.8       d = ———— = 40 cm. 10

   Trong khi đó giá trị x1/10 tại 1173 keV và 1332 keV của bê tông nặng là 20cm, muốn giảm 50 lần suất liều phát tấm bê tông nặng cần phải dày là :

50.200           d = ———— = 100 cm 10

   Như vậy để đảm bảo ATBX, lớp vật liệu X, γ- RAM chỉ cần dày 40cm, trong khi đó giá trị này của bê tông nặng chống phóng xạ phải là 1 mét. Điều này có nghĩa chiều dày của lớp vật liệu X, γ - RAM đã giảm được 2,5 lần so với bê tông nặng ở cùng công suất phát.

4. Kết luận

   Biến tính bê tông chống phóng xạ barít bằng RAMs với hàm lượng 2,5% đã nâng cao các đặc tính hấp thụ bức xạ tia X và γ. Chiều dày tới hạn bảo đảm ATBX của vật liệu X, γ - RAM được chế tạo mỏng hơn bê tông nặng chống phóng xạ 2,5 lần.

[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]

Tài liệu trích dẫn

  1. Nguyễn Văn Dán và các cộng sự, Báo cáo đề tài cấp thành phố “Nghiên cứu và triển khai ứng dụng một số hệ vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên một số dải tần radar, tia X và tia γ”, Tp.HCM, 6/2005
  2. S.O.Kasap, Principles of electronic materials and devices, McGraw - Hill, Higher Education, 2002
  3. Nguyễn Văn Dán, Báo cáo đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu vi tinh thể” Tp.HCM, 9/1997
  4. Viện năng lượng nguyên tử Việt nam, Viện nghiên cứu hạt nhân, Chỉ dẫn an toàn bức xạ, Đà Lạt, 2/2002
  5. Hoàng Ngọc Liên, Nguyễn Đức Thuận, Nguyễn Thái Hà, An toàn bức xạ và an toàn điện trong y tế, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2002
  6. Matsahito Kaneko, International standards for radiation protection and environmental monitoring and utility practices in Japan, Seminar on Nuclear safety regulation, 24-27 June 2003, Hanoi and Dalat, Vietnam.

[/symple_box][symple_clear_floats]