solLiica
PHAM THUY Y NHI
PHAN TICH HAM LUQNG KALI TRONG MOT SO MAU DAT
Trang 2LỜI CÁM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, cùng với sự có gắng, nỗ lực của bản
thân, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, hướng dẫn và động viên của thây cô,
gia đình và bạn bè Em xin bày tỏ tắm lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả mọi người đã
giúp em hoàn thành luận vẫn này
Xin chân thành cảm ơn ThS Hoàng Đức Tâm đã hướng dẫn và truyền đạt kinh nghiệm đẻ em hoàn thành luận văn
Xin cảm ơn ThS Tran Thiện Thanh - giảng viên Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã dành thời gian giúp đỡ em trong suốt quá trình thực nghiệm và hoàn chỉnh luận văn
Xin gửi lời cảm ơn đến quý thây cô và các anh chị trong phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân - Khoa Vật lý - Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành việc đo đạc thực nghiệm
Cảm ơn gia đình và tập thẻ lớp Cử nhân Lý khóa 32 đã quan tâm, chia sẻ và động viên em trong suốt thời gian học đại học cũng như thời gian thực hiện luận văn này
Trang 3MU TH tác taÿ06LáGG06i5GG4d20401G565001010006/00%G4666GG2-x088 2 DANHMUCHINH ANH —— .{Ƒƒ{Ƒ{[{j{_{jÏ{hhh ha 4 DANH MU HA NG ĐỀ Hee eneeeiiieaeneseneei=nsyee 5 MỜ ĐẦU xác GticcctákbciGGGXGGGGIkiGGGGl0GGGAGGG0LL603G0GGL020XGG 6 I ĐẤT VĂN ĐỂ C00000 0240442 )G20GI0ÀGQ00G2222420A2ả 6 Zo SOC 8š # ` Ẻẽ xi kÏŸ†Ÿ.*}†}σĨŸĨỷÏƑÏƑÏŸƑŸƑ{ƑỊƑjỊ[Ƒ|H<}©Ƒ|j‡RkŸỶaessiaasesỷreee 7 3 PHƯƠNG PHAP NGHIEN CUU cccccscossscsossscossscsecsssnsessssenssecsscncenecessesascnccssoncees 7
CHƯƠNG l - CƠ SỞ LÝ THUYÉT VẺ BỨC XẠ HẠT NHÂN dàn 9 CÁ dáng Thi X bu seaiaeeeeiaeneeeeetieeseookcoreeeussoeesouoe ụ 1.1.1 Nguồn phóng xạ tự nhiên - cu cucstcocrrxrxrrorerrrvei 10 1.1.1.1 Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc bên ngoài Trai Dat 10 1.1.1.2 Cae déng vị phóng xạ có nguồn gốc từ Trái Đắt 12 1.1.2 Nguồn phóng xạ nhân tạo (cán Sanh cicsrrrtrrrrrsde l§
1/121 Về Khi BH ab cece isco tes or ree esas 16 1.1.2.2 Điện hạt nhân 22-2 3 C21122 1E2111221231177211221272112 22 16 12123 Tink: sagan Bạt HN ng D66 0600cg8teng l6
1.1.2.4 Các nguồn phóng xạ phát anpha, beta và gamma l6
I.2 Tình hình nghiên cứu và các vấn đẻ liên quan của luận văn - 17
1.2.1 Tình hình nghiên cứu về phông phóng xạ tự nhiên -. - 17 1.2.2 Những ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên tới con người
Yà Niết Lư Òn: d0 0060040600106 áx20G0001304GA30i862i8 18 1.2.3 Hàm lượng kali trong đất và vai trò của kali đối với cây tréng 20 223.1 Hậu lương (On đà uekninkeiieeoieoasenanodeeareedi 20
Trang 4CHƯƠNG 2 - THUC NGHIEM TREN HE PHO KE GAMMA
PHONG THAP sccssssssssessseesseessusenseesssessneesneesnsensueenneeenneessneeesnes 22
3.1::Sơ lược về hệ phê Kế giNHHÀ ¡cóc 2Ÿ 5262220022 G(0ả2ả0t-ggã6i 22 2.1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất - Đặc trưng phổ gamma 22 2.1.1.1 Sự tương tác của bức xạ gamma với vật chắt 22
2.1.1.2: Đặc trưng phổ gamima c.cóó-cccc- co Seoo 25
2.1.2 Cầu tạo chung một hệ phổ kế gamma ©5563 + v6) 27
SRR seco) SPRITE saaeesesesseteseopnsdsbyoax4960x640001024060590050n1201/3A300010000060101/ 099 27
2.1.2.2 Các khối điện tử chủ yếu của phổ kế gamma với detector DặN DẪN esses t0020002225220001603508910610060104060006466<aoi 31
2.1.3 Hệ phố kế gamma của phỏng thí nghiệm Vật lý hạt nhân Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh - - GĂ Cà *xsrcrrrrvrvrks 33
2.2 TRS TRIBE, ccrvoregeonvavutoseoeravesiversinteworsveveveyabninva dims itiniin nt wbvbiuassabavadhdasnds soostoes 34 Lẻ ằẰằT=.———— 34 2.2.1.1: Cmán Bị mẫu GhUỂN: 2-5-2062 0020206020206A0020Ÿ066c6 34 2.2.1.2 Lựa chọn mẫu phân tích cccco-ccccvecscoeoe 36
2.2.1.3 Chuẩn bị mẫu phân tích 2-5213 211211721120 37 2n cc :ÊO: CĐ su 2104222 2006606 205i009Á5ã2 30400616644 240tekGGNKGGi2tccxiisvazexese 4I
DEAN GẦN (Ú (242602000 NG sie 41
2.2.2.2 GiGi ham phat HiGer ccccccccocssccsecsccssccsvensecnssssssesssssssennereseneeee 41
2.2.2.3 Phương pháp xác định hàm lượng của kali trong mẫu 42
2.2.2.4 Sai số của phương pháp đo 5 22<c2cczccstvveee 45 2.2.3 Xử lí phổể cc2222222v2222222222222292122222229222222E2vzvvEvcvvrrrerertrtrrrrei 41
CHƯƠNG 3 - KÉT QUÁ VÀ THẢO LUẬN -6<555<c5c<5<c<°5 49
3.1 Kết quá phân tích hàm lượng kali trong các mẫu đất -. -5-55- 49
Trang 5KẾT LUẬN Q20 02020000002LG1A4024042A02660X6xe 55 1 Tổng kết nghiên cứu - - - S2 S2 s33 1S ST 1 1111111111515 5 1 3x0 55
3: Hướng phải tiện olla OB Ch sicseseeccccseccsscccccesssssiatscpasiienstenact odes vaceenceentesteevasassve 56
Trang 6DANH MỤC HÌNH ÁẢNH
Bfnh 121: Nến phông Xãcs6ccs4á2 c2 02 0001.4404064 6x04 10
aa Tad CS DODNÔONG X cá 2262222102220 Sasa bana bd ad iecmn madame ate 13
RMR 0c ERMAN Cita CORN TN NO 4 các 2000000 i0 6020 0CG 0010601 23 Hinh 2:2 Hiệt Ông CŨ 26 i24 canine sccnisisa cata unde cotcannidepdedtndosaniucesens 24 nh : Hiệu g HO SN seo GotaGi000660cdesuiae 25
Hình 2-4 Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma .ó- 5626 5 cv, 27
Hình 2-5 Các loại detector bán dẫn HPGe - ĐQ Q2 g ng si 28
Hình 2-6 Cấu tạo một detector bán dẫn HPGe .-¿- 2 552v 22225 29 Hình 2-7 Cấu tạo bình mito lỏng .- 5-55 SsTht HS 1E cv cxrxrei 29
Hình 2-8 Định nghĩa của độ phân giải detector Đối với những đỉnh có dạng
Gauss, độ lệch tiêu chuẩn ợ thị Ƒ wNM là 2,38 0o 30 Hình 2-9 Hàm đáp ứng đối với những detector có độ phân giải tương đối tốt
và độ phân giải tương đối xấu - 55 55s 2snscsc 30
Hình 2-10 Hệ phổ kế gamma phông thấp của phòng thí nghiệm Trường DH
tư phạm TẾ Hỗ Chỉ KH 021042020022020220600000 0á A0 33
Hình 2-11 Mẫu chuẩn đơn [AEA-RGK-L 6 Ă S5 St x3 zcs, 35 Hình 2-12 Mẫu chuẩn P66200-41 (KCl) . - 5-55 ccevrsssese 36
Hình 2-13 Các mẫu đất chưa xử lý -ccscscc<cccscceoeose 38
Hinh 3-1, TÚ XÂM GẦN uodevgcitikeirobcccbtcoiccotcbocecGgiodroiooddgae 39 Hình 2-15 Máy nghiền mẫu và rây loại 250m .- 5-55 5< 52552: 39 HIER 316, D& triều đất dau Khi 3Ä oeeeseeeeeeebeeseaeeonneeeseceoss 40 Hình ST, Q06 tri vừ HH” ca «Ÿeenasweseeeeeeeeesseensse=eeeeeseee 48
Hình 3-1 Phổ phông thiên nhiên .- 5-2 G5 St S31 213 1 1111573 x1e1., 49 Hình 3-2 Phỏ mẫu chuẩn P66200-41 (kali clorua) .- - s5: 50 Hình 3-3 Phỏ mẫu đắt An Ninh Đông (ĐH.02) .- 5 5-6 53c cscx 50
Trang 7Bang 1-2 Các đồng vị phóng xạ tự nhiên phô biến nhất trong v6 Trai Dat 15
Bang 1-3 Cac nguén phóng xạ anpha, beta, và gamma thường dùng 17
Bang 1-4, Các ngưỡng liêu chiếu và các hiệu ứng do nó gây nên cho con người 19 Bảng 2-1 Các thông tin của mẫu chuân đơn IAEA-RGK-I 5-5¿ 35 Bang 2-2 Cac théng tin vé mau dat can phân tích (lấy ngày 18/03/2010) 37 Bảng 2-3 Kí hiệu, tên mẫu và khối lượng cụ thể của các mẫu phân tích 40 Bang 3-1 Giới hạn phát hiện À0 Q Ơn ng vn 51 Bảng 3-2 Các thông tìn về mẫu chuẩn và mẫu phân tích 2-2525 51 Bảng 3-3 Cac thong tin cla mau ChUAN .-ccccccsssscsesesessssessesscecsesasacevsveseecseeers 52 Bảng 3-4 Kết quả tính hàm lượng kali trong các mẫu đất theo phương pháp
tuyệt đối dựa trên chuẩn P66200-4I (kali clorua) 52 Bảng 3-5 Kết quả tính hàm lượng kali trong các mẫu đất theo phương pháp
Trang 8MO BAU 1 DAT VAN DE
Thể giới chúng ta đang sống có chứa nhiều chất phóng xạ và điều này đã xảy
ra ngay từ khi hình thành nên Trái Đất Phông bức xạ tự nhiên được sinh ra bởi các đồng vị phóng xạ chứa trong đất đá, nước, không khí, thực phẩm, nhà ở và ngay
trong cơ thể mỗi người ví dụ như: kali, uranium, thorium, khí radon, Điều này cho thấy bức xạ ion hóa không có gì xa lạ với con người, nó tồn tại xung quanh ta và từ
bao đời nay con người đã và đang sống chung trong một môi trường có nhiều chất phóng xạ
Quả vậy, khắp mọi nơi đều có chất phóng xạ Tuy nhiên, chúng phân bế
không đều nơi này và nơi khác vì hàm lượng phóng xạ trong môi trường phụ thuộc
vào vị trí địa lý, kiến tạo địa chất, loại cây cỏ, tình trạng sinh sống của con người,
vào cả vật liệu xây dựng và kiến trúc ngôi nhà để ở
Trong lớp vỏ Trái Đất có chứa nhiều nguyên tổ kali, nó chiếm khoảng 2,4% trọng lượng lớp vỏ Trái Đắt và là nguyên tế phổ biến thứ bảy trong lớp này Trong
các đồng vị tự nhiên của kali thi “°K có tính phóng xạ
Sự có mặt của đồng vị phóng xạ '°“K luôn ảnh hưởng dù ít hay nhiều đến tình
trạng sức khỏe của con người và môi trường xung quanh bởi sự tác động của bức xạ
lên vật chất sống Mặc dù vậy, kali vẫn luôn là một chất nuôi dưỡng cần thiết cho cơ thể con người (trong cơ thể con người có gần 3.10” g đồng vị phóng xạ ““K)
Kali là khoáng chất cần thiết trong khẩu phần dinh dưỡng; nó có mặt trong các cơ
và là chất lỏng duy trì và cân bằng điện giải trong các té bao
Ngoài ra, kali còn đóng một vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng và phát
triển của cây Kali là một dưỡng chất lưu động trong đất Nó tham gia hằu hết vào những quá trình sinh ly, sinh hóa của cây, góp phần hình thành năng suất cây trồng và làm gia tăng sức chịu đựng của cây trong các điều kiện bắt lợi Thiếu kali sẽ gây
Trang 9thận, tim, bệnh động mạch vành, tăng huyết áp hoặc tiểu đường
Từ những khảo sát trên, đề tài: “Phân tích hàm lượng kali trong một số mẫu
đắt” được thực hiện nhằm mục đích dựa vào tính phóng xạ của đồng vị '°K, ta xác
định được hoạt độ riêng và hàm lượng kali trong các mau dat cần phân tích Từ đó đánh giá mức độ ảnh hưởng của đồng vị phóng xạ '“K cũng như hàm lượng của
nguyên tô kali trong các mẫu đất đó đối với sức khỏe con người và sự phát triển của
cây trồng
Bồ cục của luận văn
Luận văn được trình bày theo 3 phần chính:
* Phần mở đầu: trình bày mục đích nghiên cứu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
* Phần nội dung: gồm 3 chương như sau:
- Chương 1: Tổng quan về bức xạ hạt nhân
- Chương 2: Thực nghiệm trên hệ phổ kế gamma phông thấp - Chương 3: Kết quả và thảo luận
* Phần kết luận: tòng kết đề tài và đưa ra những nhận xét rút được từ kết quả
của quá trình nghiên cứu
2 ĐÓI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Luận văn được tiến hành dựa trên việc đo đạc và tính toán hàm lượng kali trong một số mẫu đất của một số xã thuộc huyện Đức Hòa - tỉnh Long An: xã Khánh Hòa Đông, xã An Ninh Đông, xã Lộc Giang và xã Mỹ Hạnh Bắc
3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trang 10Phương pháp đo phổ gamma có khả năng đo trực tiếp các tia gamma do các đông vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách các đồng vị phóng xạ ra khỏi chất nền của mẫu, giúp ta xác định một cách định tính (nhận diện nguyên tố)
và định lượng (xác định hàm lượng) các đồng vị phóng xạ trong mẫu Trong điều
kiện phòng thí nghiệm và mức hàm lượng nguyên tổ trong mẫu cỡ mg/kg, phương
pháp phổ kế gamma phông thắp được sử dụng để phân tích các đồng vị phóng xạ tự
nhiên trong các mẫu cần phân tích
Có hai phương pháp để xác định hàm lượng của các đồng vị phóng xạ trong mẫu môi trường:
“Phương pháp tuyệt đối: dùng hiệu suất để xác định trực tiếp hoạt độ của đồng vị phóng xạ, từ đó suy ra được hàm lượng của đồng vị phóng xạ trong mẫu
* Phuong pháp tương đối: mẫu phân tích được đo cùng dạng hình học với mẫu chuẩn Tỉ số của diện tích đỉnh tương ứng với nguyên tố quan tâm
trong hai phổ (phổ mẫu chuẩn và phổ mẫu phân tích) dùng để tính hoạt
độ của đồng vị phóng xạ, và cũng từ đó suy ra được hàm lượng của đồng vị phóng xạ trong mẫu
Luận văn này sử dụng cả hai phương pháp trên tương ứng với hai mẫu chuẩn khác nhau, cụ thể như sau: khảo sát thực tế, lấy mẫu đắt và kết hợp sử dụng hệ phổ
kế gamma phông thắp của phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân Trường Đại học Sư
phạm TP Hỗ Chí Minh để đo đạc, nghiên cứu Từ đó xác định hàm lượng kali trong
các mẫu đất cần phân tích theo phương pháp tuyệt đối dựa trên mẫu chuẩn P66200- 41 (kali clorua) - mẫu trên thị trường và phương pháp tương đối dựa trên mẫu chuẩn
đơn IAEA-RGK-1 (kali sunfat), Cudi cing, trình bày các kết quả thu được và rút ra
Trang 11Từ tro bụi của các vụ nê của các ngôi sao, khoảng 4,5 tỉ năm trước đây đã
hình thành hệ Mặt Trời Trong đám tro bụi đó, có một lượng rất lớn các nguyên tổ
phóng xạ Theo thời gian, đa số các nguyên tế phóng xạ này phân rã và trở thành
các đồng vị bền, chúng là thành phần chính của hệ thống hành tỉnh chủng ta ngày
nay Tuy nhiên, trong vỏ Trái Đất vẫn còn những nguyên tố phóng xạ, đó là những nguyên tố có thời gian bán rã cỡ tuổi của Trái Đất hoặc lớn hơn Các đồng vị phóng xạ này cùng với sản phẩm của chúng là nguồn gốc chính của bức xạ ion hóa tự nhiên tác dụng lên mọi sinh vật trên Trái Đất Một nguồn của các bức xạ ion hóa tự nhiên khác là các tia vũ trụ khi chúng đi vào tằng khí quyển và bề mặt Trái Đất Ngoài ra, ngay trong thời điểm đầu tiên khám phá ra các chất phóng xạ vào cuối thế ki 19, người ta đã nhận thấy các lợi ích cũng như tác hại của chúng Do đó, việc tìm hiểu, áp dụng và phát triển các kỹ thuật đo lường bức xạ ngày càng nhiều với quy mô rộng lớn trong hầu hết tất cả các lĩnh vực như quân sự, công nghiệp, nông nghiệp, y học, sinh học Việc ứng dụng hạt nhân vào cuộc sống cũng bổ sung một lượng phóng xạ rất nhỏ vào nguồn phóng xạ tự nhiên bằng các sản phẩm của con
người
Từ những nguồn gốc trên, nguồn phóng xạ được chia thành hai loại: nguồn
phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo “ Nguôn phóng xạ tự nhiên gồm:
- Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc bên ngoài Trái Đất như các tỉa vũ
trụ
- _ Các đồng vị phỏng xạ có nguồn gốc từ Trái Đất như các đồng vị phóng xạ có trong đất đá, trong khí quyền, trong nước
Trang 1210
Déu cing ban chat vat lý như nhau, nhưng mức độ đóng góp vào môi trường
phóng xạ chung của hai loại nguồn phóng xạ khác xa nhau Trong phạm vỉ toàn câu, sự đóng góp của các đông vị phóng xạ tự nhiên là lớn nhất, chiếm đến khoang 85% #8Đit da Bhlusadou 14% «" OThate ay Va wwe dug Ta vú tín 1 1% — my lioe BC wig ughiep hot aha Hình 1-1 Nền phóng xạ [12] 1.1.1 Nguồn phóng xạ tự nhiên 1.1.1.1 Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc bên ngoài Trái Đất % Các đẳng vị phóng xạ từ vũ trụ
Các bức xạ vũ trụ có rất nhiều trong không gian, chúng tồn tại chủ yếu ngoài
hệ Mặt Trời của chúng ta Chúng có nhiều dạng khác nhau, từ những hạt nặng có
vận tốc rất lớn cho đến các photon có năng lượng cao Tầng trên của khí quyển Trái
Dat tác dụng với nhiều loại tia vũ trụ và làm sinh ra các đồng vị phóng xạ Phần lớn
Trang 13*% Bức xạ vũ trụ
Cùng với các đồng vị phóng xạ tạo nên khi các tia vũ trụ tương tác với lớp khí quyển, bản thân các tia vũ trụ cũng góp phản vào tổng liều hấp thụ của con người Tỉa vũ trụ được chia làm hai loại: tia vũ trụ sơ cấp và tia vũ trụ thứ cấp
“ Tia vũ trụ sơ cấp được tạo nên bởi những hạt năng lượng cực cao (lên tới
10!” eV) và chủ yếu là các proton cùng với một số hạt khác có năng lượng lớn hơn
Phản lớn các tia vũ trụ sơ cấp đến từ bên ngoài hệ Mặt Trời, còn một phần đến từ
Mặt Trời do quá trình cháy sáng của Mặt Trời Một số nhỏ tỉa vũ trụ sơ cấp xuyên
xuống bẻ mặt Trái Đắt, còn phản lớn chúng tương tác với khí quyển
“ Tia vũ trụ thứ cấp được sinh ra khi tỉa vũ trụ sơ cấp tương tác với khí
quyền Những phản ứng này sinh ra các bức xạ có năng lượng thấp hơn, bao gồm
việc hình thành các photon ánh sáng, các electron, các neutron và các hạt muyon rơi
xuống mặt Trái Đất
Lớp khí quyển và từ trường Trái Đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che
chắn các tia vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bẻ mặt Trái Đắt
Như vậy, liều bức xạ con người nhận được sẽ phụ thuộc vào độ cao Từ bức xạ vũ
trụ, hàng năm con người có thể nhận một liều cỡ 0,27 mSv và con số này sẽ nhân
lên gấp đôi cứ một lần tăng độ cao lên 2000 m
Suất liều điển hình của bức xạ vũ trụ như sau:
"0,04 uGy/h trên bề mặt Trai Dat
* 0,2 uGy⁄h ở độ cao 5000 m * 3 Gy/h 6 d6 cao 20000 m
Khi đi từ cực Trái Đất đến vùng xích đạo trên cùng bẻ mặt nước biển thì mức phóng xạ vũ trụ chỉ giảm đi 10% nhưng cũng di chuyển như vậy ở độ cao 20000 m thì mức này giảm đi 75% Điều này chứng tỏ có sự ảnh hưởng của địa từ trường của
Trang 141.1.1.2 Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ Trái Đất
Phông phóng xạ trên Trái Đắt gồm những đồng vị phóng xạ tồn tại trước vả khi Trái Đất được hình thành Cho đến nay, người ta đã biết các chất phóng xạ trên
Trái Đất bao gồm các nguyên tố uranium, thorium và con cháu của chúng, cùng một
số nguyên tố phóng xạ khác Uranium, thorium và con cháu của chúng tạo nên ba
họ phóng xạ tự nhiên cơ bản là họ thorium (??Th), uranium (9U), và actinium (°U) Tất cả các thành viên của các dòng họ này, trừ thành viên cuối cùng, đều là
các đồng vị phóng xạ
Uranium gém ba đồng vị khác nhau: khoảng 99,2742% uranium thiên nhiên la **U, khoang 0,7204% là ?ÝU, và khoảng 0,0054% là ?*U ®$U và ?*“U thuộc cùng một họ là họ uranium, còn “U là thành viên đầu tiên của họ khác, gọi là actinium ®”Th là thành viên đầu tiên của họ thorium Và họ phóng xạ thứ tư là họ
phóng xạ nhân tạo, gọi là neptunium
Ba họ phóng xạ tự nhiên có các đặc điểm chung lả:
-_ Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, thời gian bán rã được đo
theo các đơn vị địa chất
- Mỗi họ đều có một thành viên tồn tại dưới dạng khí phóng xạ, chúng là
đồng vị khác nhau của nguyên tố radon: trong họ uranium là ??Rn (radon), trong họ
thorium 14 7°Rn (thoron), trong ho actinium 1a 7!°Rn (action) Trong ho phong xạ
nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xa
- Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ đều là chi; 7°°Pb trong ho uranium, ?'Pb
trong họ actinium và ?°#Pb trong họ thorium Trong khi đó, thành viên cuối cùng
Trang 16l4
Ngoài các đồng vị phóng xạ trong ba họ thorium, uranium và actinium, trong
tự nhiên còn tổn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Một trong số đó
la dong vj “°K
Có 17 đồng vị của kali đã được biết Dang ty nhién cia no cé 3 déng vi: °K, K va "'K, trong dé °K va “'K la déng vi bén, con “°K (d6 phd biến 1a 0,0117%) la đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã 1,2504.10” năm '°K là một trong những đồng
vị phóng xạ rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng kali trung bình trong đất đá
la 27 g/kg va trong đại dương ~ 380 mg/lít), và do đó nó cũng là một trong những
chất chứa nhiều trong cơ thể con người °°®K phân rã thành đồng vị ổn dinh “Ca (88,8%) bằng bức xạ beta, cũng như phân rã thành đồng vị ““Ar (11,2%) bằng cách
bắt điện tử hoặc bằng bức xạ positron kết hợp với việc phát ra bức xa gamma 1,461 MeV.[1 1] %K, Tịa = 1,2504.10” năm 11.2% Bate (K) 1,461 MeV B | y (1,461 MeV) | -L——————— ?°Cabèn * Ar ben
Bang 1-2 dan ra cdc déng vi phéng xa phé bién nhất trong vỏ trái đất và hàm
lượng trung bình của chúng trong đất đá ở bề mặt Trái Đất
88,8%
Trang 17Bảng 1-2 Các đông vị phóng xạ tự nhiên phổ biến nhat trong vé Trai Dat [5] Dong vj | Chu kỳ bán
những; hủy Hàm lượng/Hoạt độ tự nhiên
=) 7,04.10Ỷ năm 0,7204% của tổng số uran tự nhiên
99,2742%% của tổng số uran tự nhiên Uranium tự 2381) 4.47.10" nam nhién chiém tir 0,5 — 4,7 ppm trong dat đá (ppm = g/kg) °3*Th 1,41.10"° nam 1,6 — 20 ppm trong tat cả các loại đá 16 Bq/kg trong cc loai đá vôi, 48 Bq/kg trong đá Ra 1,6.10° nam Oe al nham thach
khí) nông độ trung bình hàng năm tại Mỹ từ
Ip, 3,82 ngày (dạng khí) nông độ trung g tại Mỹ
0,6 - 28 Bq/m
aa 1,2504.10° nam Có trong đất (37 - 1100) Bq/kg
Trong cơ thể con người có gần 3.10” g kali phóng xạ và 6.10 g radi Do sự hiện diện của các đồng vị phóng xạ này, trong cơ thể mỗi giây xảy ra 6000 phân
hủy beta và 220000 phân hủy anpha Ngoài ra, do hậu quả tác dụng của các tia vũ
trụ, trong cơ thể con người xuất hiện các thành phần phóng xạ nhân tạo khác Nhờ
có nguyên tổ phóng xạ cacbon ''C, mà trong cơ thể xảy ra thêm 2500 phân hủy
beta/giây Nhìn chung trong cơ thể con người mỗi giây xảy ra 10000 phản ứng phân hủy Khi mà không khí xung quanh ta, nước, đất đá đều là những chất phóng xạ, cơ
thể con người - một bộ máy phóng xạ, cũng tham gia vào một tiền trình chung tạo
nên “quỹ” phóng xạ của tự nhiên
1.1.2 Nguồn phóng xạ nhân tạo
Các nguồn đồng vị nhân tạo gồm các đồng vị phóng xạ phát ra các tia bức xạ
Trang 18l6
ra, phải kế đến các nguồn phóng xạ như: các vụ thử vũ khí hạt nhân, điện hạt nhân, các tai nạn hạt nhân
1.1.2.1 Vũ khí hạt nhân
Nguồn phóng xạ từ các vụ thử vũ khí hạt nhân là nguồn phóng xạ lớn nhất
trong môi trường Ngoài các sản phẩm của phản ứng phân hạch ?”U và ?”Pu , sản
phẩm của phản ứng nhiệt hạch là triti thì một loạt các đồng vị phóng xạ khác được
tạo ra do kết quả của việc bắt neutron với các vật liệu làm bom và không khí xung
quanh Các đồng vị phóng xạ nảy phân tán trong khí quyển và thông qua bụi lắng phóng xạ trong không khí, nước mưa sẽ gây nhiễm bắn toàn cầu với hoạt độ thấp Liều hiệu dụng được đánh giá vào khoảng 0, mSv/năm
1.1.2.2 Điện hạt nhân
Khi lò phản ứng hạt nhân hoạt động sẽ xảy ra phản ứng hạt nhân dây chuyên
phá vỡ hạt nhân **U, tao thành một lượng lớn sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ Sau mỗi năm có 25% nhiên liệu được thay bằng nhiên liệu mới, nhiên liệu được thay là nhiên liệu đã qua sử dụng Cùng với các nhiên liệu này, các nguồn chất thai phóng xạ khác nhau (từ các công trình nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ, nghiền
uran, sản xuất, tái chế các thanh nhiên liệu, ) của các nhà máy điện hạt nhân và các cơ sở xử lý nhiên liệu sẽ gây nên một liều hiệu dụng trung bình đối với một người khoảng 10 mSv
1.1.2.3 Tai nạn hạt nhân
Từ khi ngành hạt nhân ra đời đã có trên dưới 150 tai nạn lớn nhỏ xảy ra Lớn
nhất có thể kể đến là tai nạn Chernobyl (Ucraina 1986) gây nên sự nhiễm bẳn phóng xạ bởi các chất thải rắn và lỏng, là hỗn hợp của các chất hóa học và các đồng vị
phóng xạ
1.1.2.4 Các nguồn phóng xạ phát anpha, beta và gamma
Trang 19beta hoặc nguồn gamma tùy theo mục đích sử dụng Bảng 1.3 trình bày một số nguồn phóng xạ phát anpha, beta và gamma thường dùng
Bang 1-3 Các nguồn phóng xạ anpha, beta, và gamma thường dùng [Š] Tên Ký hiệu Loại bức xạ | Năng lượng (MeV) Tin a 5,48 Americium 241 Am 458 nam Y 0,06 Krypton Kr 0 0,67 10,6 nam Strontium Sr B 2,27 28 năm
Cobalt "Co Y 1,173; 1,332 5,27 nam
Cesium ICs Y 0,66 30 năm vị 0,080; 0,284; lodine I Y 8 ngày 0,364; 0,637 Technecium mT 6 Y 140,5 6 giờ Phosphorus lắp p 1,711 15 ngay
Ngoài ra, trong cuộc sống hiện đại, con người phải chịu một liều lượng
phỏng xạ nhân tạo do chụp X-quang (chụp kiểm tra da dày nhận 0,6 mSv/lần, chụp kiểm tra cắt lớp vùng ngực nhận 6,9 mSv/lan), xem truyền hình và đeo đồng hồ dạ
quang (0,001 mSv), đi máy bay trong 4 giờ (0,001 mSy),
1.2 Tình hình nghiên cứu và các vấn đề liên quan của luận văn 1.2.1 Tình hình nghiên cứu về phông phóng xạ tự nhiên
1.2.1.1 Trên thế giới
Phông phóng xạ tự nhiên phụ thuộc vào hàm lượng chất phóng xạ chứa trong đất, nước của từng vùng Do vậy việc tổn tại các vùng có phông phóng xạ cao hoặc
thấp khác nhau là lẽ đương nhiên
Các nghiên cứu đã cho thấy, có khoảng 5% dan sé thé giới sống ở các khu
Trang 20các chất khoáng có các nguyên tổ đắt hiểm rắt khó hòa tan có trong các bãi cát ven
biển cùng với khoáng chất ilmenit, cát có màu đen đặc trưng Các đồng vị phóng xa
chính có trong monazit là các đồng vị trong dãy thorium và đôi khi cũng có cả
uranium và con cháu của nó như ? “Ra
Ở Phần Lan, phông phóng xạ tự nhiên rất cao, gần 8 mSv/năm, kế đến là
Pháp và Tây Ban Nha với gần 5 mSv/năm
Có những vùng, dân chúng sống trong một môi trường bức xạ tự nhiên rất cao, như ở Ramsar (Iran), Kerala (Án Độ), Guarpapi (Braxin) và Yangjang (Trung Quốc) Một số ngôi nhà ở Ramsar, người dân nhận liều bức xạ vào cỡ 132 mSv/năm, cao hơn mức trung bình thế giới khoảng 50 — 70 lần
Tuy nhiên, môi trường phóng xạ trong lành nhất là hai nước Anh và Australia
với phông phóng xạ (hay liều hiệu dụng trung bình) khoảng 1,6 mSv/năm 1.2.1.2 Ở Việt Nam
Ở nước ta, một số số liệu đo trên các vùng dân cư ở thành phố, thị xã, ven đường quốc lộ, đồng bằng và trung du đều chứng tỏ phông phóng xạ tự nhiên nằm
trong khoảng 2 - 2,5 mSv/năm Nói chung không vượt quá phông trung bình của
thế giới [12]
Còn ở những vùng mỏ phóng xạ và đất hiếm (Tây Bắc), mỏ graphit (vùng
Quảng Nam) hay mỏ sa khoáng (dọc bờ biển Trung bộ) , hàm lượng các nguyên tố
phóng xạ trong đất đá cao hơn, và phông phóng xạ cũng cao hơn mức trung bình
khoảng 1,5 - 2 lần Có những khu vực, giữa thân các mỏ quặng, phông phóng xạ cao hơn nhiều lần, liều hiệu dụng nằm trong khoảng 10 - 30 mSv/năm
1.2.2 Những ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên tới con người và môi trường
Mỗi người trung bình trong một năm nhận khoảng 1,1 mSy tỉa phóng xạ tự
nhiên (nếu gộp cả 1,3 mSv nhận từ radon trong không khí thì con số này trở thành
Trang 210,46 mSv từ đất, ngoài ra còn có khoáng 0,24 mSv được phát ra từ cơ thể con người
thông qua đô ăn, nước uống hằng ngày
Dù phải nhận một lượng tia phóng xạ tự nhiên như vậy nhưng sinh vật vẫn sống bình thường Chính vì vậy chúng ta có thể hiểu là nếu ở mức độ này thì sẽ không có vấn đề gì Hơn nữa, do cấu trúc địa chất ở mỗi nơi khác nhau, mức độ
phóng xạ tự nhiên cũng khác nhau tuỳ theo khu vực Có những nơi ở Trung Quốc
hay Án Độ, giá trị này lên tới 10 mSv/năm nhưng những cuộc điểu tra từ trước tới
nay cho thấy không hè có biểu hiện bất thường nào xuất hiện ở người vả sinh vật
Do vậy, có thể hiểu rằng, ở mức độ gấp 10 lần của phông phóng xạ tự nhiên
trung bình cũng không có ảnh hưởng xấu nào đến sức khỏe con người Điều đó có
nghĩa là: đứng về quan điểm an toản bức xạ mà nói thì không thẻ đặt một ngưỡng
liều bức xạ dé nói rằng liều trên ngưỡng đó là nguy hiểm, liều dưới ngưỡng đó là an
toàn Tuy nhiên người ta cũng định ra một ngưỡng, nếu bị chiếu xạ trên ngưỡng này
thì chắc chắn hiệu ứng sẽ xảy ra đối với cơ thể Cu thé:
Khi nhận một lượng phóng xạ trong thời gian ngắn, cơ thể con người sẽ cỏ
những biểu hiện về sức khoẻ như sau [6]:
Bảng 1-4 Các ngưỡng liều chiếu và các hiệu ứng do nó gây nên cho con người
Liễu chiếu Các hiệu ứng
0 ~ 250 mSv Không có tổn thương rõ ràng Không ghi được hiệu ứng lâm
sàng, có thể không có hiệu ứng muộn
250~500mSv | Có thể có thay đổi về máu nhưng không nghiêm trọng
Trang 2220 máu, bình phục chậm, giảm thọ 1000 ~ 2000 mSv Có tổn thương, có khả năng ốm đau, bệnh tật
2000 mSv Buồn nôn, nôn mửa trong 24 giờ, rụng lông, tóc, biếng ăn,
suy yếu toàn thân, có triệu chứng đau họng, ia chảy Một số
cá thể có thê bị chết Nói chung có khả năng bình phục trừ
trường hợp sức khoẻ vốn kém từ trước, dễ bị bệnh truyền nhiễm, tổn thương nặng
2000 ~ 4000 mSv Tổn thương và ôm đau bệnh tật là chắc chắn, có thể chết
4000 mSv Buồn nôn, nôn mửa trong Ì ~ 2 giờ, ủ bệnh 1 tuần bắt đầu
rụng lông tóc, mắt ngon miệng, suy nhược chung, sốt, khô
rát mồm họng ở tuần thứ ba, các triệu chứng xanh xao, ia
chảy, chảy máu, suy sụp nhanh vào tuần thứ tư Khoảng 50% cá thé bị chết 6000 mSv Buôn nôn, mửa trong l ~ 2 giờ, ủ bệnh ngắn, ia chảy, mửa, rát mồm họng, sốt và chết sớm Chắc chắn chết 100% cá thẻ 1.2.3 Hàm lượng kali trong đất và vai trò của kali đối với cây trồng 1.2.3.1 Hàm lượng trong đất
Hàm lượng kali tổng số trong dat rất khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào thành phân khoáng vật đá mẹ, điều kiện phong hóa đá và hình thành đất, thành phần cơ
giới đất, chế độ canh tác và phân bón Đắt mặn, đất phèn, đắt đỏ vàng phát triển trên
đá phiến mica giàu kali (K;O tổng số từ 2% — 33%), đất nghèo kali là các đất xám
bạc màu và một số loại đất đỏ vàng vùng đôi núi (< 0,5%) Đất Feralit trên granit
Trang 231.2.3.2 Vai trò của kali đối với cây trồng
Kali là nguyên tố đa lượng với cây trồng Nó tham gia vào hằu hết các quá
trình sinh lý, sinh hóa quan trọng của cây Trong cây, kali thường được tích lũy
nhiều trong thân lá Tỷ lệ kali trong câybiến động trong khoảng 0,5% — 6% chất
khô Một số vai trò và chức năng của kali trong đời sống cây trồng: - Tham gia trong quá trình quang hợp, ôn định năng suắt
- Tham gia làm tăng sức chịu đựng các điều kiện bắt lợi: giúp giữ nước tốt,
tăng khả năng chống hạn, tăng cường tính chống rét và tăng cường khả năng kháng các bệnh nắm và vi khuẩn
- Giúp cây trông nâng cao chất lượng sản phẩm: tăng kích thước hạt, củ, quả,
Trang 2422
CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM TRÊN HỆ PHO KE GAMMA PHÔNG THÁP
2.1 Sơ lược về hệ phố kế gamma
2.1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất - Đặc trưng phổ
gamma
2.1.1.1 Sự tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Bức xạ gamma có bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng E cao
hàng chục keV đến hàng chục MeV Bước sóng của bức xạ gamma nhỏ hơn nhiều
so với kích thước nguyên tử, cỡ 10”°m Nó không bị lệch trong điện trường và có
kha nang dim xuyên rất lớn, thậm chí có thể đi qua lớp chỉ dày hàng decimet và rắt
nguy hiểm cho con người
Tương tác của lượng tử gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm
bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron - positron, rồi cac electron nay gay ion hóa môi trường Có ba dạng tương tác cơ ban cla gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp
Hiệu ứng quang điện
Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma
biến mất và toàn bộ năng lượng của nó được truyền hết cho electron quỹ đạo,
electron nay bay ra khỏi nguyên tử và được gọi là quang electron (photoelectron)
Năng lượng của lượng tử gamma phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết W; của electron trên quỹ dao i:
E=hv=W,+T, (2.1)
Trang 25
â -, Đ ©®
Photoelectron
Hình 2-1 Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với electron lớp K và với tiết diện rất lớn đối với các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đôi với các nguyên tử nhẹ (chăng hạn cơ thẻ sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kế ở vùng năng lượng thấp
Khi electron được bức ra từ một lớp vỏ nguyên tử, thì tại đó xuất hiện một lỗ
trồng Lỗ trống này sẽ nhanh chóng bị lắp bởi một electron từ lớp trên Quá trình này dẫn tới bức xạ ra tia X đặc trưng hay electron Auger Năng lượng tia X đặc
trưng xắp xỉ bằng năng lượng liên kết W, Trong đa số trường hợp, lượng tử gamma
ứng với tia X đặc trưng sẽ bị hap thu trong lân cận nguyên tử bị ion hỏa do nó gây
ra một hiệu ứng quang điện khác * Hiéu ung Compton
Khi tăng năng lượng gamma dén giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên
kết của các electron lớp K trong nguyên tir thi vai trò của hiệu ứng quang điện
không còn đáng kẻ và bắt đầu hiệu ứng Compton Khi đó có thể bỏ qua năng lượng
liên kết của electron so với năng lượng gamma và tán xạ của gamma lên electron
Trang 26Trong tán xạ, lượng tử eamma va chạm với một electron tự do ban đầu đứng
yên Khi đó, gamma truyền một phần năng lượng cho electron va bi léch khdi phương chuyển động một góc ọ
Hình 2-2 Hiệu ứng Compton
Tia gamma sau tán xạ có bước sóng À“ lớn hơn bước sóng 2 của gamma tới
Gia số tăng bước sóng phụ thuộc vào góc tán xạ @ như sau:
Ad sa ie scone) (2.2)
c
Trongd6 AL = a = 0,0243A° = 2.43.10"? m (2.3) mmc
(A, la bude séng Compton)
Khi tán xạ Compton, nang lugng tia gamma gidm va phan năng lượng giảm đó truyền cho electron giật lùi Như vậy năng lượng electron giật lùi càng lớn khi
gamma tán xạ với góc ø cảng lớn Gamma truyền năng lượng lớn nhất cho electron
khi tán xạ ở góc ( = 180”, tức là khi tán xạ giật lùi
Xác suất xảy ra tán xạ Compton phụ thuộc vào năng lượng của gamma
Trong ving nang lugng 0,1 MeV — 10 MeV, hiéu img Compton dong vai trò quan
Trang 27% Hiệu ứng tạo cặp electron — pozitron
Nếu gamma vào có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron 2m,cỶ =I,022 MeV thì khi đi qua điện trường của hạt nhân sẽ xảy ra hiệu ứng tạo cặp Kết quả là gamma biến mắt vả một cặp electron-positron xuất hiện Quả trình
tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé
nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron ® Electron 0,511 MeV 0,511 MeV Hình 2-3 Hiệu ứng tạo cặp
Sau khi được tạo thành, electron mắt dần năng lượng của mình để ion hóa các
nguyên tử môi trường Positron mang điện tích dương nên khi gặp electron của
nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn nhau, gọi là hiện tượng
hủy cặp Khi hủy electron-positron hai lượng tử gamma được sinh ra bay ngược
chiêu nhau, mỗi lượng tử có năng lượng 0,511 MeV
Xác suất xảy ra sự hủy cặp tăng theo năng lượng của gamma và gần như tỉ lệ với bình phương của số thứ tự nguyên tử cúa chất hap thụ
2.1.1.2 Đặc trưng phô gamma
Trang 2826
* Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hắp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma E, =hv trên detector, do đó trong phố gamma xuất hiện đình hấp thụ toàn
phân ứng với năng lượng E, Đây chính là đỉnh E, đặc trưng của mỗi đồng vị Mỗi
loại đồng vị có thể có I,2, đỉnh hắp thụ toàn phần với những hiệu suất phát tương
ứng Ví dụ: '“K phát E_=1,461 MeV với hiệu suất 10,55%; “Co phát hai gamma có hiệu suất phát cao nhất là 1,173 MeV 99,97% và 1,332 MeV 99,98%,
s Trong quá trình tắn xạ Compton, tía gamma chỉ mắt một phần năng lượng, phan con lai chuyển thành năng lượng gamma tán xạ Sự phân bố giữa hai phần này tùy thuộc vào góc tán xạ Do đỏ trên phổ gamma xuất hiện nền liên tục (nền Compton) trai dài từ giá trị E, trở xuống Tia gamma sau khi tán xạ lần đầu có thẻ
tiếp tục bị tán xạ nhiều lần, cuối cùng bị hắp thụ trong detector do hiệu ứng quang
điện Quá trình tán xạ Compton nhiêu lần này cũng đóng góp vào đỉnh hấp thụ toàn phần, mức độ đóng góp tùy thuộc vào thẻ tích detector
“ Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành hai lượng tử gamma năng lượng 0,511 MeV Tùy theo trường hợp cả hai lượng tử này bị hắp thụ hoặc một hoặc cả hai lượng tử bay ra khỏi detector mà ta thấy xuất hiện các đỉnh sau đây:
- _ Cả hai lượng tử gamma hủy cặp đều bị hấp thụ hoàn toàn trong thẻ tích
nhạy của detector, ta được đỉnh hấp thụ toàn phần E,
- Một trong hai lượng tử gamma hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của
detector: ta được đỉnh thoát đơn có năng lugng 0,511 MeV
- - Cả hai lượng tử hủy cặp thoát khỏi detector: ta được đỉnh thốt đơi ứng
Trang 29tá Hình 2-4 Sơ đô khối hệ phô kế gamma 2.1.2.1 Detector
Đề ghi phô gamma hiện nay người ta thường dùng hai loai detector: “ Detector nhấp nháy với tính thể Nal (T1)
" Detector bán dẫn Ge (cho phổ với độ phân giải cao hơn nhưng giá thành mắc
hơn và yêu cầu cao hơn vẻ thiết bị đi kèm)
Ở đây, ta sử dụng detector bán dẫn làm bằng Germani siêu tỉnh khiết (HPGe)
% Nguyên lý chung của các loại detector bán dẫn
Chất bán dẫn thường dùng là S¡ hoặc Ge (để ghỉ các lượng tử gamma người
ta dùng detector bán dẫn Ge)
Khi lượng tử gamma tương tác với phân tử chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên các
electron tự do thông qua ba hiệu ứng chủ yếu Electron tự do di chuyển với động
năng lớn sẽ kích thích các electron chuyến lên vùng dẫn và đẻ lại lỗ trống Như vậy
tương tác của gamma đã tạo ra một loạt các electron và lỗ trống trong tinh thé ban dẫn Dưới tác dụng của điện trường, các electron sẽ chuyển động về cực dương, các lỗ trống chuyển động về cực âm tạo thảnh một xung dòng điện ở lối ra
Năng lượng cần thiết dé tao ra mét cap electron — lỗ trồng trong Ge là
Trang 3028
s* Phân loại detector Gemanium Ta có thể phân loại detector Ge như sau: - Về loại bán dẫn: loại p hoặc loại n
- Về mặt hình học: có thể chia ra các loại đồng trục, loại hình giếng hay loại plana (phăng) Thông thường ta có các loại sau đây: n type Ss “Cc whe tre =V + P Any e ang (a) (b) (c)
Hinh 2-5 Cac loai detector ban din HPGe
= Detector HPGe loai p, kiéu déng truc (hinh 1-10a); chat ban dan xuat phat là loại p Người ta tạo ra một lớp n° day khoang 0,5 — 0,8 mm bang phương pháp
khuếch tán Li Khi sử dụng phải đặt điện áp cao, đương khoảng 2 — 5 kV để kéo
các cặp electron — lỗ trống tạo ra Loại này có hiệu suất giảm nhiều ở năng lượng
tia gamma thap (dudi 100 keV) vi su hap thy trén lớp chết n”
* Detector HPGe loai n, kiểu đồng trục (hình I-10b): Xuat phat tir chat bán dẫn loại n, người ta tạo ra lớp bề mặt p” dày khoảng 0,3 um bing phuong phap cay ion B Khi sử dụng cần đặt cao thế phân cực âm So với loại trên, loại này hiệu
suất ít bị giảm hơn ở năng lượng thắp vì lớp chết p` mỏng hơn
* Detector HPGe hinh giéng (hinh 1-10c): loai nay có hiệu suất hình học cao
nên thích hợp cho các phép đo hoạt độ nhỏ Độ phân giải có kém hơn đôi chút
do đặc điểm cấu tạo
Trang 31(Tu the seu th kiuẻt Ge} TH
Mat đó khòng tanh Chat cach den
Kehuet dirés 10°° cay?
Tiếu lduucch đại
Kàu lạnh băng đông | Rimech om
Nite long
os
Hình 2-6 Cầu tạo một detector ban dan HPGe
Đi kèm với detector bán dẫn là bình nitơ lỏng Ngoài tính chất phụ thuộc của
đetector bán dẫn, đẻ tránh các electron sinh ra do sự phát nhiệt, detector bán dẫn
thường được làm lạnh ở nitơ lỏng (-196°C hay 77K)
Vong kim logs
Đầu mối thidt be điện tử
Oog bom nite Đường hát chân không Vong đệ m Ông med nig fre " i da 7 | ` (NT lÍ tha ly Cold jini inh Re *
Phin cich ah»ê \ Thanh lầm tanh
Trang 3230
Các đặc trưng kỹ thuật của đetector bán dẫn
> Độ phân giải năng lượng
Độ phân giải năng lượng cho biết khả năng mà detector cé thể phân biệt các đỉnh có năng lượng gần nhau trong phỏ Đại lượng này được xác định bằng bề rộng & 1/2 độ cao của các đính hấp thụ toàn phần (FWHMI) Độ phân giải năng lượng của detector bán dẫn HPGe còn tùy thuộc loại detector, thé tich detector và năng lượng tia gamma ek y FECTS ET OPER ee Oe Hee ere ee $9 999 tt Ẫ Hình 2-8 Định nghĩa của độ phân giải detector Đối với những đỉnh có dạng Gauss, độ lệch tiêu chuẩn ơ thì FWHM là 2,35 ơ
Detector có độ phân giải năng lượng càng nhỏ thì càng có khả năng phân biệt
tốt giữa hai bức xạ có năng lượng gần nhau
ai |
Độ phán giái
JIN ot ahs
Trang 33> Hiệu suất ghi dinh quang điện
Hiệu suất ghi đỉnh quang điện cũng là một chỉ tiêu quan trọng của detector, đặc biệt là trong những phép đo hoạt độ nhỏ Hiệu suất ghi nảy phụ thuộc loại
detector, thé tich detector va nang lugng tia gamma
Hiệu suất ghi đỉnh quang điện được tính bằng tỉ số giữa số đếm của đỉnh hấp
thụ quang điện mà detector ghi nhận được so với số tia gamma do nguồn phát ra theo mọi phương
> Tỉ số đinh/Compton
Tỉ số này cho ta đánh giá khả năng của detector có thể phân biệt được các đỉnh yếu, năng lượng thấp năm trên nền Compton của các đỉnh năng lượng cao Đó là tỉ số giữa chiều cao của đỉnh hắp thụ toàn phân với chiều cao của nẻn Compton
tương ứng (thường lây ở “ria" Compton) Tỉ số này càng cao thì càng có lợi cho các
phép đo hoạt độ thắp và phổ gamma phức tạp Tỉ số này phụ thuộc thẻ tích detector, các detector lớn có tỉ số đỉnh/Compton lớn vì đóng góp của tán xạ Compton nhiều
lần vào đỉnh hấp thụ toàn phản lớn
2.1.2.2 Các khối điện tử chủ yếu của phổ kế gamma với detector
bán dẫn
Nhiệm vụ của các khối điện tử này là xử lý các xung dòng điện ở lối ra của
detector sao cho dễ dàng thuận lợi cho việc hình thành phổ mà vẫn phải đảm bảo quan hệ tỉ lệ giữa số lượng cặp electron — lỗ trống được tạo ra với năng lượng của
tia gamma mit đi trong detector
Các khối điện tử chức năng chủ yếu đó là khối tiền khuếch đại, khối khuếch
đại tuyến tính, khối biến đổi tương tự - số (ADC)
+ Khối tiền khuếch đại
Khối tiền khuếch đại được nỗi trực tiếp ngay sau detector Nhiệm vụ của nó
là khuếch đại sơ bộ tín hiệu rất nhỏ từ detector mà vẫn đảm bảo mức “ồn” khả di 1a
nhỏ nhất (ta thường nói là đảm bảo tỉ số tín hiéu/én tối đa) Khối tiền khuếch đại có
Trang 3432
phân giải năng lượng của hệ Tùy loại detector mà người ta sử dụng một trong ba
loại tiền khuếch đại sau đây:
- _ Tiền khuếch đại đòng điện
- _ Tiền khuếch đại điện áp - _ Tiền khuếch đại điện tích
+ Khối khuếch đại chính
Khối này có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung ra từ khối tiền khuếch đại (thông
thưởng nhỏ hơn 1V) lên đến khoảng giả trị thích hợp để có thể xử lý tiếp một cách
để dàng và chính xác Ngoài ra, trong khối này còn có các mạch tạo dạng xung nhằm cải tạo tỉ số tín hiệu/ồn (S/N) và ngăn ngừa sự chồng chập xung
*% Khối biến đỗi tương tự - số (ADC)
Tín hiệu tương tự từ khối khuếch đại tuyến tính có biên độ Vụ sẽ được đưa
vào khối biến đổi tương tự - số Qua đó, thực hiện biến đổi biên độ xung thành mã
số, kết quả biến đổi được ghi vào thanh ghi Trình tự biển đổi như sau:
“ Biên độ tín hiệu vào Vạ được so sánh với một điện áp tăng tuyến tính V,
« Khi V, dat đến Vụ thì xuất hiện một xung mở cổng Độ rộng của xung này bằng thời gian cần thiết để V, đạt giá trị Vạ
“ Trong thời gian công được mở, các xung tần số cao được đi qua cổng và được đếm bởi máy đếm địa chỉ
“ Số xung đếm này là N, tỉ lệ với biên độ tín hiệu Vạ sẽ xác định địa chỉ của tín hiệu: tại địa chỉ này số đếm sẽ tăng lên một đơn vị
Với nhiều lượng tử gamma lần lượt được biến đổi như vậy, ta thu được một hình ảnh phân bố xung theo biên độ xung, tức là một phổ gamma theo năng lượng
Trang 35Khối phân tích biên độ đa kênh (MC4)
Máy phân tích biên độ đa kênh là hệ mà trong đó dãy năng lượng quan tâm được chia thành nhiều kênh năng lượng, mỗi kênh là một cửa số năng lượng từ E, đến E,+AE Kết quả là ta có một hàm phân bố số đếm trong một cửa số AE với mỗi giá trị năng lượng E,
Máy phân tích biên độ đa kênh dựa trên cơ sở nguyên tắc biến đổi biên độ
thành chuỗi số ADC
Các khối chức năng cơ bản của một MCA là ADC và bộ nhớ Khi một xung
được ADC chuyền từ tín hiệu biên độ sang đãy số, các sơ đồ kiểm tra của bộ nhớ sẽ
tìm vị trí trong thang địa chỉ tương ứng với đãy số và thêm một đơn vị vảo vị trí đó Như vậy một đơn vị được ghi vào ô địa chí ứng với biên độ xung vào, và khối đếm thứ ¡ sẽ ghỉ thêm một đơn vị nếu xung vào có biên độ rơi vào kênh thứ ¡ Sau thời gian đo ta có thể biểu diễn kết quả trên hệ trục tọa độ hai chiều: trục hoành là số kênh, trục tung là số đếm của từng kênh, tức là ta có một phổ năng lượng của các bức xạ vảo
2.1.3 Hệ phổ kế gamma của phỏng thí nghiệm Vật lý hạt nhân
Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh
Trang 36
34
Thông số kỹ thuật: Hệ phỏ kế gamma phông thắp (sử dụng detector đồng trục
loại p)
- Ngày nhập: 12/12/2007
- Model detector: Gem 15 P4
- Hiệu suất ghi: 15 %
- Độ phân giai tai 1,33 MeV cua Co-60: 1,80 keV
- Ti sé dinh/ Compton: 50:1
- Phân mém thu nhan va xir ly phd: Maestro — 32
- Dudng kinh detector: 5,12 cm
- Chiéu dai detector: 45 cm
- Lớp nhôm 1,27 mm 2.2 Thực nghiệm
2.2.1 Chuẩn bị mẫu
2.2.1.1 Chuẩn bị mẫu chuẩn
Mẫu chuẩn được tìm từ các vật liệu tự nhiên đặc trưng cho loại mẫu ta phân
tích Mẫu so sánh được điều chế một cách nhân tạo bằng cách pha chế đây đủ các nguyên tố có mặt trong mẫu phân tích với những lượng xác định, chính xác và được dùng như là mẫu chuẩn
Mẫu chuẩn do Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (LAEA) cung cấp, là
những mẫu đã được xác định chính xác hoạt độ
Hàm lượng các nguyên tổ chứa trong mẫu chuẩn được xác định bằng cách tiến hành phân tích ở nhiều nơi, với nhiều phương pháp, nhiều phòng thí nghiệm
thực hiện, rồi nhờ vào các phép tính thống kê để suy ra kết quả Luận văn này sử dụng hai mẫu chuẩn:
=_ Mẫu chuẩn đơn LAEA-RGK-] (kali sunfat)
Trang 37Mẫu chuân đơn IAEA-RGK-I được sản xuất từ kali sunfat với độ tỉnh khiết
cao (99,83%) được cung cấp bởi công ty Merck và đã được chứng nhận lại tại Agency's Laboratories Seibersdorf
Bang 2-1 Cac thông tin của mẫu chuân đơn LAEA-RGK-I Nansen ee Don vi D6 tin cay 95% N R/UC phóng xạ riêng “K 14000° Ba/kg 13600 — 14400 20 R K 448000 mg/kg 445000 — 451000 20 Th < 0,01 mg/kg - 20 l U < 0,001 mg/kg — 20 I
Với : N là số phòng thí nghiệm cung cấp kết quả được chấp nhận (R/1/C) là sự phân loại giá trị đặc trưng cho mẫu phân tích
Trang 38
36
* Mau chuan P66200-41 (kali clorua) — mau trén thị trường - Khối lượng: 204 g
Hình 2-12 Mau chuan P66200-41 (KCI)
2.2.1.2 Lựa chọn mẫu phân tích Vị trí lầy mẫu đất đáp ứng tối đa các yêu cầu: - Không bị biến động trong nhiều năm - Bằng phẳng hoặc khả bằng phẳng
- Vùng mở không bị cỏ rậm che phủ, không gân các tán cây lớn, xa các công
trình xây dựng
- Có cỏ dại mọc nằm, thưa, căn cỗi
- Tránh những vùng có giun đất hoạt động mạnh hoặc những vùng chăn thả động vật ăn cỏ
- Không bị rửa trôi và đồn tụ nước khi mưa lớn
- Xa các vùng chia nước, tránh phía trong của đê sông
- Không bị bão lốc bụi
Trang 392.2.1.3 Chuẩn bị mẫu phân tích > Thu thập mẫu
* Khi tiến hành thu thập mẫu, mẫu đất phải là mẫu đại diện, đồng đều,
đặc trưng và phù hợp với mục đích nghiên cứu
“ Lấy khối đất tương ứng với chiều dài 40 em, chiều rộng 30 cm và sâu
20 em
= Sir dung quy tac chia tu dé lay mỗi mẫu đất khoảng 2 kg, đóng vào túi nilông 2 lớp và chuyến về phòng thí nghiệm
" Trước khi buộc túi cho phiếu ghi mẫu vào Phiếu ghi mẫu điền đây đủ các thông tin cần thiết như: địa điểm lấy mẫu, ngày giờ lắy mẫu, người lấy mẫu
Các mẫu đất được dùng để phân tích bao gồm: một số mẫu đất của huyện
Đức Hòa - tỉnh Long An
Trang 4038 ( Dat Khanh Hoa Đông (ĐH.01) Dat An Ninh Đông (ĐH.02) Đắt Lộc Giang (ĐH.03) Đắt Mỹ Hạnh Bắc (ĐH.04) Hình 2-13 Các mẫu đất chưa xử lý > Xử lý mẫu
® Dat lấy về được băm nhỏ, rây sơ để loại rễ cây và rác, phơi khô ở nhiệt độ phòng Sau đó, mẫu được đem sấy trong tủ sấy mẫu ở nhiệt độ
105”C trong khoảng thời gian vài tiếng đồng hồ cho thật khô (trọng