Assesment Assessment of X-Ray converter for electron beam radiation processing facility
- Research and Development Center for Radiation Technology
- Faculty of Physics and Engineering Physics, University of Science, VNU-HCM
Abstract
Recently, a high energy electron beam from accelerators studied on the application for foods and medical devices irradiation, therapy, denature material, discolored semi-precious stones and degradation of environment pollution (Gas, Water, and Sludge Waste). The advantages of electron beam from accelerators are high power density and easy focusing on the target, but electron beam is only useful to irradiate on the surface of the irradiation product because their penetration is short. In order to irradiate high area density products, the X-ray converter is used to generate photon (bremsstrahlung effect). In this article, converting efficiency and direction of X-ray emission is measured by film dosimeter and simulated by MCNP-4c2 code. Measurement and simulation results show that converting efficiency depends on materials of the targets and electron energy, the converting efficiency of Ti – H2O – Pb converter at electron beam energy 5.0 MeV, 7.5 MeV, and 10.0 MeV are 5.57 %, 7.12 %, and 13.54 %. Ti – H2O – Pb converter is made up of 3 layers of Ti wrap material with the function of bearing, heat resistance, circulating cooling water between Ti and Pb layers to cooling, so it is applied for the accelerator.
GIới thiệu
Hiệu suất bia chuyển đổi electron – photon từ chùm electron năng lượng cao1 được tính toán, đo đạc nhằm mục đích chế tạo bia có hiệu suất chuyển đổi cao nhất sử dụng để xử lý thực phẩm2, y tế, biến tính vật liệu có mật độ mặt cao. Ngoài ra, xác suất phát photon còn được sử dụng để đánh giá phần năng lượng không được hấp thụ3 trong sản phẩm chiếu xạ (năng lượng thoát ra dưới dạng photon). Góc bay và cường độ phát photon cũng được sử dụng để tính toán và thiết kế che chắn an toàn cho nhân viên bức xạ và dân chúng xung quanh cơ sử bức xạ.
Bia chuyển đổi tia X được tính toán cho năng lượng 5,0 MeV và 7,5 MeV trong4, phân bố góc của chùm bức xạ hãm sau bia đồng và bia volfram được nhóm tác giả Kazuaki Kosako mô phỏng và đo đạc cho các mức năng lượng electron 18, 28 và 38 MeV5. Trong bài báo này, nhóm tác giả đã tính toán chiều dày bia để đo liều electron trên bề mặt bia, liều photon trong giữa các bia nhằm xác định hiệu suất chuyển đổi electron – tia X6 tại mức năng lượng 10 MeV cho bia đơn chất và 5,0 7,5, 10 MeV cho bia hỗn hợp.
PHƯƠNG PHÁP
Mô phỏng và tính toán chiều dày bia chuyển đổi cho chùm electron năng lượng 10MeV
Bia chuyển đổi được tính toán dựa trên độ xuyên sâu của chùm electron 10MeV để đảm bảo chắn hoàn toàn chùm electron chỉ cho tia X xuyên qua6. Độ xuyên sâu của chùm elctron 10MeV phụ thuộc vào mật độ và chiều dày bia vật liệu. Mật độ và chiều dày bia được đặc trưng bởi một đại lượng duy nhất là mật độ mặt, r (Area Density):
Chiều dày bia được xác định từ đường phân bố liều theo mật độ mặt đã được đo dưới máy gia tốc UELR-10-15S2 với hai đầu quét chiếu lên hai mặt của bia trong Figure 1.
Đường phân bố liều theo mật độ mặt được đo trên máy gia tốc UELR-10-15S2
Theo Figure 1, chùm electron năng lượng 10MeV chỉ xuyên qua 5,0 g/cm, do đó bia chuyển đổi tia X được thiết kế với mật độ mặt nằm trong khoảng: [g/cm], và bề dày bia: [cm].
Khi đó, liều đo được tại tâm của bia khi chiếu xạ hai mặt trên máy gia tốc UELR-10-15S2 chỉ do tia X tạo ra.
Bia chuyển đổi được thiết kế phù hợp cho các vật liệu khác nhau, mô hình thí nghiệm được mô phỏng bằng MCNP4c27 (Figure 2) để tính liều trên bề mặt bia (chỉ do electron tạo ra) và giữa tâm bia (chỉ do tia X tạo ra) để xác định hiệu suất chuyển đổi electron – tia X.
Mô phỏng MCNP cho cấu hình chiếu mẫu trên máy gia tốc electron UELR-10-15S2.
Trong giữ liệu đầu vào (Input File) của chương trình MCNP4c2, nguồn electron được mô tả là một chùm tia song song hướng thẳng xuống bia, kích thước nguồn: 40×2 cm. Bia đặt cách nguồn 40 cm và chúng được dịch chuyển từng bước qua vị trí nguồn electron, bước dịch chuyển 1,0 cm. Liều hấp thụ trên bề mặt bia và liều hấp thụ tại tâm bia được lấy tổng liều trong các giữ liệu đầu ra (Output File).
Thực nghiệm đo liều
Dụng cụ và thiết bị đo
Thiết bị đo liều gồm liều kế phim B3000, hãng sản xuất GEX, Đức, với giải liều kGy, sai số 5%. Liều kế phim đo liều hấp thụ thông qua độ đen phim khi bị chiếu bởi chùm electron hoặc tia X8.
Liều kế phim được đo độ đen trên máy quang phổ GENSYS 20, hãng sản xuất Thermo Science, máy đo được hiệu chuẩn 6 tháng/lần. Bảng quy chuẩn từ độ đen phim sang liều hấp thụ được cung cấp bởi hãng sản xuất. Liều kế phim B3000 và hệ đo GENSYS 20 được cho trong Figure 3.
Nguồn electron từ máy gia tốc UELR-10-15S2, CORAD-Russia, với mức năng lượng 10 MeV, công suất 15kW, hai đầu quét với bề rộng quét cực đại 50cm.
Liều kế phim B3000 trước và sau khi chiếu xạ và máy đo quang phổ GENSYS 20
Chuẩn bị bia tạo tia X
Hiệu suất chuyển đổi electron – tia X được đo dưới các bia (Figure 4): nhựa polypropylene (PP), nhôm (Al), sắt (Fe) và chì (Pb) để xác định sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển đổi vào mật độ của bia. Bề dày các bia được tính toán theo công thức (1), các giá trị được cho trong Table 1.
Các bia chuyển đổi được chiếu xạ dưới máy gia tốc electron 10MeV UELR-10-15S2
Bề dày các bia chuyển đổi tia X
| Bia | Mật độ, g/cm3 | Bề dày, cm |
| Nhựa PP | 0,95 | 14,0 |
| Al | 2,7 | 6,0 |
| Fe | 7,8 | 2,0 |
| Pb | 11,3 | 1,2 |
Chiếu mẫu và đo liều electron và tia X trên các bia chuyển đổi
Dựa theo kết quả mô phỏng MCNP, thông số máy và thời gia chiếu mẫu được xác định trong Table 2, thí nghiệm được bố trí như trong Figure 5 cho tất cả các lần chiếu bia. Liều kế phim được đặt trên bề mặt bia để đo liều electron và được lấy ra sau mỗi lần chiếu, còn liều kế phim đặt tại tâm bia chỉ được lấy ra sau khi kết thúc chiếu để đo liều tia X.
Bố trí thí nghiệm khi chiếu bia chuyển đổi tia X dưới máy gia tốc electron 10MeV UELR-10-15S2
Thông số cài đặt cho máy gia tốc khi chiếu các bia
| Thông số | Giá trị |
| Năng lượng trung bình, MeV | 9,8 |
| Công suất dòng, mA | 960 |
| Độ rộng quét, cm | 50 |
| Vận tốc băng chuyền, m/phút | 0,5 |
| Liều tại bề mặt bia, kGy | 28,0 |
| Số lần chiếu để đo liều electron | 01 |
| Số lần chiếu để đo liều X-ray | 10 |
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả mô phỏng MCNP cho phổ electron, phổ photon (bức xạ hãm) sau bia
Phổ electron được xác định tại các khoảng cách khác nhau dưới đầu chiếu electron của máy gia tốc UELR-10-15S2, còn phổ photon được xác định sau bia Al đặt cách nguồn electron 10 cm. Kết quả được cho trong Figure 6.
a) Phổ electron tại các khoảng cách khác nhau dưới đầu quét electron của máy gia tốc UELR-10-15S2, và b) phổ photon sau bia Al với các khoảng cách khác nhau
Kết quả đo thực nghiệm và mô phỏng MCNP hiệu suất chuyển đổi electron – tia X
Hiệu suất chuyển đổi của các bia: nhựa PP, Al, Fe và Pb thu được từ thực nghiệm đo liều như trong Table 3.
Kết quả đo thực nghiệm trên các bia
| Bia | Năng lượng electron (MeV) | De- (kGy) | Sai số(kGy) | DX-ray (kGy) | Sai số(kGy) | Hiệu suất chuyển đổi X-ray/e- (%) |
| Nhựa PP | 9,8 ±0,5 | 270,0 | 13,5 | 1,8 | 0,03 | 0,7 |
| Al | 9,8 ±0,5 | 230,0 | 11,5 | 2,0 | 0,04 | 0,9 |
| Fe | 9,8 ±0,5 | 266,0 | 13,3 | 4,7 | 0,09 | 1,8 |
| Pb | 9,8 ±0,5 | 180,0 | 9,0 | 7,8 | 0,22 | 4,3 |
Hiệu suất chuyển đổi của các bia nguyên chất và bia hỗn hợp thu được từ mô phỏng MCNP được cho trong Table 4.
Kết quả mô phỏng MCNP
| Năng lượng electron, (MeV) | Bia chuyển đổi | Hiệu suất chuyển đổi X-ray/e- (%) |
| 10,0 | PP | 0,56 |
| 10,0 | Al | 0,63 |
| 10,0 | Fe | 1,7 |
| 10,0 | Pb | 4,0 |
| 10,0 | Ti-H2O-Pb | 13,54 |
| 7,5 | Ti-H2O-Pb | 7,12 |
| 5,0 | Ti-H2O-Pb | 5,57 |
Hiệu suất chuyển đổi electron – tia X theo mật độ và theo năng lượng được cho trong Figure 7.
a) Hiệu suất chuyển đổi electron – tia X phụ thuộc vào mật độ bia tại mức năng lượng electron 10MeV trên máy gia tốc UELR-10-15S2, và b) hiệu suất chuyển đổi electron – tia X sau bia Ti – H2O – Pb theo các mức năng lượng electron tới
KẾT LUẬN
Các tính toán và đo đạc hiệu suất chuyển đổi từ electron sang tia X qua các bia khác nhau tại một cơ sở chiếu xạ đã cung cấp bộ số liệu cần thiết để đánh giá sự hấp thụ electron trong sản phẩm9, 10, thiết kế và đánh giá an toàn bức xạ cho cơ sở và thiết kế bia chuyển đổi với hiệu suất cao. Theo đó, khi electron năng lượng 10MeV chiếu lên các vật liệu nhẹ (r < 1,0 g/cm) hiệu suất sinh photon là không đáng kể (0,7%), nhưng khi chiếu lên các vật liệu nặng (Fe, Pb) hiệu suất sinh photon sẽ cao (4,3% đối với bia Pb). Do vậy, khi thiết kế che chắn11 không nên sử dụng vật liệu nặng trên đường bay của chùm electron để hạn chế hiệu suất phát sinh photon năng lượng cao.
Kết quả đo đạc kết hợp mô phỏng MCNP cũng cho thấy độ tin cậy của phương pháp mô phỏng và chúng được sử dụng trong trường hợp không thể đo thực nghiệm hoặc việc làm thực nghiệm quá tốn kém. Trong báo cáo này, mô phỏng MCNP được tính cho bia Al và kết quả trùng khớp với đo thực nghiệm, sau đó tính trên bia hỗn hợp Ti – HO – Pb tại các mức năng lượng 5,0, 7,5 và 10,0 MeV. Kết quả mô phỏng trên bia hỗn hợp cho hiệu xuất chuyển đổi electron – tia X cao và chúng được sử dụng khi cần chuyển từ electron sang tia X khi cần.
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MCNP: Chương trình mô phỏng chuyên cho bức xạ (Monte Carlo for n-Particle)
UELR-10-15S2: Mã hiệu của máy gia tốc tuyến tính
GEX: hãng sản xuất liều kế phim
XUNG ĐỘT LỢI ÍCH
Nhóm tác giả cam kết không có mâu thuẫn về quyền lợi và nghĩa vụ của các thành viên
ĐÓNG GÓP CỦA CÁC TÁC GIẢ
Nguyễn Anh Tuấn mô phỏng MCNP, thực nghiệm đo liều trên máy gia tốc UELR-10-15S2 xử lý số liệu và viết bài báo
Châu Văn Tạo đưa ra ý tưởng, cấu trúc và chỉnh sửa văn phong trong bài báo