Hệ chụp ảnh muon – công nghệ cách mạng trong soi chiếu hải quan và một số ứng dụng khác
25/09/2020
Hệ chụp ảnh muon – công nghệ cách mạng trong soi chiếu hải quan
và một số ứng dụng khác
Công nghệ hạt nhân được sử dụng ở nhiều nước trong kiểm soát hàng hóa xuất nhập khẩu và kiểm tra an ninh nguồn phóng xạ tại các cửa khẩu. Có hai chủng loại thiết bị đã được sử dụng: thiết bị soi chiếu bức xạ (sử dụng bức xạ gamma, tia X và notron) và thiết bi kiểm tra phóng xạ (đo bức xạ gamma, notron, beta, alpha). Các hệ thiết bị này đã được sử dụng rất hiệu quả trên thế giới trong kiểm soát hàng hóa và kiểm tra vật liệu/nguồn phóng xạ tại các cửa khẩu. Tuy nhiên, các hệ thiết bị này cũng còn có những hạn chế do bản chất vật lý của công nghệ không thể khắc phục được. Chính các hạn chế này đã thúc đẩy hướng nghiên cứu mang tính cách mạng để tạo ra hệ thiết bị mới được gọi là Hệ thiết bị ghi đo thụ động đa chức năng (MMPDS) dựa trên phương pháp chụp ảnh muon.
1. Hạn chế của công nghệ kiểm tra hàng hóa sử dụng chùm bức xạ
Khả năng xuyên sâu thấp (15-18 cm đối với nguồn Co-60), 30-40 cm đối với tia X năng lượng 5-10 MeV); nguy hiểm về mất an toàn cho người sử dụng; khi vận hành hệ thiết bị soi chiếu thì không được phép có nhân viên điều khiển xe container ở khu vực soi chiếu; lo ngại về mất an ninh nguồn phóng xạ; có những loại hàng hóa không cho phép chiếu xạ như động vật, thực vật, lương thực, thực phẩm, thuốc,…; không kiểm soát được nguồn phóng xạ trong hàng hóa vì thiết bị soi chiếu cũng sử dụng nguồn bức xạ; nếu sử dụng thiết bị soi chiếu bức xạ phát hiện vật liệu nặng như chì, uran,… che chắn cho nguồn phóng xạ thì việc xử lý để đưa ra kết luận về có nguồn phóng xạ hay không phải mất thời gian mở container sẽ không phù hợp khi số lượng hàng hóa cần kiểm tra rất nhiều.
2. Hạn chế của công nghệ kiểm tra phóng xạ trong hàng hóa xuất nhập khẩu
- Chủ yếu là đo gamma và notron. Các loại chất phóng xạ phát alpha và bêta là không đo được. Muốn đo vẫn phải tháo dỡ hàng hóa và sử dụng các thiết bị đo cầm tay, tốn nhiều thời gian.
- Do tính chất của bức xạ nên nếu đối tượng khủng bố cố tình che dấu các loại chất, vật liệu phóng xạ bằng cách đựng trong các bình chứa phù hợp thì cũng không thể ghi nhận được.
Như vậy, công nghệ kiểm tra phóng xạ trong hàng hóa xuất nhập khẩu vẫn không bảo đảm kiểm soát được hoàn toàn các nguồn, vật liệu phóng xạ trong các container hàng hóa xuất nhập khẩu nếu không tháo dỡ hàng hóa.
3. Lý do ra đời hệ thống chụp ảnh muon
- Sau sự kiện khủng bố 11/9/2001, tháng 7/2007 cơ quan lập pháp Hoa Kỳ đã thông qua dự luật yêu cầu 100% các container nhập khẩu vào Hoa Kỳ phải chịu sự kiểm tra nguồn/vật liệu phóng xạ bắt đầu từ năm 2012. Sau đó do các khó khăn trong thực thi nên đã gia hạn thêm 2 năm, tức là từ năm 2014.
- Các hệ soi chiếu hàng hóa và kiểm tra nguồn phóng xạ truyền thống nêu trên có những hạn chế hoặc là không thể kiểm tra được các nguồn, vật liệu phóng xạ bị che dấu bằng vật liệu thích hợp hoặc nếu phát hiện được các vật liệu che chắn đặc biệt từ việc soi chiếu bằng tia X thì để tìm ra vật liệu phóng xạ phải mất rất nhiều thời gian không phù hợp cho yêu cầu 100% các container phải đươc kiểm tra theo luật định.
- Số lượng container nhập khẩu vào Hoa Kỳ hàng năm rất lớn: 11 triệu container ở các cảng biển và cảng hàng không, 11 triệu nữa ở các xe vận tải và 2,7 triệu ở phương tiện vận chuyển đường sắt. Nếu không có các công nghệ kiểm tra mới thì không thể nào thực hiện được quy định của Đạo luật 11/9.
- Năm 2005 phòng thì nghiệm quốc gia Los Alamos thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã phát minh ra hệ thống ghi đo thụ động đa chức năng sử dụng phương pháp chụp ảnh muon với mục tiêu ghi nhận tự động các vật liệu phóng xạ không được che chắn cũng như được che chắn trong các container hàng hóa.
- Năm 2006 Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã chuyển giao phát minh này cho Công ty Dicision Scinces để thương mại hóa kết quả nghiên cứu. Công ty Dicision Sciences tiếp tục phát triển dựa trên công nghệ nguồn của Los Alamos trong 10 năm để cải tiến khả năng nhận diện tự động các vật liệu phóng xạ, các loại thuốc nổ, ma túy và các chủng loại vật liệu đặc biệt khác trong container hàng hóa có yêu cầu cần kiểm tra. Năm 2013 hệ thống ghi đo thụ động đa chức năng (MMPDS) đã được Tạp chí R&D của Hoa Kỳ trao giải thưởng là 1 trong 100 công trình R&D suất sắc nhất của Hoa Kỳ. Tháng 9/2012 Chính phủ Hoa Kỳ đã tài trợ 2,7 triệu USD cho việc triển khai đánh giá tính hiệu quả và sẵn sàng chuyển giao cho sản xuất hàng loạt hệ thiết bị này. Trước đó, Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ cũng đã tài trợ cho dự án 400.000 USD để phục vụ kiểm tra khả năng của hệ thống thiết bị này đối với mục tiêu ghi nhận các loại thuốc nổ.
4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ghi đo thụ động đa chức năng
- Hệ thống ghi đo bức xạ thụ động đa chức năng sử dụng công nghệ chụp ảnh muon – một loại bức xạ phông tự nhiên có nguồn gốc từ tia vũ trụ. Tia vũ trụ năng lượng cao tương tác với lớp khí quyển bên trên Trái đất tạo ra mưa rào các hạt Pion. Các hạt Pion này phân rã ngay tức thì tạo thành chùm bức xạ Muon với năng lượng cao và có thông lượng không đổi (khoảng 200 hạt/cm2/s) chiếu lên các vật thể trên Trái đất. Tính chất của Muon giống với electron, nhưng có khối lượng lớn hơn rất nhiều. Do có năng lương cao nên Muon có khả năng xuyên sâu rất lớn qua các loại vật chất mà nó đi qua. Muon giải phóng năng lượng khi tương tác với vật chất qua cơ chế ion hóa. Các ion điện tích được tạo thành trên đường đi của nó có thể dễ dàng ghi được bằng detector nhấp nháy hoặc buồng ion hóa. Do quỹ đạo góc của hạt Muon thay đổi như là một hàm của mật độ và số nguyên tử của vật liệu mà nó đi qua, nên người ta đã sử dụng tính chất này để xác định được vật liệu mà muon tương tác với các tín hiệu giả gần như bằng zero.
- Chụp ảnh muon đòi hỏi phải có ít nhất 2 lớp detector ở phía trên và phía dưới của đối tượng cần kiểm tra. Khi Muon đi qua lớp detector bên trên người ta sẽ tính được quỹ đạo của nó (quỹ đạo tới). Khi Muon đi qua lớp detector bên dưới người ta sẽ tính được quỹ đạo của nó khi đi ra khỏi lớp vật chất (quỹ đạo ra). Từ đó sẽ tính được góc tán xạ trên vật liệu và xác định được loại vật liệu. Mật độ vật chất càng lớn thì góc tán xạ của Muon sẽ càng lớn. Để có độ phân giải cao hơn thì người ta sử dụng 3 hay 4 lớp detector.
- Các vật thể nhỏ có thể được tái tạo hình ảnh chụp muon bằng cách khôi phục lại các quỹ đạo muon trước và sau khi tương tác với vật thể. Đối với vật thể lớn có thể biểu diễn hình ảnh 2D bằng cách so sánh thông lượng với các phép đo kiểm tra. Ngoài ra, cũng có thể có hình ảnh 3D bằng cách quay vật thể hay detector xung quanh nó.
5. Những ưu việt của hệ thống chụp ảnh muon
- Hệ thống chụp ảnh muon có thể kiểm tra tất cả các loại xe, toa tàu hỏa và các loại container tàu biển và hàng không với thời gian kiểm tra trung bình 45 giây cho các loại container đặc trưng kích thước 40’.
- Có khả năng ghi nhận, phân biệt và định vị trong không gian 3D các loại vật liệu phóng xạ và hạt nhân không che chắn cũng như được che chắn bằng vật liệu nặng. Với một số thay đổi bổ sung hệ chụp ảnh muon, chủ yếu phần mềm, có thể ghi nhận được thuốc nổ và các loại hàng hóa buôn lậu khác theo yêu cầu. Đây có thể xem là một hệ mở được phát triển theo yêu cầu của người sử dụng.
- Hệ chụp ảnh muon không sử dụng bức xạ ion hóa, hoàn toàn an toàn cho con người, động vật, thực vật và lương thực, thực phẩm. Không cần thiết phải thiết lập vùng an toàn như hệ soi chiếu chủ động dùng nguồn bức xạ.
- Hệ chụp ảnh muon hoàn toàn tự động, kiểm tra nhanh chóng, chỉ cần 1 phép kiểm tra nên không làm ảnh hưởng đến hoạt động thương mại như các công nghệ truyền thống. Tín hiệu giả hầu như bằng không.
- Có khả năng kết hợp thiết bị chụp ảnh muon và thiết bị ghi bức xạ gamma độ nhạy cao vào trong hệ chụp ảnh muon để cải tiến khả năng của thiết bị: ghi bức xạ gamma, ghi nhân hạt nhân có Z lớn (vật liệu phóng xạ và vật liệu che chắn), ghi nhận dị thường, nhận diện vật liệu, ghi nhận chỗ trống và biểu diễn hình ảnh 3D.
- Độ xâm nhập cao của muon đến 2000 mm thép sẽ khắc phục các hạn chế của công nghệ truyền thống dùng bức xạ nhân tạo.
- Chi phí đầu tư cho hệ thiết bị chụp ảnh muon rẻ hơn khoảng 25% so với các hệ thống soi chiếu container chủ động sử dụng nguồn bức xạ. Chi phí vận hành và bảo dưỡng cũng thấp hơn so với hệ thống chủ động do hệ thống thụ động đơn giản, thân thiện môi trường và năng lượng tiêu thụ rất thấp.
- Hệ chụp ảnh muon tích hợp nhiều công nghệ bao gồm phần cứng của các đầu đo đặc thù, các hệ điện tử, thuật toán và phần mềm. Việc tích hợp các công nghệ này mà mỗi loại sẽ có vai trò riêng trong hệ chụp ảnh muon sẽ hoàn toàn giải quyết được các nhu cầu toàn cầu về việc kiểm tra container và các ứng dụng khác. Công ty Dicision Sciences không thực hiện phát triển tất cả các công nghệ thành phần, nhưng họ tích hợp tất cả các công nghệ trong một sản phẩm thương mai. Điều này gợi ý cho các nghiên cứu phát triển của các nước đi sau như Việt Nam trong việc tham gia phát triển hệ chụp ảnh muon trong tương lai theo nhu cầu của mình. Theo yêu cầu của Hải quan, thiết bị có thể được cải tiến đế phát hiện các loại hình hàng hóa sau trong container:
6. Một số ứng dụng khác
a. Khoa học địa chất
Áp dụng đặc trưng nhất của chụp ảnh muon là xem xét cấu trúc bên trong của núi lửa đã được ứng dụng tại Pháp, Italy và Nhật Bản. Sử dụng kỹ thuật này có thể tiến đoán được sự phun của núi nửa để có sự chuẩn bị trước và giảm thiểu thiệt hại. Hình sau là bức ảnh chụp muon phân giải cao núi lửa Sakurajima ở Nhật Bản.
FIG. D-2. Successful imaging of an erupting volcano. The lower inset image shows the interior of the
volcano with 10 m × 10 m resolution (Photo: Oláh et al.9, University of Tokyo, Japan)
volcano with 10 m × 10 m resolution (Photo: Oláh et al.9, University of Tokyo, Japan)
b. Ứng dụng công nghiệp
Phát triển các hệ chụp ảnh muon cho các ứng dụng công nghiệp đang là thách thức đối với cộng đồng khoa học. Các thiết bị công nghiệp như lò hơi hay lò quay thường sử dụng lớp lót bên trong mà không thể kiểm tra được bằng các kỹ thuật hiện có. Các thiết bị này đủ lớn để khó có thể áp dụng kỹ thuật chụp ảnh truyền qua hay tán xạ nhằm xác định tính chất của lớp lót đó. Do đó, chụp ảnh muon có thể hỗ trợ trong quá trình chẩn đoán làm cho quá trình sản xuất của các công ty hiệu quả hơn về khía cạnh tiết kiệm năng lượng và hiệu quả kinh tế. Các ứng dụng công nghiêp khác nữa bao gồm quan trắc các tòa nhà xây dựng lâu năm, các cấu trúc xây dựng lớn như cầu, tua bin gió, cũng như các thiết bị dàn khoan dầu. Sau tai nạn cầu ở Genoa, Italy, các ứng dụng công nghiệp dân dụng của kỹ thuật chụp ảnh muon được dự đoán sẽ phát triển rất nhanh.
c. An toàn và an ninh hạt nhân
Chụp ảnh muon có ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực an toàn và an ninh hạt nhân. Vật liệu phóng xạ và chất thải phóng xạ được chứa trong các container không thể dùng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ để xem cấu trúc bên trong các container này được. Khả năng sử dụng chụp ảnh muon để phân biệt nhiên liệu và các loại vật liệu khác là rất cần thiết trong lĩnh vực an ninh hạt nhân nói riêng và trong việc kiểm soát vật liệu hạt nhân phục vụ mục tiêu kiểm soát an ninh quốc gia cũng như các ứng dụng liên quan đến thanh sát hạt nhân, có nghĩa là giám sát các bình chứa khô nhiên liệu hạt nhân đã cháy và xác định đặc trưng của các chất thải phóng xạ với cấu hình phức tạp. Công nghệ chụp ảnh muon còn có khả năng ứng dụng để chụp ảnh lò phản ứng Fukushima bị tai nạn để có phương án xử lý phù hợp.
FIG. D-3. Photograph of muon trackers placed on two sides of a partially loaded MC-1 storage cask
(left). A schematic showing the location of missing (red) and loaded (yellow) fuel bundles (top right).
Experimental signal (black) compared to Monte Carlo expectations of a fully loaded (blue) and empty
(red) cask (bottom right). (Photo: Christopher Morris, Los Alamos National Laboratory, USA)
(left). A schematic showing the location of missing (red) and loaded (yellow) fuel bundles (top right).
Experimental signal (black) compared to Monte Carlo expectations of a fully loaded (blue) and empty
(red) cask (bottom right). (Photo: Christopher Morris, Los Alamos National Laboratory, USA)
7. Kết luận và kiến nghị
- Công nghệ chụp ảnh muon ngoài ứng dụng trong soi chiếu container và kiểm tra nguồn, vật liệu phóng xạ trong hàng hóa xuất nhập khẩu, còn có rất nhiều ứng dụng tiềm năng trong các ngành công nghiệp, giao thông, xây dựng và phục vụ lĩnh vực an toàn hạt nhân. Vì vậy cần có các nghiên cứu để chuyển giao các ứng dụng của công nghệ này vào Việt Nam.
- Việt Nam đã có nhóm nghiêm cứu vật lý tia vũ trụ tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân trước đây và nay đã chuyển sang Viện KH&CN Việt Nam. Đây là những cán bộ có kinh nghiệm trong ghi đo bức xạ muon. Ngoài ra, trong nước cũng có nhiều nhóm điện tử hạt nhân có kinh nghiệm trong kỹ thuật trùng phùng nhanh và đội ngũ cán bộ trẻ yêu thích về phát triển phần mềm. Tích hợp 3 nhóm cán bộ trên có thể cho phép chúng ta xây dựng được nhóm nghiên cứu ứng dụng chụp ảnh muon cho các mục tiêu khác nhau và là cơ sở để chúng ta có thể nhập khẩu và phát triển công nghệ chụp ảnh muon phục vụ yêu cầu của ngành Hải quan và An ninh quốc gia.
- Để có thể triển khai các nghiên cứu về chụp ảnh muon phục vụ cho các mục tiêu ứng dụng khác nhau cần xây dựng nhóm nghiên cứu về chụp ảnh muon ở Việt Nam. Ở phía Bắc tôi xin phép được đề xuất giao cho TS Đặng Quang Thiệu, người đã bảo vệ luận án tiến sỹ về lĩnh vực này chủ trì tổ chức một nhóm nghiên cứu với sự cố vấn của GS. Pierre Dariulat. Ở phía Nam xin được giao cho TS. Phạm Ngọc Sơn, Trưởng phòng Vật lý hạt nhân thuộc Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà lạt chủ trì tổ chức một nhóm nghiên cứu ở phía Nam. Bộ KH&CN cần hỗ trợ kinh phí để cho 2 nhóm nghiên cứu này triển khai các công việc ngay từ năm 2020. Các nhà khoa học trong nước có tâm huyết và hiểu biết về lĩnh vực này khuyến khích tham gia vào các hoạt động của hai nhóm nghiên cứu này.
Vương Hữu Tấn (Hội NLNTVN)
Mua hàng: 0928737498 (7:30 - 22:00)