ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
 VŨ THỊ DIỄM HẰNG

NGHIÊN CỨU TÍNH LIỀU CƠ THỂ
TỪ NGUỒN GAMMA NHIỄM BẨN TRONG ĐẤT
SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP

Chuyên ngành : VẬT LÝ HẠT NHÂN, NGUYÊN TỬ VÀ
NĂNG LƯỢNG CAO
Mã số : 60-44-05



2
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
: kerma không khí.
N : số lịch sử.
n : neutron.
p : photon.
e : electron.
j : chỉ số cell.

: nồng độ bức xạ trong đất.
m : số vật chất trong cell.
H
T
: liều tương đương trong mô hoặc cơ quan T.
K : kerma.
D : liều hấp thụ.
D
T,R
: liều hấp thụ trung bình của bức xạ R trong mô hoặc cơ quan T.
k
E

: năng lượng trung bình bức xạ.
m

: khối lượng vật chất.

: thông lượng năng lượng.

: khối lượng riêng.

: hệ số suy giảm tuyến tính.

ORNL (Oak Ridge National Laboratory) : Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge.


6
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
/
 
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

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
9
hay đánh giá E một cách trực tiếp. ICRP
[18]
và Ủy ban Quốc tế về Đơn vị và Đo
lường bức xạ (ICRU)

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
10
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.


11
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP
VÀ PHANTOM HÌNH NGƯỜI

1.1 Tổng quan về chương trình MCNP
[1, 2, 5]

1.1.1 Giới thiệu phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP
Phương pháp Monte Carlo là phương pháp đánh giá các đại lượng có
tính chất xác suất của các quá trình ngẫu nhiên, được dùng để mô phỏng các quá
trình vận chuyển phức tạp và khó mô hình hóa bằng các phương pháp toán học giải
tích. Các biến cố riêng biệt có tính chất xác suất xảy ra trong một quá trình ngẫu
nhiên được mô phỏng một cách tuần tự. Do số phép thử khá lớn nên quá trình mô
phỏng được thực hiện bằng máy tính. Vì vậy phương pháp Monte Carlo còn được

mô tả, được gọi là cell. Một cell được xác định bởi toán tử giao (khoảng trắng), toán
tử hợp (:), phần bù các vùng trong không gian (#). Mỗi cell có phần thể tích nhất
định.
Cú pháp : j m d geom params
Hoặc j like n but list
trong đó :
j : chỉ số cell, với 1 j  99999, nếu cell có sự chuyển đổi tr thì 1 j  999.
m : là số vật chất trong cell, số vật chất được thay bằng 0 để chỉ cell trống.
d : là khối lượng riêng của cell (atom/cm
3
) hoặc (g/cm
3
).
geom : phần mô tả hình học của cell, gồm chỉ số các mặt tuỳ theo vùng giới hạn.
params : các tham số tuỳ chọn: imp, u, trcl, lat, fill. . .
n : tên của một cell khác
list : những thuộc tính cell n khác với cell j.
Cell được định nghĩa trên cell card. Mỗi cell được mô tả bằng những con số, số
vật chất, mật độ vật chất tiếp theo là một dãy số của các mặt liên kết thành một cell
và cell data.

13
Các thẻ mặt (Surfaces cards)
Surface được xác định bằng cách cung cấp các hệ số của phương trình mặt giải tích
hay các thông tin về các điểm đã biết trên mặt. MCNP cung cấp gần 30 loại dạng
mặt cơ bản
[5]
như mặt phẳng, mặt cầu, mặt trụ,…có thể được kết hợp với nhau
thông qua các toán tử giao, hợp và bù.
Cú pháp : j n a list

mode p
mode e
mode p e
mode n p e

Mn Card
Phần này trình bày mô tả vật liệu được lấp đầy trong cell.
Cú pháp : ZAID
1
thành phần
1
ZAID
2
thành phần
2
ZAID
i
= ZZZAAA.nnX, với ZZZ là nguyên tử số, AAA là nguyên tử số, nn là
tiết diện tương tác, X là loại hạt đến.
o Thành phần
i
: dương = thành phần nguyên tử của ZAID
i

âm = thành phần trọng lượng của ZAID
i

o Nếu bài toán không liên quan đến neutron, AAA có thể viết 000 và nnX bỏ
đi, MCNP không phân biệt giữa nguyên tố thiên nhiên và đồng vị, chỉ bị ảnh
hưởng bởi mật độ vật liệu.

Cú pháp : SPn option P
1
. . . . .P
k
SBn option B
1
. . . . .B
k

hoặc SPn f a b
SBn f a b
n : số phân bố (n = 999)
option = D cho phân bố H hoặc L trên SI card
C : số cell phân bố tích luỹ.
V : số cell phân bố tỉ lệ với thể tích.
P
1
. . . . .P
k :
xác suất giữa nhiều nguồn.
B
1
. . . . .B
k :
xác suất dịch chuyển giữa nhiều nguồn
f, a, b : các tham số.
- Thẻ phân bố nguồn phụ thuộc (DSn card)
Cú pháp: DSn option J
1
. . . . .J

hạt. Kết quả của phương pháp MCNP nhận được từ mẫu ngẫu nhiên trên đường đi
và định số x
i
. Giả sử hàm f(x) là hàm mật độ xác suất được chọn ngẫu nhiên, x là
biến ngẫu nhiên độc lập thì :





E x xf x dx


(1.1)
Giá trị trung bình của x được ước lượng là :

N
i
i 1
1
x x
N



(1.2)

17
Từ giá trị kỳ vọng E(x), phương sai được biểu diễn :


(1.4)
với:

N
2 2
i
i 1
1
x x
N



(1.5)
Độ lệch chuẩn trung bình
x
được cho bởi
x
S
với :

2
2
x
S
S
N
 (1.6)
và
x

1 x 1
R 1
N x N
x


 
 
 
 
 
   
 
 
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 


(1.8)
Đối với một kết quả tốt thì R tỉ lệ với
1
N

tỉ lệ với
1
N
, T tỉ lệ với N, do đó
FOM gần như không đổi. Như vậy một kết quả tốt nếu FOM gần như không đổi.
Để giảm sai số, các kỹ thuật giảm sai số MCNP
[5]
được áp dụng giúp cho kết
quả thu được tốt nhất. Có 4 phương pháp giảm sai số :
Phương pháp cắt cụt là phương pháp đơn giản nhất. Phương pháp này tăng tốc độ
tính toán bằng cách cắt cụt các phần của không gian pha mà không ảnh hưởng quan
trọng đến kết quả. Có 2 cách cắt cụt đặc trưng là cắt năng lượng và cắt thời gian.
Cắt năng lượng là bỏ đi các hạt có năng lượng ngoài vùng quan tâm để không bị
mất thời gian tính toán các hạt đó; cắt thời gian cũng như cắt năng lượng nhưng về
khía cạnh thời gian.
Phương pháp kiểm soát mật độ sử dụng kỹ thuật phân chia và con quay roulette
đối với năng lượng, không gian hình học, cắt trọng số và cửa sổ trọng số.
Phương pháp lấy mẫu là phương pháp có thay đổi cách lấy mẫu nhằm tăng độ
chính xác của kết quả. Một số cách lấy mẫu là phép biến đổi hàm mũ, hấp thụ
19
không tường minh, va chạm bắt buộc, thay đổi thông số nguồn, thay đổi quá trình
tạo photon từ neutron.
Phương pháp tất định từng phần là phương pháp phức tạp nhất : đầu dò điểm,
DXTRAN, kỹ thuật lấy mẫu tương quan.

1.1.4 Thư viện số liệu hạt nhân
Các bảng số liệu hạt nhân là những phần không thể thiếu được trong
chương trình MCNP. Có 9 loại số liệu hạt nhân được sử dụng trong MCNP là :
- Tương tác neutron có năng lượng liên tục.
- Tương tác neutron phản ứng rời rạc.

nó khác với mô mềm. Những năm tiếp theo, các nhà nghiên cứu đưa ra loại
phantom người trưởng thành, có 22 cơ quan bên trong và hơn 100 vùng phụ được
xác định, nhưng phổi và xương vẫn không được xác định. Đến năm 1969, Snyder đã
giới thiệu một phantom khác bao gồm 3 vùng khác nhau với xương, phổi và mô
mềm có những thành phần cấu tạo khác nhau. Phantom này là phantom toán học
không đồng nhất được nhiều người biết đến và có tên gọi là phantom MIRD-5
(Medical Internal Radiation Dose Pamphlet No-5). Một vài cải tiến được hợp nhất
lại trong phantom MIRD-5 : đỉnh đầu hình elip, những vùng chân được tách biệt ra,
bộ phận sinh dục nam, cấu trúc của bộ xương và bộ máy đường ruột. Năm 1980,
Crysty và Eckerman giới thiệu một chuỗi các phantom toán học cho các độ tuổi
khác nhau : trẻ sơ sinh, 1 tuổi, 5 tuổi, 10 tuổi, 15 tuổi và người trưởng thành dựa
vào số liệu trong tài liệu ICRP-23. Tất cả các phantom này đều là lưỡng tính.

1.2.2 Phantom MIRD-5
[8]

Phantom MIRD-5 gồm có 3 phần chính : phần đầu và cổ; thân và cánh tay;
cẳng chân và bàn chân. (Hình 1.1)

- Phần đầu và cổ được mô tả bằng một hình trụ elip được đội bởi một nửa
hình elipxoit.
- Phần thân và cánh tay được mô tả bằng một hình trụ elip.
- Phần cẳng chân và bàn chân được mô tả bằng hai hình nón tròn bị cắt cụt.
Gắn liền với cẳng chân là một mặt phẳng ở phía trước có chứa tinh hoàn.
21
Gắn liền với phần thân là hai hình elipxoit mô tả vú của phụ nữ.
Bề ngoài phantom người trưởng thành có cánh tay không tách rời khỏi thân, những
vật nhỏ được thêm vào như ngón tay, bàn chân, cằm, mũi bị bỏ qua.

Thành phần cơ bản của các mô trong phantom

0,301
0,003
0,004
7,995
9,708
2,712
66,811
0,314
0,143
3,712
0,314
0,140
0,148
7,995
0,008
10,134
10,238
2,866
75,752
0,184
0,007
0,080
0,225
0,266
0,194
0,009
0,037
Mật độ (g/cm
3
)

10,454
22,663
2,490
63,525
0
0,112
0,013
0,030
0,134
0,204
0,133
0,208
0,024
0,005
0,003
0,001
0
0,001
0
7,337
25,475
3,057
47,893
0,025
0,326
0,112
0,002
5,095
0,173
0,143

1,04 1,4 0,296

Số liệu trong bảng 1.4 đưa ra không khác nhiều so với thành phần mà Snyder và
cộng sự đưa ra
[16]
đối với phantom người trưởng thành. Mật độ của xương và mô
mềm có thay đổi nhỏ so với số liệu Snyder đưa ra. Mật độ xương được thay đổi từ
23
1,4846 g/cm
3
đến 1,4 g/cm
3
và từ 0,9869 g/cm
3
đến 1,04 g/cm
3
đối với mô mềm.
Mật độ của phổi thì không thay đổi nhưng được làm tròn bởi ba con số. Hệ thống bộ
xương mô tả toàn bộ xương trong cơ thể và tủy sống. Vật chất này được xem như là
phân bố đồng nhất trong bộ xương. Đối với phổi, thành phần hơi khác so với mô
mềm vì trong phổi không chứa chất béo (mỡ) và lượng máu cao hơn. Số liệu bảng
1.3 cho thấy có thể sử dụng thành phần cấu tạo của phổi người trưởng thành cho
việc tính sự vận chuyển bức xạ trong trẻ sơ sinh.
So sánh giữa bảng 1.3 và bảng 1.4 : thành phần cơ bản và trọng lượng riêng của trẻ
sơ sinh khác với người trưởng thành. Khác nhau nổi bật nhất là hàm lượng nước cao
hơn và hàm lượng chất khoáng trong xương thấp hơn. Trọng lượng riêng của trẻ sơ
sinh 1,02 g/cm
3
so với người trưởng thành là 1,07 g/cm
3

Mô tả cơ thể và cơ quan của phantom
Cơ thể của phantom được mô tả bởi các trục tọa độ OX, OY, OZ với O là gốc tọa
độ nằm ở tâm của phần thân phantom (hình 1.1) :
- Trục OX hướng về bên trái của phantom.
- Trục OY hướng ra sau phantom.
- Trục OZ hướng lên đỉnh đầu.

Các cơ quan gồm có (hình 1.2) :
Hệ thống bộ xương (xương chân, xương cánh tay, khung xương chậu, xương sống,
xương sọ, xương sườn, xương đòn, xương bả vai, tủy xương), tuyến thượng thận,
não, vú, túi mật, bộ máy dạ dày-ruột (thực quản, dạ dày, ruột non, ruột già trên, ruột
già dưới), tim, thận, gan, phổi, buồng trứng, tuyến tụy, lá lách, tinh hoàn, tuyến ức,
tuyến giáp, bàng quang, tử cung.
Tất cả các cơ quan trên cũng như đầu, cổ, thân, cánh tay, cẳng chân và bàn chân, bộ
phận sinh dục nam đều được định nghĩa hình học rõ ràng và có một thể tích xác
định ứng với từng độ tuổi của phantom.

y