BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÀNH PHẦN LIỀU
PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU BNCT TRÊN KÊNH NGANG
CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Mã số: 9.44.01.06

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội – 2020


Công trình được hoàn thành tại: Viện Nghiên cứu hạt nhân-Viện Năng lượng
nguyên tử Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Trịnh Thị Tú Anh

Phản biện 1: ...........................................................................................................
...............................................................................................................................
Phản biện 2: ...........................................................................................................
...............................................................................................................................
Phản biện 3: ...........................................................................................................
...............................................................................................................................


photon; (ii) tính toán mô phỏng và thực nghiệm xác định các đặc trưng phân bố thông lượng
nơtrôn trong mô hình phantom; (iii) tính toán các thành phần liều từ phản ứng bắt nơtrôn
trong BNCT trên cơ sở thông tin về phổ năng lượng nơtrôn; (iv) phát triển các kỹ thuật phân
tích để định lượng hàm lượng bor trong quá trình xạ trị.
Liều hấp thụ trong BNCT bao gồm 4 thành phần liều thường được quan tâm, đó là: (i)
liều bor; (ii) liều nơtrôn nhiệt; (iii) liều nơtrôn nhanh; và (iv) liều gamma. Tuy nhiên, chỉ có 2
thành phần liều đầu tiên có đóng góp chủ yếu và chỉ có thể được xác định gián tiếp thông qua
thông lượng nơtrôn và hàm lượng của các nguyên tố 10B. Trong đó, thông lượng nơtrôn nhiệt
thường được xác định bằng phương pháp kích hoạt đo gamma trễ (Neutron Activation
Analysis – NAA), và hàm lượng của 10B được xác định bằng phương pháp kích hoạt đo
gamma tức thời (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis – PGNAA).
Trong lịch sử, những nguồn nơtrôn tốt nhất có thông lượng cần thiết cho BNCT được
lấy ra từ LPƯ nghiên cứu bằng: (i) phương pháp dịch phổ, hoặc (ii) sử dụng phin lọc, phương
pháp này được sử dụng phổ biến để tạo ra chùm nơtrôn đơn năng không chỉ cho BNCT mà
còn cho nhiều mục đích nghiên cứu khác.
Việc cải tiến thiết kế các kênh ngang hoặc cột nhiệt của LPƯ nghiên cứu để tạo dòng
nơtrôn nhiệt cho nghiên cứu BNCT thường được tính toán và mô phỏng bằng một số chương
trình điển hình như: DORT, MacNCTPLAN, SERA, MCNP (Monte Carlo N – Particle), v.v...
Tuy nhiên, MCNP vẫn là chương trình được sử dụng phổ biến nhất. Tại Hàn Quốc, năm 1998
Byung-Jin và cộng sự đã sử dụng MCNP để thiết kế chùm nơtrôn nhiệt trên kênh ngang của
LPƯ HANARO có công suất 30 MW, với phin lọc Si và Bi. Thông lượng nơtrôn nhiệt và tỷ
số suất liều gamma trên thông lượng nơtrôn nhiệt tại vị trí chiếu mẫu tương ứng là
2,6×109 n.cm-2.s-1 và 1,2×10-13 Gy.cm2.n-1.
Ở Việt Nam, LPƯ Đà Lạt đã được khôi phục, nâng cấp, và đưa vào hoạt động chính
thức với công suất danh định 500 kW vào ngày 20/3/1984. Các dòng nơtrôn phin lọc từ kênh
ngang số 3 và số 4 đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1990 phục vụ các nghiên cứu cơ
bản và ứng dụng. Từ năm 2011, kênh ngang số 2 LPƯ Đà Lạt (Channel No.2 of Dalat Reactor
– CN2DR) được đưa vào sử dụng với một số dòng nơtrôn có chất lượng tốt như: dòng nơtrôn
thuần nhiệt và dòng nơtrôn đơn năng trên nhiệt 2 keV, đã được tạo ra bằng kỹ thuật phin lọc
với thông khoảng 1,5×106 n.cm-2.s-1. Các dòng nơtrôn này được sử dụng chủ yếu cho nghiên

dụng BNCT ở Việt Nam trong tương lai.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án là kết quả nghiên cứu cải tiến thiết kế chùm nơtrôn đã
chứng minh có khả năng tăng thông lượng nơtrôn tại vị trí thực nghiệm của kênh số 2 lên 12
lần, qua đó góp phần để tăng cường khai thác hiệu quả các kênh ngang của LPƯ Đà Lạt.
Ngoài ra, kết quả của luận án cũng đã góp phần quan trọng vào việc nâng cao năng lực nghiên
cứu mô phỏng và đo đạc thực nghiệm trong lĩnh vực vật lý nơtrôn và các ứng dụng liên quan
trên các chùm nơtrôn từ LPƯ. Kết quả của luận án cũng có ý nghĩa thực tiễn khi phục vụ cho
công tác đào tạo và phát triển nguồn nhân lực hạt nhân.
Cấu trúc của luận án
Cấu trúc của luận án gồm 3 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về phương pháp tính
liều hấp thụ trong BNCT, bao gồm: nguyên lý của BNCT, các thành phần liều sinh ra trong
BNCT, hệ số KERMA nơtrôn cho các nguyên tố trong mô, phương pháp kích hoạt sử dụng
phương pháp đo gamma trễ để xác định thông lượng nơtrôn nhiệt, và phantom dùng cho
BNCT. Chương 2 trình bày phần mô phỏng sự phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong
phantom nước sử dụng chương trình MCNP; thực nghiệm tại CN2DR, bao gồm: thiết kế
phantom nước, thiết lập hệ đo, xác định sự phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom
nước, xây dựng đường chuNn hàm lượng bor trong mẫu dung dịch, đo suất liều gamma trong
phantom nước bằng liều kế nhiệt phát quang (ThermoLuminescence Dosimeter – TLD), đánh
giá và thảo luận về số liệu giữa thực nghiệm và mô phỏng. Chương 3 trình bày kết quả mô
phỏng thiết kế một số cấu hình mới đối với dòng nơtrôn, từ đó đề xuất cấu hình tối ưu phục
vụ cho BNCT tại CN2DR.
Chương 1: TỔNG QUAN
Mục tiêu của chương này là trình bày về nguyên lý và các thành phần liều hấp thụ trong
BNCT, đánh giá và xác định được các thành phần liều có trọng số đóng góp chính trong liều
hấp thụ toàn phần cũng như phương pháp tính toán và xác định các thành phần liều có đóng
góp chủ yếu đó.
1.1. Nguyên lý của BNCT
Mục này trình bày nguyên lý của BNCT, hàm lượng và tiết diện phản ứng của các
nguyên tố trong mô với nơtrôn nhiệt. Hình 1.2 minh họa kỹ thuật BNCT sử dụng chùm nơtrôn
nhiệt để chữa trị u não.

trong đó, σ là tiết diện nơtrôn, 

khối lượng mô (tính cho 1 g mô), và E là năng lượng tỏa ra của phản ứng.
Bảng 1.3 liệt kê hệ số KERMA đối với nơtrôn nhiệt (KERMA nơtrôn) của các nguyên
tố có trong mô.
Bảng 1.3. Hệ số KERMA đối với nơtrôn nhiệt của các nguyên tố có trong mô
Hàm lượng
Hệ số KERMA
Tỷ lệ
TT
Nguyên tố
(%)
(Gy.cm2)
(%)
1
H
10,7
4,49E-15
2,49
2
3

C
N

14,5
2,2

3,49E-18
1,73E-13

B(n, α) 7 Li được thể hiện như sau:
3


10

B+1 n (0,025 eV) →11 B* 〈

4

He+ 7 Li + γ (0,478 MeV) + 2,31 (MeV)
4
He + 7 Li + 2,79 (MeV)

(94%)
(6%)

Liều bor được tính bởi công thức:
D B = 1,6 ×10 −13 × CB × σ B × Q × Φ th

(1.8)
Ở đây, các ký hiệu D, Cx , σx và Q được sử dụng như sau: D là liều hấp thụ, C là hàm lượng
của nguyên tố, x là ký hiệu của nguyên tố, σ là tiết diện phản ứng của nguyên tố đó với nơtrôn
nhiệt, Q là động năng của các hạt sản phNm mang điện (MeV), và Φth là dòng nơtrôn nhiệt
(n.cm-2).
Trong BNCT, khi tính liều người ta thường sử dụng khái niệm dòng nơtrôn nhiệt ( Φ th )
thay cho khái niệm thông lượng nơtrôn nhiệt ( φ th ). Mối liên hệ giữa hai đại lượng này được
tính như sau:
Φ th = φth × t
(1.9)

hồi xảy ra khi nơtrôn nhanh tương tác với hydro theo phản ứng 1 H(n, n ' )1 H , được tính bởi
công thức:
D f = 1,6 × 10−13 × CH × σsH × E f × Φ f × f
(1.13)
trong đó: σsH là tiết diện tán xạ đàn hồi giữa nơtrôn nhanh và hydro (cm2), Ef là năng lượng
giải phóng của phản ứng (MeV), Φ f là dòng nơtrôn nhanh (n.cm-2), và f = 0,5 là hệ số hấp thụ
trong mô đối với nơtrôn nhanh.
(iv) Liều gamma ( Dγ ): sinh ra do các tia gamma hình thành trong phản ứng
1

H(n, γ) 2 H và các tia gamma lẫn trong chùm nơtrôn tới (thông qua các tương tác của dòng

nơtrôn hoặc từ vùng hoạt của LPƯ). Liều gamma trong mô có kết quả chủ yếu khi hydro
trong mô hấp thụ các nơtrôn nhiệt theo phản ứng 1 H(n, γ)2 H , và được tính theo công thức:
(1.14)
Dγ (2,22) = 1,6 × 10−13 × CH × σ H × Eγ ( 2, 22) × Φ th × fγ ( 2, 22)
trong đó: fγ ( 2, 22) = 0,278 là hệ số hấp thụ toàn thân đối với tia gamma ở trên.
Kết hợp với hàm lượng của 1H, tiết diện phản ứng của 1H, và hệ số hấp thụ gamma
trong mô, phương trình (1.14) được viết lại như sau:
(1.15)
Dγ (2,22) = 1,0 × 10−14 × Φ th
-14
trong đó, giá trị 1,0×10 là hệ số KERMA của tia gamma năng lượng 2,22 MeV đối với thể
tích được chiếu xạ.
4


• Liều hấp thụ gây ra bởi tia gamma năng lượng 478 keV khi hạt nhân 7 Li * giải năng
lượng kích thích, được tính theo công thức:
Dγ (0,478) = 1,6 × 10−13 × CB × σ B × Eγ ( 0, 478) × Φ th × fγ ( 0, 478)

Si

Bi

MURR
HANARO

10
30

50
40

8
15

1.5.2. Phantom
Mục này trình bày về việc lựa chọn chất liệu làm phantom trong nghiên cứu BNCT. Hai
chất liệu thường được sử dụng để làm phantom là nước và polyethylene, vì mật độ của hai
chất liệu này gần tương tự như mô.
1.5.3. Xác định thông lượng nơtrôn nhiệt bằng kỹ thuật NAA
Mục này trình bày về cơ sở lý thuyết của phương pháp kích hoạt nơtrôn và công thức
tính thông lượng nơtrôn nhiệt bằng kỹ thuật NAA. Thông lượng nơtrôn nhiệt của lá dò đã
kích hoạt có thể được xác định theo phương trình:
C× f ×λ
(1.26)
φ=
ε × I × N × σ 0 × (1 − e − λt1 )× e − λt 2 × 1 − e − λt 3
Nguồn sai số chủ yếu khi tính thông lượng nơtrôn nhiệt gây ra bởi: số đếm đỉnh gamma
quan tâm (C) và hiệu suất ghi đỉnh gamma (ε). Vì vậy, sai số tương đối và sai số tuyệt đối của

Mục này trình bày tổng quan tài liệu về việc sử dụng liều kế TLD để xác định liều
gamma trong nghiên cứu BNCT. Trong đó, TLD-900 (CaSO4:Dy) sẽ là lựa chọn tốt vì liều kế
này có độ nhạy rất cao với gamma. Sai số của một số loại liều kế TLD được liệt kê trong
Bảng 1.10.
TT
1

Bảng 1.10. Sai số của một số loại liều kế TLD
Liều kế
Vật liệu
TLD-300
CaF2:Tm

Sai số (%)
30

TLD-600

6

LiF:Mg,Ti

5,1

3

TLD-700

7


> 0,5
0,2 – 0,5
0,1 – 0,2
< 0,1
< 0,05

Bảng 1.14. Ý nghĩa của giá trị sai số tương đối R trong MCNP
Ý nghĩa
Không có ý nghĩa
Có thể chấp nhận trong một vài trường hợp
Chưa tin cậy hoàn toàn
Tin cậy (ngoại trừ đối với detector điểm/vòng)
Tin cậy (đối với cả detector điểm/vòng)

Để theo dõi diễn biến của kết quả truy xuất, MCNP còn đưa ra tiêu chuNn FOM (Figure
Of Merit) sau mỗi lần truy xuất kết quả. Bên cạnh đó, để đánh giá độ chính xác của R, người
ta sử dụng đại lượng phương sai của phương sai (Variance Of Variance – VOV), giá trị của
VOV phải nhỏ hơn 0,1 đối với tất cả các loại Tally.
6


120

Thực nghiệm

100

Mô phỏng

80

xuất kỹ thuật lập kế hoạch điều trị dựa trên phương pháp Monte Carlo để tính toán sự phân bố
các thành phần liều trong BNCT. Một số kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm đối
với thông lượng nơtrôn trong phantom nước tại LPƯ HFR được thể hiện trong Hình 1.22.
120

Tại độ
sâu 7cm

100
80
60
40
20
0

-6

-4

-2

0

2

4

6

Khoảng cách theo bán kính (cm)

HANARO
30
2,6
1,54
TRIGA Mark II
0,1
1,5
1,7
-----------------

1.7. Dòng nơtrôn phin lọc tại CN2DR
1.7.1. Lò phản ứng Đà Lạt
Mục này trình bày việc sử dụng các kênh ngang và mô tả mặt cắt ngang của LPƯ Đà Lạt.
1.7.2. Dòng nơtrôn phin lọc tại CN2DR
Bằng việc sử dụng tổ hợp phin lọc đơn tinh thể 80cm Si và 4cm Bi, dòng nơtrôn thuần
nhiệt đã được tạo ra tại CN2DR, và các thông số vật lý của dòng nơtrôn này được liệt kê trong
Bảng 1.16.
Bảng 1.16. Các thông số vật lý của dòng nơtrôn nhiệt tại lối ra của CN2DR
φth (n.cm .s )

Tỷ số Cadmi
RCd(Au)

1,6×106

420

Thông lượng nơtrôn nhiệt
-2


2.1.1. Dòng nơtrôn phin lọc tại kênh số 2
Hệ dẫn dòng nơtrôn tại CN2DR theo thiết kế có dạng hình trụ có tổng chiều dài là 240,3
cm được chia làm hai phần: (i) phần dẫn dòng nơtrôn; và (ii) phần chuNn trực dòng nơtrôn.
Hình 2.3 thể hiện cấu trúc của hệ dẫn dòng nơtrôn tại CN2DR, có chuNn trực hình trụ
với tổ hợp phin lọc 20 cm Si và 3 cm Bi (gọi tắt là – cấu hình hiện tại).

Hình 2.3. Cấu trúc CN2DR với cấu hình hiện tại

Hình 2.4 thể hiện hình dạng phổ tại lối vào kênh số 2, phía gần với vùng hoạt LPƯ (sử
dụng số liệu trong Phụ lục 1).

-2 -1
Thônglượngnơtrôn(n.cm .s )

1E+11
1E+10
1E+09
1E+08
1E+07
1E+06
1E+05
1E+04
1E+03
1E+02
1E+01
1E+00
1E-09 1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00

Năng lượng (MeV)


Có thể dễ dàng nhận ra rằng, sau khi đi qua tổ hợp phin lọc đơn tinh thể 20 cm Si và 3
cm Bi, phổ nơtrôn nhiệt thu được có độ tinh khiết cao (En < 0,414 eV), và đạt giá trị cực đại
khoảng 2,5×107 n.cm-2.s-1. Tuy nhiên, giá trị cực đại này đã bị suy giảm khoảng 5×103 lần so
với giá trị cực đại tại lối vào của kênh, gần với vùng hoạt LPƯ (khoảng 1,4×1011 n.cm-2.s-1).
2.1.2. Phantom nước
Trong luận án, phantom nước (gọi tắt là phantom) hình hộp chữ nhật có kích thước dài
25 cm × rộng 16 cm × cao 16 cm (xem Hình 2.11) đã được thiết kế và chế tạo, vỏ của
phantom được làm từ các tấm thủy tinh hữu cơ có bề dày 2 mm. Hình 2.6 thể hiện hình ảnh
của phantom sử dụng tại CN2DR được mô phỏng bằng MCNP5.

Phantom nước
Cell tính thông lượng nơtrôn

Đường trung tâm
Cell tính suất liều gamma

Hình 2.6. Phantom sử dụng tại CN2DR được mô phỏng bằng MCNP5

Hình 2.8 thể hiện cấu trúc chi tiết CN2DR và vị trí phantom sử dụng trong mô phỏng
MCNP5.

Hình 2.8. Cấu trúc chi tiết CN2DR và vị trí phantom sử dụng trong mô phỏng MCNP5

2.1.3. Kết quả mô phỏng
Một phần kết quả mô phỏng phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom bằng
MCNP5, với cấu hình hiện tại của CN2DR được trình bày trong Bảng 2.1, trong đó x là chiều
rộng, y là chiều đứng và z là chiều dài của phantom (chiều sâu). Trong mô phỏng chọn trục
trung tâm nên tọa độ y luôn bằng 0 cm.
Bảng 2.1. Thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom được mô phỏng bằng MCNP5
với cấu hình hiện tại

2,79E+07

3

0

1

-----

-----

-----

TT

Pos.(cm)

φth (n.cm-2.s-1)

x

z

Mean

Err. (%)

91


3,21E+05

3,86

-----

-----

-----

-----

-----

-----

-----

9


Một số kết quả mô phỏng phân bố suất liều gamma trong phantom bằng MCNP5, với
cấu hình hiện tại của CN2DR được trình bày trong Bảng 2.2, với tọa độ y luôn bằng 0 cm.
Bảng 2.2. Suất liều gamma trong phantom được mô phỏng bằng MCNP5 với cấu
hình hiện tại
Tọa độ (cm)
Sai số
Suất liều
Trường hợp
TT

----7,00
5,93
-----

Có phantom
Như trên
----Không có phantom
Như trên
-----

2.1.4. Đánh giá sai số mô phỏng
Các thông số để đánh giá cho quá trình mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều
gamma trong phantom được trình bày tương ứng trong Bảng 2.3 và Bảng 2.4.
Bảng 2.3. Kết quả đánh giá các thông số mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt trong
phantom với cấu hình hiện tại
TT

Tọa độ x
(cm)

1
2

0
0,5

3
-----

1

0,0001
-----

Bảng 2.4. Kết quả đánh giá các thông số mô phỏng suất liều gamma trong phantom
với cấu hình hiện tại
Tọa độ
(cm)

TT
1

x

z

0

≠0

Số hạt gieo

R

FOM

VOV

1×109

0,0399


0,15

0,0004

Trường hợp
Có phantom
Không có
phantom

Sử dụng các giá trị đã trình bày trong các Bảng 2.3 và 2.4 để so sánh với các thông số
yêu cầu trong Bảng 1.14, có thể khẳng định rằng việc lựa chọn số hạt gieo (NOH) cho các
trường hợp trên thỏa mãn yêu cầu bắt buộc của chương trình MCNP5. Điều đó có nghĩa rằng,
số liệu của kết quả mô phỏng là đáng tin cậy.
Để kiểm chứng số liệu đã mô phỏng ở trên, các phép đo thực nghiệm tại CN2DR đã
được tiến hành, để so sánh và đánh giá kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng.
2.2. Thực nghiệm trên cấu hình hiện tại để nghiên cứu BNCT tại LPƯ Đà Lạt
Để có cơ sở thay đổi và đề xuất cấu hình mới phục vụ nghiên cứu BNCT tại CN2DR,
các thực nghiệm với cấu hình hiện tại đã được thực hiện (đã giới thiệu và mô phỏng trong
mục 2.1).
Các bước thiết lập thực nghiệm bao gồm: hiệu chuNn detector, chuNn bị phantom nước
và các lá dò kích hoạt, chiếu – đo – xử lý phổ từ các lá dò kích hoạt đã được chiếu với dòng
nơtrôn nhiệt tại CN2DR.
10


2.2.1. Hiệu chu n detector
Trong luận án này, hệ phổ kế gamma sử dụng detector germanium siêu tinh khiết
(model: GR7023) của hãng Canberra (Hình 2.9) đã được sử dụng, và có các thông số được
liệt kê trong Bảng 2.5.

0.0
-0.1
-0.2
-0.3
1.8

y = 1.7003x5 - 23.1623x4+ 125.5631x3
- 338.6775x2 + 453.9850x - 241.1282

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

Log(Năng lượngkeV)

Hình 2.10. Đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối các tia gamma của detector HPGe cho các
mẫu chuNn tại vị trí 5 cm cách mặt detector

Dựa vào số liệu liên hệ giữa hiệu suất ghi tuyệt đối của detector và năng lượng tia
gamma, thực hiện ngoại suy hiệu suất ghi của detector cho tia gamma có năng lượng 1434

kích hoạt
52

V

Chu kỳ bán hủy
(phút)

Năng lượng γ
(keV)

Cường độ phát
(%)

3,75

1434,08

100

(iii) Chiếu lá dò: Cấu hình của các mẫu chiếu xạ với chùm nơtrôn nhiệt tại CN2DR
với cấu hình hiện tại được chỉ ra trong Hình 2.13.

Hình 2.13. Thiết lập thực nghiệm đo thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom tại CN2DR

Các thông số kích hoạt của lá dò được liệt kê trong Bảng 2.9.
Bảng 2.9. Các thông số chiếu và đo cho lá dò 51V bằng phương pháp kích hoạt
Hạt nhân;
Khối lượng (g)
51

CN2DR
TT

Tọa độ (cm)

Diện tích đỉnh

Thông lượng nơtrôn nhiệt

x

z

(số đếm)

Sai số (%)

(n.cm-2.s-1)

Sai số (%)

1

0

1

832760

0,55


-----

2.2.3. Xây dựng đường chu n hàm lượng bor bằng PGNAA tại CN2DR
Trong luận án này, để xây dựng đường chuNn hàm lượng bor của hệ PGNAA tại
CN2DR, thực nghiệm được tiến hành trên dòng nơtrôn nhiệt với cấu hình hiện tại. Thông
lượng nơtrôn nhiệt tại vị trí chiếu mẫu là 2,0×107 n.cm-2.s-1.
Mẫu sử dụng là dung dịch bor có các hàm lượng khác nhau, được pha từ dung dịch bor
chuNn H3BO3 có hàm lượng ban đầu là 1000 mg/l ± 2 mg/l (của hãng Sigma-Aldrich). Công
thức pha loãng dung dịch được tính như sau:
C1 × V1 = C 2 × V2

(2.1)

ở đây, C1 (C2); V1 (V2) là hàm lượng và thể tích ban đầu (sau) của dung dịch.
Mẫu được đựng trong các lọ polyethylen chuyên dụng có thể tích từ 0,65 ml đến 2,0 ml,
được đặt một góc 450 so với dòng nơtrôn nhiệt, với thời gian chiếu (cũng là thời gian đo) từ
khoảng 1200 s đến 82000 s. Tia gamma tức thời 478 keV của 10B phát ra từ mẫu sẽ được ghi
nhận bởi một hệ phổ kế gamma đã sử dụng trong Hình 2.9. Kết quả của các phép đo này được
trình bày trong Bảng 2.11.

Hàm
lượng
(ppm)
10
25
100
-----

Bảng 2.11. Kết quả xác định tốc độ đếm tia gamma tức thời 478 keV của hệ

1,43
2,20
0,022
-----------------------------

Từ số liệu được trình bày của cột đầu tiên và cột cuối cùng trong Bảng 2.11 cho thấy
rằng, với dung dịch H3BO3 có hàm lượng bor khác nhau từ 10 ppm đến 500 ppm nhưng tỷ số
cps/ppm/ml gần như là hằng số. Điều đó chứng tỏ, việc pha loãng dung dịch là hợp lý, thiết bị
đo là ổn định, trong đó giới hạn phát hiện của hệ đạt được là 1,1 ppm đối với thể tích mẫu là
0,65 ml và 0,1 ppm đối với thể tích mẫu là 2 ml.
2.2.4. Đo suất liều gamma trong phantom bằng liều kế TLD
Trong luận án, các TLD-900 được sử dụng để đo liều tại vị trí trước và trong phantom,
mỗi liều kế được sử dụng với thời gian chiếu (cũng là thời gian đo) từ 1-4 giờ. Các TLD sau
khi chiếu, được gửi đến Trung tâm An toàn bức xạ, Viện Nghiên cứu hạt nhân để đọc kết quả
13


bằng máy Rexon. Kết quả của các phép đo này được thể hiện trong Bảng 2.12, với tọa độ y
luôn bằng 0 cm.
Bảng 2.12. Kết quả đo suất liều gamma trong phantom bằng liều kế TLD-900
x

z

Thời
gian
đo (h)

M1


M3

0

4

2

3,61

1,80E-03

6

-----

-----

-----

-----

-----

-----

-----

-----


3.1. Đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm với cấu hình hiện tại trên CN2DR

Thông lượng nơtrôn nhiệt (n.cm-2.s-1)

3.1.1. Đối với thông lượng nơtrôn
Hình 3.1 là kết quả so sánh thông lượng nơtrôn nhiệt dọc theo trục trung tâm (theo độ
sâu) của phantom giữa mô phỏng bằng MCNP và đo thực nghiệm bằng kỹ thuật kích hoạt lá
dò (Số liệu này được trích ra từ các Bảng 2.1 và 2.10).
3.0E+07
MCNP5
Thực nghiệm
Đường khớp dữ liệu MCNP5

2.5E+07
2.0E+07
1.5E+07
1.0E+07
5.0E+06
R2 = 0,998
0

2

4

6

8

10


R2 = 0,983
-6

-4

-2

0

2

4

6

Theo chiều bán kính của dòng nơtrôn (cm)

Hình 3.2. Kết quả phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt theo chiều bán kính của dòng nơtrôn
bằng thực nghiệm và mô phỏng

Kết quả thể hiện trong Hình 3.2 cho thấy rằng, dòng nơtrôn nhiệt tại vị trí z = 1 cm
trong phantom của CN2DR có độ đối xứng tốt về phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt.
Để đánh giá sự ảnh hưởng của phantom đến độ lớn của thông lượng nơtrôn nhiệt tại lối
vào phantom (có tọa độ x = y = z = 0 cm), việc mô phỏng và tính thông lượng nơtrôn nhiệt tại
lối vào phantom trong trường hợp có và không có phantom đã được thực hiện. Kết quả của
công việc này được trình bày trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Thông lượng nơtrôn nhiệt tại lối vào phantom trong trường hợp có và
không có phantom, bằng MCNP
Phantom


1,88

133,62

71,01

Từ dữ liệu thể hiện trong Bảng 3.3 có thể thấy rằng, khi có phantom thì thông lượng
nơtrôn nhiệt tại vị trí lối vào phantom sẽ tăng lên khoảng 1,9 lần và suất liều gamma tăng lên
khoảng 134 lần. Sự tăng lên của thông lượng nơtrôn nhiệt được giải thích là do phần đóng góp
của nơtrôn tới khi tương tác tán xạ với hydro ở bề mặt trong phantom; và sự tăng lên của suất
liều gamma là do phần đóng góp của tia gamma có năng lượng 2,22 MeV sinh ra do tương tác
của nơtrôn nhiệt với hydro trong phantom.
3.1.2. Đối với suất liều gamma
Kết quả so sánh suất liều gamma dọc theo trục trung tâm của phantom giữa MCNP và
thực nghiệm, được thể hiện trong Hình 3.3 (Số liệu này được trích ra từ các Bảng 2.2 và
2.12).
15


8.00E-03

MCNP5
TLD
Đường khớp dữ liệu MCNP5

Suất liều gamma (Gy.h-1)

7.00E-03
6.00E-03

Kết quả so sánh suất liều gamma theo chiều bán kính chùm nơtrôn, tại vị trí z = 3 cm
trong phantom giữa MCNP và thực nghiệm, được thể hiện trong Hình 3.4 (Số liệu này được
trích ra từ các Bảng 2.2 và 2.12).
2.00E-03 Tại z = 3 cm trong phantom

MCNP5
TLD
Đường khớp dữ liệu MCNP5

-1

Suất liều gamma (Gy.h )

1.75E-03
1.50E-03
1.25E-03
1.00E-03
7.50E-04
5.00E-04
R2 = 0,997

2.50E-04
-8

-6

-4

-2


nhiệt trong phantom. Để kiểm chứng nhận xét trên, số liệu mô phỏng suất liều gamma dọc
theo trục trong phantom khi có và không có phantom đã được so sánh.
Kết quả so sánh suất liều gamma dọc theo trục của phantom khi có và không có
phantom được thể hiện trong Hình 3.5.
6.0E-03

Có phantom
Không có phantom

Suất liều gamma (Gy.h-1)

5.0E-03
4.0E-03
3.0E-03
2.0E-03
1.0E-03
0.0E+00
0

5

10

15

20

25

Độ sâu trong phantom (cm)

1.00E-05

0.00E+00
0

2

4

6

8

10

Độ sâu trong phantom (cm)

Hình 3.6. Phân bố liều hấp thụ dọc theo trục trung tâm trong phantom tại CN2DR
17


Như đã thể hiện trong Hình 3.1, khi tăng độ sâu trong phantom thì thông lượng nơtrôn
nhiệt giảm do sự hấp thụ trong quá trình khuếch tán trong môi trường nước thông qua tương
tác tán xạ đàn hồi và phản ứng bắt (n,γ) với hạt nhân hydro của nước trong phantom. Do vậy,
các liều thành phần cũng như liều hấp thụ toàn phần cũng bị suy giảm tỷ lệ với sự suy giảm
của thông lượng nơtrôn nhiệt theo độ sâu trong phantom.
Phân bố 2 chiều của thông lượng nơtrôn nhiệt đo thực nghiệm trong phantom, được thể
hiện trong Hình 3.7.
Thông lượng nơtrôn nhiệt
(n.cm-2.s-1)


5.33E+06

1.598E+071.331E+07

2.66E+06
0.00

0

1

2

3

4

5

Theo chiều bán kính của dòng nơtrôn (cm)

Hình 3.7. Phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt 2 chiều trong phantom

Từ Hình 3.7 có thể thấy rằng, thông lượng nơtrôn nhiệt phân bố trong phantom có dạng
đám mây elipsoid có lõi thông lượng nơtrôn cao nhất với bán trục dài khoảng 2 cm và bán
trục ngắn khoảng 1cm.
3.3. Kết quả xây dựng đường chu5n hàm lượng bor bằng PGNAA tại CN2DR
Hình 3.8 thể hiện kết quả đường chuNn hàm lượng bor được xác định tại CN2DR (Số
liệu được lấy từ kết quả Bảng 2.11).

BNCT trên thế giới, hàm lượng bor trong khối u nằm trong dải từ 30 đến 100 ppm và trong
mô bình thường lúc ấy nhỏ hơn trong khối u khoảng 3 lần, tức là từ 10 đến 33 ppm. Từ kết
quả trên, có thể khẳng định rằng, hệ PGNAA tại CN2DR hoàn toàn sử dụng được trong quá
trình kiểm soát hàm lượng bor khi nghiên cứu BNCT.
18


3.4. Thiết kế cấu hình mới tại CN2DR
3.4.1. Kết quả mô phỏng khi thay đổi hình dạng ống chu n trực
Trong thiết kế, chế tạo và đo thực nghiệm trên dòng nơtrôn phin lọc tại CN2DR, khi
thay đổi hình dạng của ống chuNn trực thì thông lượng nơtrôn tại lối ra của kênh cũng thay
đổi. Cụ thể là, khi dùng ống chuNn trực hình nón sẽ tốt hơn ống chuNn trực hình trụ. Trên cơ
sở đó, việc mô phỏng thay đổi ống chuNn trực hình trụ (Hình 2.2) thành ống chuNn trực hình
nón đã được tiến hành. Bản vẽ thiết kế cấu hình CN2DR với ống chuNn trực hình nón được
trình bày trong Hình 3.9.

Hình 3.9. Bản vẽ thiết kế ống chuNn trực hình nón của CN2DR

Việc mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma tại lối vào phantom đã
được thực hiện với cấu hình tổ hợp phin lọc 20 cm Si + 3 cm Bi và chuNn trực hình nón (cấu
hình mới) như Hình 3.9. Kết quả mô phỏng được liệt kê trong Bảng 3.8.
Bảng 3.8. Thông lượng nơtrôn tại lối vào phantom với ống chuNn trực hình trụ và
ống chuNn trực hình nón

Ống chuNn trực

•

φ th
(n.cm2.s-1)

1,25

Dựa vào số liệu trong Bảng 3.8 có thể nhận xét rằng, khi thay đổi cấu hình ống chuNn
trực hình trụ sang cấu hình ống chuNn trực hình nón toàn phần với tổ hợp phin lọc 20 cm Si +
3 cm Bi thì thông lượng nơtrôn nhiệt tăng lên khoảng 5,5 lần và suất liều gamma tăng lên
khoảng 6,8 lần. Phần tăng lên của thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma ở trên có thể
được giải thích là do góc khối của lối vào phantom đến trường nơtrôn trong vùng hoạt của
LPƯ đã tăng lên.
3.4.2. Tối ưu hóa chiều dài ống chu n trực
Để khảo sát chiều dài tối ưu của ống chuNn trực, công việc mô phỏng ống chuNn trực
hình nón không có phin lọc, ứng với các chiều dài (L): 40, 90, 140 và 240 cm đã được tiến
hành. Thông số của ống chuNn trực được liệt kê trong Bảng 3.9.
Bảng 3.9. Các thông số của ống chuNn trực sử dụng trong mô phỏng MCNP
L (cm)
240
140
90
40

D5 (cm)
14,6
19,4
19,4
19,4

D4 (cm)
5,3
7,8
9,4
12,7

240
140
90
40

4,81E+08
5,03E+08
5,31E+08
5,45E+08

•

Dγ

Dγ / φth

(Gy.h-1)
0,0661
0,0992
0,13
0,153

(Gy.cm2.n-1)
3,82E-14
5,48E-14
6,8E-14
7,8E-14

Kết quả trong Bảng 3.10 cho thấy rằng, khi giảm chiều dài của ống chuNn trực thì thông
lượng nơtrôn tăng lên. Tuy nhiên, sự tăng của thông lượng nơtrôn chậm hơn sự tăng của suất

(n.cm2.s-1)
Si
Bi
(Gy.h-1)
(Gy.cm2.n-1)
(Gy.cm2.n-1)*
5
1
3,92E+08
1,13E-01
8,01E-14
2,04E-13
10
1
3,44E+08
1,02E-01
8,24E-14
2,39E-13
15
1
3,01E+08
9,01E-02
8,31E-14
2,76E-13
20
1
2,64E+08
7,98E-02
8,4E-14
3,18E-13

1E+04
1E+03
1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

Năng lượng (MeV)

Hình 3.11. Phổ nơtrôn tại lối vào phantom của các cấu hình mới và cấu hình hiện tại, mô
phỏng bằng MCNP5 cho CN2DR

Từ Hình 3.11 dễ dàng nhận ra rằng, sau khi đi qua tổ hợp phin lọc đơn tinh thể Si và Bi,
phổ nơtrôn thu được chủ yếu là các nơtrôn nhiệt. Trong đó, thông lượng nơtrôn nhiệt tạo ra
bởi cấu hình mới tăng lên hơn 12 lần so với cấu hình hiện tại (Tuy nhiên thành phần nơtrôn
trên nhiệt, nơtrôn nhanh và suất liều gamma cũng tăng lên).
3.4.4. Đề xuất cấu hình mới cho CN2DR
Từ những kết quả mô phỏng và bình luận ở trên, cấu hình mới phục vụ cho nghiên cứu
BNCT tại CN2DR được NCS đề xuất. Bản vẽ thiết kế tổng quát của cấu hình mới được trình
bày trong Hình 3.12.

Hình 3.12. Bản vẽ thiết kế tổng quát của cấu hình mới phục vụ
nghiên cứu BNCT tại CN2DR

Cấu hình mới này có chiều dài ống dẫn dòng (đồng thời cũng là ống chuNn trực nơtrôn)
là 240 cm, với đường kính tiếp xúc với vành phản xạ của LPƯ là 15,2 cm và đường kính phía
phantom là 5,3 cm.


4,23E+08

2,77E+08

1,18E+08

0,4

4,97E+08

4,82E+08

4,16E+08

2,77E+08

1,28E+08

0,9

4,28E+08

4,10E+08

3,51E+08

2,36E+08

1,25E+08

Bảng 3.13. Kết quả đánh giá các thông số mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt
trong phantom với cấu hình mới
Tọa độ x
R
FOM
VOV
Số hạt gieo
(cm)

1
2

0
1

3
-----

2
-----

5×108
8

5×10
5×108
-----

0,0013
0,0013


5.0E+08
4.5E+08
4.0E+08
3.5E+08
3.0E+08
2.5E+08
2.0E+08
1.5E+08
1.0E+08
5.0E+07
0.0E+00
0

5

10

15

20

Ðộ sâu trong phantom (cm)

Hình 3.14. Thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom của cấu hình mới và cấu hình hiện
tại, mô phỏng bằng MCNP

Như vậy, bằng cách thay đổi cấu hình ống chuNn trực và chiều dài tổ hợp phin lọc cho
dòng nơtrôn tại CN2DR, kết quả cho thấy rằng, thông lượng nơtrôn nhiệt đã được tăng lên
khoảng 12 lần (từ 3,18×107 lên 3,92×108 n.cm-2.s-1).

10

0,96

3,99

HANARO

30

2,6

1,2

LPƯ Đà Lạt

0,5

0,39

2,04

Dγ / φth

Như vậy có thể khẳng định rằng, cấu hình thiết kế đã đề xuất trong luận án là phù hợp
cho nghiên cứu BNCT, đáp ứng được mục tiêu đã đề ra là thông lượng nơtrôn nhiệt > 1×108
n.cm-2.s-1 và tỷ số suất liều gamma trên thông lượng nơtrôn nhiệt < 3 ×10-13 Gy.cm2.n-1.
3.5. Tóm tắt chương 3
Như đã trình bày ở trên, từ kết quả so sánh sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm
đối với sự phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma trong phantom của cấu hình