Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Khảo sát sự suy giảm của bức xạ theo độ cao của mẫu chuẩn trên trên hệ Gamma phông thấp

Bức xạ vũ trụ sơ cấp được tạo nên bởi những hạt năng lượng cực ky cao khoảng 10'* eV va chủ yếu là các proton cùng với một số hạt khác có năng lượng lớn hơn.. Trong loại vũ khí này, bức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM TP.HÒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

elie

LUAN VAN TOT NGHIEP DAI HOC

Thanh phé H6 Chi Minh, thang 5 nam 2009

LOI CAM ON

Trong sudt quá trình thực hiện luận văn, cùng su nô lực của bản thân, em đã nhận

được sự giúp đỡ, động viên của thầy cô, bạn bè và gia đình

Em xin gửi lời cám ơn đến:

Thay trưởng khoa, TS Thái Khắc Định, va các thay ở phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi để em thực hiện tốt luận văn nảy.

Thầy Hoàng Đức Tâm đã tận tỉnh hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt

quá trình làm luận văn.

Các bạn lớp Lý cử nhân K3I, đã giúp đỡ và động viên mình trong

suốt thời gian thực hiện dé tải

Gia đình đã quan tâm, động viên tỉnh thần giúp con thực hiện tốt luận

văn nay.

Sau cùng em xin kính chúc quý thầy cô luôn mạnh khỏe và thành công trong

sự nghiệp giáo dục.

MO DAU

1 Dat van dé

Pong vị phóng xa có mặt ở khắp moi nơi từ khi Trái Dat sinh ra chúng có những ảnh hưởng

nhất định đến con người Ngay trong mỗi bộ phận cơ thể con người cũng chứa những hạt nhân phóng

xạ Ai cũng biết, nhờ đồng vị Cacbon phóng xạ 'ÝC tồn tại trong xương người mới có phương pháp ''C

dé xác định tuôi người tiền sử.

Xung quanh chúng ta, dong vị phóng xạ có trong đất đá, cây cỏ, nước, không khí Tuy vậy, sự phân bố của chúng không đều giữa nơi này và nơi khác Vì hàm lượng phóng xa trong môi trường phụ thuộc vào vị trí địa lý, kiến tao địa chất, loại cây cỏ, tinh trang sinh sống của con người, vao cả vật liệu

xây dựng và kiến trúc ngôi nhà ở v.v Phổ biến nhất là đồng vị phóng xa Kali ('ÝK) và các hạt nhân

trong dãy phóng xạ Urani và Thori Riêng trong day phóng xạ Urani, một sản phẩm rat đáng lưu ý là

222

khí phóng xa Radon (”°Rn) Khí Radon là tác nhân gây nguy cơ ung thu hàng dau trong các chất gâyung thư phôi mà hiện nay thế giới đang cảnh báo Qua phân tích trên, việc xác định hoạt độ các chất

phóng xạ trong các mẫu môi trường là rất cần thiết, Có hai phương pháp xác định hoạt độ của mẫu môi

trường như sau:

© Phương pháp tuyệt đối: là phương pháp đo mẫu trực tiếp mà không thông qua mẫu chuẩn.

e© Phương pháp tương đối: là phương pháp đo hoạt độ của mẫu thông qua hoạt độ của mẫu

độ cao của mẫu chuẩn.

Luận văn được tiền hành bằng phương pháp thực nghiệm Việc khao sát dựa vao các mẫu chuân

của Trung tâm hạt nhân TP.Hồ Chi Minh và hộp có đường kính 2pi.

Hình 1: Các đối tượng nghiên cứu

2 Bố cục luận văn

Luận văn được trình bày theo ba phần chính:

Phần mở đầu trình bay mục dich, đối tượng và phương pháp nghiên cứu.

“ Phan nội dung được chia làm ba chương:

Chương I trình bày tông quan các van đề cần nghiên cứu: Nguồn gốc phóng xa, Radon và sức khỏc

con người, các phương pháp phân tích hạt nhân và các tương tác của tia gamma với vật chất.

Chương 2 là phần thực nghiệm trình bay vẻ hệ phổ kế gamma phông thấp của phòng thí nghiệm thuộc

Trường Đại học sư phạm TP.HCM và một số đồng vị phóng xạ cần quan tâm

Chương 3 là phần kết quả nghiên cứu: xử lý phô gamma và khảo sát sự pụ thuộc của điện tích đỉnh

theo độ cao.

Phần kết luận, tong kết quá trình nghiên cứu, hạn chế của đề tài

Chương 1 TONG QUAN CAC VAN DE CAN NGHIÊN CUU

1.1.1.1 Các nhân phóng xạ nguyên thủy

Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất gồm các họ phóng xạ Uranium, Thorium và các hạt nhân

phóng xạ nhẹ khác như “K, *’Rb, Dén nay người ta biết ba họ phóng xạ tự nhiên là họ Thorium

(”Th), Uranium (ỀU), và Actinium (°U) Tat cả các thành viên của các họ nay, trừ thành viên cuối

cling, đều là các dong vị phóng xa.

Uranium gồm ba đồng vị khác nhau: khoảng 99,3% là ” °U, khoảng 0,7% là ””U và khoảng

5.103 là **U **U và ˆ*“U thuộc cing một họ gọi là ho Uranium, còn *°U là thành viên đầu tiên củamột họ khác, gọi là họ Actinium *3*Th là thành viên đầut ién của họ Thorium Họ phóng xạ thứ tư là

họ phóng xạ nhân tạo, được gọi là họ Neptunium Ce ”Np).

s* Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung:

- Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn

vị địa chất

- Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của

nguyên tố Radon Trong trường hợp ho Uranium, khí “Rn được gọi là Radon, trong họ Thorium, khí

TMRn được gọi là thoron còn trong ho Actinium khí “°Rn được gọi là action Chú ý rằng trong họ phóng

xạ nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xạ Trong ba loại khí phóng xạ thì Radon đóng

vai trỏ quan trọng nhất vì nó có thời gian bán rã 3,825 ngày lớn hơn nhiều so với thời gian ban rã của

thoron (52s) và actinon(3,92s).

- Sản phẩm cudi cùng của mỗi họ đều là chì : *"°Pb trong ho Uranium, *”’Pb trong họ Actinium

và *“Pb trong ho Thorium Trong khi đó thành viên cuối cùng trong họ Neptunium là “““Bi.[3]

Hình 3: Họ phóng xa Uranium (4n+2)

Trong tự nhiên còn ton tại một số đông vị phóng xạ khác, ví dụ như ““K rất phố biến trong môi

trường ( ham lượng potassium trung bình trong đất đá là 27g/kg va trong đại dương khoảng 380mgi/lit),

trong thực vật, động vật và cơ thé người ( hàm lượng potassium trung bình trong co thé người là

khoảng 1,7g/kg).

Đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là 4C, thời gian bán rã là 5600năm “C là kết quả

của quá trinh biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn pha hạt nhan #Ñ, Trước khi xuất hiện bom hạtnhân hàm lượng tông cộng của “C trong khi quyền vào khoảng 1,5.10''MBq(4MCi), trong thực vật

vào khoảng 4,8.10''MBq(13MCi) và trong đại dương vào khoảng 9.10'?MBq( 240MCi) Việc thử

nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng dang ké luong !%C, Tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân cho đếnnăm 1960 đã thải ra khí quyền khoảng 1,1.10!'MBq(3MCi) Carbon phóng xa tồn tại trong khí quyềndưới dang khí CO›, do đó chúng được các con vật hít vào và cây cối hap thụ trong quá trình quang hợp

Vi chỉ có các thực vật còn sống mới hap thụ ''C cùng với carbon không phóng xạ nên có thé xác địnhtuổi thực vật bằng cách đo hoạt độ riêng của carbon hiện tại Đồng thời đánh giá được tuéi mẫu khảo

cô vật liệu hữu cơ theo các số liệu đo hoạt độ riêng ''C của chúng.[2]

1.1.1.2 Các nhân phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ

s* Nhân phóng xạ từ vũ trụ:

Các bức xạ vũ trụ có rất nhiều trong không gian, chúng ton tại chủ yếu ngoài hệ mặt trời Chúng

có nhiều dạng khác nhau, từ những hạt nặng có vận tốc rất lớn đến các photon năng lượng cao Tầngtrên của khí quyên Trái Đất tác dụng với nhiều loại tia vũ trụ và làm sinh ra các nhân phóng xạ Phần

lớn các nhân phóng xạ này có thời gian bán rã ngắn hơn các nhân phóng xạ tự nhiên có trên Trái Dat,

Băng 1: Các nhân phóng xa bắt nguồn từ vũ trụ

Nhân Thời gian | Nguôn gốc Hoạt độ tự

phóng xạ | bán rã nhiên

ae 5600 y Các tương tác vũ trụ, “N (np) “C | 0,22 Ba/g

H Các tương tác vũ trụ với N hay O, | 1,2.10°

Bức xạ vũ trụ được chia làm hai loại là bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp Bức xạ vũ trụ sơ cấp được

tạo nên bởi những hạt năng lượng cực ky cao (khoảng 10'* eV) va chủ yếu là các proton cùng với một

số hạt khác có năng lượng lớn hơn Phần lớn các tia vũ trụ sơ cấp đến từ bên ngoài hệ mặt trời còn một

phan đến từ mặt trời do quá trình cháy sáng

Một số nhỏ bức xạ vũ trụ sơ cấp xuyên xuống bề mặt Trái Đất còn phần lớn chúng tương tác với

khí quyền, sinh ra các bức xạ vũ trụ thứ cấp hoặc ánh sáng mà ta có thé nhìn thấy được trên mặt đất

Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ năng lượng thấp hơn, bao gồm việc hình thành các photon

anh sang, các electron và các hạt muyon rơi xuông mặt Trái Dat

Lớp khí quyên và từ trường Trái Dat có tác dụng như một lớp vỏ bọc che chắn các tia vũ trụ Như vậy liều bức xạ con người nhận được sẽ phụ thuộc vào độ cao mả người đó đang ở.

Từ bức xạ vũ trụ, hàng năm con người có thé nhận một liễu cỡ 0,27 mSy và con sô nay sẽ tăng lên

gấp đôi cứ một làn tăng độ cao lên 2.000m

Suất liều điển hình của bức xạ vũ trụ: 0,04 wGy/h trên bẻ mặt Trai Đất; 0,2 wGv/h ở độ cao

5.000m; 3 Gy/ ở độ cao 20.000m [2]

1.1.2 Nguồn phóng xạ nhân tạo

Chỉ chiếm một lượng rất nhỏ so với lượng phóng xạ tự nhiên Tuy nhiên, một phan lượng

phóng xạ này đã bị phát tán vào trong môi trường của thé giới chúng ta Một số chat đã được thải vao

khí quyển đo các vụ thử vũ khí hạt nhân và phần nhỏ hơn nhiều là các nhà máy điện hạt nhân.

1.1.2.1 Vũ khí hạt nhân

Là loại vũ khí mà năng lượng của nó do các phản ứng phân hạch hoặc phản ứng nhiệt hạch gây

ra Một vũ khí hạt nhân nhỏ nhất cũng có sức công phá lớn hơn bất kỳ vũ khí quy ước nào Vũ khí hạt

nhân đơn giản nhất lay năng lượng từ quá trình phân hạch (còn gọi là quá trình phân rã hạt nhân) Các

loại vũ khí cao cấp hơn thì lấy năng lượng nhiều hơn từ quá trình nhiệt hạch (còn gọi là tong hợp hạt

nhân) Trong loại vũ khí này, bức xạ nhiệt từ vụ nỗ phân rã hạt nhân được dùng đề nung nóng vả nén

đầu mang tritium, deuterium, hoặc lithium, từ đó xay ra phản ứng nhiệt hạch với năng lượng được giải

thoát lớn hơn rất nhiều Nó có thê giải thoát một năng lượng lớn hơn hàng ngàn lần so với bom nguyên

tử.

Năng lượng từ vụ nỗ vũ khí hạt nhân thoát ra ở bốn loại sau đây:

e Áp lực — 40-60% tông năng lượng.

e Bite xạ nhiệt — 30-50% tông năng lượng.

e©_ Bức xa ion — 5% tông năng lượng.

¢ Bức xạ dư (bụi phóng xạ) - 5-10% tông nang lượng [7]

1.1.2.2 Điện hạt nhân

Điện hạt nhân đã có lịch sử 50 năm, đóng góp to lớn cho sự phát triển kính tế - xã hội của nhiều

quốc gia

Theo thống kê của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), vào cuối năm 2002, toàn

thế giới có 441 nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động Những nhà máy này cung cấp 16% tổng sản

lượng điện toàn cầu năm 2002, hay 2.574 tỷ kWh

Giai đoạn khởi đầu, khi công nghệ chưa được thương mại hoá thì điện lần đầu tiên được sảnxuất bằng năng lượng hạt nhân vào ngày 20/12/1951 tại lò thử nghiệm EBR-I của Mỹ và thắp sáng

được bốn bóng đèn

Từ đầu thế kỷ XXI tới nay, khi an ninh năng lượng có ý nghĩa quyết định và công nghệ điện hạt

nhân ngày càng được nâng cao thì xu hướng phát triên điện hạt nhân đã có những thay đôi tích cực.

Tâm nhìn 2020 của Mỹ về phát triển điện hạt nhân đề nghị tăng 10.000MW cho 104 nhà máy điện hạtnhân hiện có Anh quay trở lại phát trién điện hạt nhân do thiếu hụt năng lượng trong khi Indonesia đã

lập dự án khả thi và dự kiến sẽ đưa tô máy điện hạt nhân đầu tiên vào vận hành năm 2015 Trên toàn

thé giới, dự kiến trong thập niên tới sẽ tăng khoảng 100 lò phan ứng năng lượng, các lò nảy hoặc dangxây hoặc đã đưa vào kế hoạch xây dựng Khoảng 200 lò khác đang xem xét đưa vào kế hoạch xây

dung trong 20-30 năm téi.[8]

Dự kiến từ nay đến giữa thé ky, công suất điện hat nhân toàn cau sẽ tang từ 372.000 MW hiện nay lên

đến 1.000.000 MW, và tỷ trọng sản lượng điện hạt nhân sẽ đạt đến con số 19% tông sản lượng điệntoàn cầu Trong đó, tỷ lệ điện hạt nhân tương ứng ở một số nước, theo ước tính, sẽ là: Mỹ: 50%; Pháp:

85%; Nhật Bản: 60%; Hàn Quốc: 70%; Trung Quốc: 30%; Indonesia:40% và Thái Lan, Philipin,

Malaysia, Việt Nam: 20% Đến giữa thé ky, công suất điện hạt nhân toan cau sẽ tang từ 372.000 MW

hiện nay lên 1.000.000 MW

Tại Việt Nam thì việc đầu tư nhà máy điện hạt nhân đã được néu rõ trong Quyết định của Thú

tướng Chính phủ về “Phé đuyệt quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét đếnnăm 2025 Chính phủ đang chỉ đạo EVN lập đự án đầu tư xây dựng 2 nhà máy điện nguyên tử vớicông suất tông cộng 4.000MW Về thời hạn, dự kiến đến năm 2020 tô máy điện hạt nhân đầu tiên sẽ

đưa vào hoạt động, và đến năm 2025, mạng lưới điện quốc gia sẽ được bổ sung 11.000MW công suất

điện hạt nhân (bằng 5.5 lan công suất của nhà máy thủy điện Hòa Bình hiện nay) tăng ty trọng điện hat

nhân, trong toàn bộ hệ thông điện quốc gia, lên đến con số 20-30% Hy vọng đúng mốc thời gian đó, năm 2020, Việt Nam sẽ không lỡ hẹn và sẽ chính thức đi vào lịch sử như là một trong những quốc gia

đầu tiên ở Đông Nam A có điện hạt nhân.[§]

1.1.2.3 Tai nạn hạt nhân

Ngành vật lý hạt nhân đã xay ra nhiều tai nạn hạt nhân lớn nhỏ khác nhau, như: Pakistan vừa

hứng chịu vụ tai nạn chết người đầu tiên tại các cơ sở hạt nhân, khi xảy ra rò ri khí gas tại nha maynước nặng Khushab ở tỉnh Punjab, khiến hai người thiệt mạng Ủy ban năng lượng nguyên tử Pakistan

khang định, tình hình tại nhà máy Khushab đã được kiểm soát và không có mối de doa nào đối với

cuộc sông của cộng đông Day là tai nan chết người dau tiên tại một cơ sở hạt nhân của nước này.

Tham họa nguyên tử Chernobyl xảy ra vào ngày 26 tháng 4 năm 1986 khi nhà máy điện nguyên

tử Chernobyl bị nỗ Đây được coi là vụ tai nạn hạt nhân trầm trọng nhất trong lịch sử năng lượng hạt

nhân Do không có tường chắn, đám mây bụi phóng xạ tung lên từ nhà máy lan rộng ra Thảm hoạ này

phát ra lượng phóng xạ lớn gap bốn trăm lần so với quả bom nguyên tử được ném xuống Hiroshima

Ước tính cỡ 56 người chết ngay lập tức; 47 công nhân và 9 trẻ em vì ung thư tuyến giáp, và ước tính rằng có khoảng 9.000 người, trong số gân 6.6 triệu, cuối cùng sẽ chết vì một loại bệnh ung thư nảo

đó.[7]

1.2 Radon và sức khóc con người

Radon là một loại khí có tính phóng xạ tự nhiên 222 của chuỗi Uranium-238,

Radon-220 của chuỗi Thorium-232 và Radon-119 của chuỗi Uranium-235, thường được gọi là các Radon và

các Thoron Trong đó, mức độ nguy hiểm của Radon-222 là rất cao đo chu kỳ bán hủy bởi phân rã phóng xạ là 3.5 ngày Radon, có tính trơ hoá học, không liên kết với các nguyên tử vật chất chủ của nó,

và thoát qua các vết rạn và lỗ trong rất nhỏ trong mặt đất, rồi khuếch tán vào không khí , từ đó chúng ta

có thé hít phải

Đó là hiện tượng tự nhiên trong cuộc sống Các hạt nhân con của Radon cũng có tính phóng xạ.

Khi chúng ta hít phải Radon và các hạt nhân con của nó, một số phân rã phóng xạ sẽ xảy ra trong phôichúng ta Các hat alpha được sinh ra có năng lượng rất cao sẽ bắn phá nhân tế bảo phê nang, gây ra các

sai hỏng nhiễm sắc thẻ, tác động tiêu cực đến cơ chế phân chia tế bào Một phần năng lượng phân rã

hạt nhân truyền cho hạt nhân phân rã, làm các hạt nhân này bị giật lùi Năng lượng giật lùi của các hạt

nhân Radon có thẻ đủ dé phá vỡ các phân tử protein trong tế bào phế nang Kết quả là xác suất gây ungthư do Radon rất cao Từ khi bệnh ung thư bắt đầu xuất hiện do phóng xạ, cho đến khi nó phát triển tới

mức có thé quan sát được các biêu hiện lâm sàng, phải mat một khoảng thời gian trễ nhiều năm Nguy

cơ ung thư phối phát triển do sự chiếu xạ của Radon tuỳ thuộc vào lượng khí Radon mà chúng ta hít

phai.Cang có nhiều Radon trong không khí nguy cơ cảng lớn Hàm lượng Radon trong không khí còn

tuỳ thuộc vào mức độ thông gió Có một số nơi mà ở đó các mức Radon có thê rất cao: trong một số hang động hoặc trong một mỏ Uranium đưới long dat được thông khí kém.

Việc đánh giá nguy cơ ảnh hưởng sức khoẻ phan lớn dựa trên bằng chứng vẻ tỷ lệ mắc phải ung

thư phôi trong số các công nhân mo Uranium trong quá khứ.

Các mỏ hiện đại được thông khí tốt dé giữ cho nồng độ Radon thấp, nhưng những thời kỳ trước đây, các công nhân mỏ Uranium đã nhận những liều phóng xạ rất cao từ Radon mà họ đã hít vào Dựa

trên bằng chứng đó, các hệ số rủi ro được ước tính Ngoài trời, nông độ Radon thường vào khoảng 10Bq/ mỶ Trong nhà, nồng độ Radon có thé từ 20 đến 10.000 Bq/ mỶ, hoặc nhiều hơn nữa

Hiện nay, Việt Nam chưa khuyến cáo mức nông độ Radon trong nhà bao nhiều là mức can thiệp

Nhưng, nhiều nước đã khuyến cáo rằng, nòng độ Radon trung bình hằng năm trong một ngôi nhà

không nên vượt quá 200 Bq/ mỶ (mức can thiệp)

Theo Luật môi trường của Mỹ, mức cho phép khí Radon trong nhà ở là <4pCi/Inam, tương

đương 0,148 Bg/năm, hay 148 Bq/m năm Theo tiêu chuẩn an toàn bức xạ của Cơ quan Năng lượngNguyên tử Quốc tế (IAEA) nồng độ khí Radon trong nhà ở của dân chúng không được vượt quá dai từ

200 đến 600 Bq/m /năm, nghĩa là từ 0,6 đến 1,7 Bq/m”/ngày.[9]

1.3 Các phương pháp phân tích hạt nhân

Hiện nay có khá nhiêu phương pháp phân tích hạt nhân Mỗi phương pháp có khả năng đáp ứngđược những yêu cau khác nhau Sau đây là một số phương pháp như phương pháp phân tích kích hoạt

(neutron, photon ), phương pháp đo phô alpha, béta, phương pháp đo phô gamma phông thấp,

phương pháp phân tích huỳnh quang tia X, phương pháp phân tích Urani

Phương pháp phân tích kích hoạt được sử dụng rất rộng rãi vì nó có khả năng phân tích đồng

thời nhiều nguyên tổ với độ nhạy va độ chính xác cao, mẫu phân tích không bị phá hủy và không bị

nhiễm ban trong quá trình phân tích (phân tích các mẫu vật quý hiếm) Nhưng phương pháp này có sự

chồng chập phô.[6]

Phương pháp đo phô alpha cũng cho phép xác định hoạt độ của các hạt nhân đồng vị trong đãy

uranium và thorium nhưng quá trình xứ lý mẫu thi rất phức tap

Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X, có thé phan tích nhanh với độ chính xác cao (5 phút

đến 30 phút), it tốn kém và đặc biệt là không hủy mẫu Nhưng phương pháp nay thì chỉ phân tích được

bê mặt và khó phân tích được nguyên tô nhẹ

Phương pháp đo phô gamma mô tả việc sử dung phép do phd gamma dé đo các photon gamma phát ra từ các nhân phóng xạ trong một mẫu ma không cần tách các nhân phóng xa ra khỏi chất nền

của mẫu Sự phát hiện đồng thời nhiều chat phát tia gamma trong mẫu được thực hiện bằng một

detector bán dẫn germanium được che chắn có độ phân giải cao nối với một máy phân tích đa kênh

(MCA) bao gồm tối thiêu 4096 kênh và một hệ thông ghi nhận và kết xuất dit liệu liên quan Việc xử

lý tự động số liệu phô ghi nhận được có thé được điều khiển một cách thuận lợi bằng một hệ thống

máy tính với một phan mềm được chọn lọc và là một phương tiện tiện lợi trong việc xử lý số liệu.Phương pháp này có thé được áp dung cho phan lớn các mẫu sinh học và môi trường như là (không khí,nước, đất, trầm tích rau , cỏ khô ) và đặc biệt là các thực phẩm về rau cải va các mẫu có nguồn gốc

động vật Phương pháp này là phù hợp dé theo đối và giám sát họat độ phóng xạ bắt ngudn từ sự họat

động của các nhà máy hạt nhân, việc thử các vũ khí hạt nhân và việc thải từ các tai nạn hạt nhân.

1.4 Tương tác của tia gamma với vật chất

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 birt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử

hay sinh ra các cặp electron-positron, rồi các electron này gây ion hóa môi trường Có ba dang tương

tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, tan xạ Compton vả hiệu ứng tạo cặp.

1.4.1 Hiệu ứng quang điện

Lượng tử z va chạm không đản hồi với nguyên tử và trao toản bộ năng lượng của minh choelectron liên kết của nguyên tử Một phan năng lượng nay giúp electron thắng lực liên kết, phan còn lại

trở thành động năng của electron.

Theo định luật bảo toàn năng lượng:

E=T +l

ụ

Với 7„: năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử

7 : động năng của electron,

Động lượng của hệ được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên tử Do điều kiện bảo toàn năng

lượng và động lượng electron tự do không thẻ hap thụ hay bức xạ một photon Do đó, hiệu ứng quang

điện xảy ra mạnh nhất đối với lượng tử z có năng lượng cùng bậc với năng lượng liên kết của electrontrong nguyên tử Đối với các electron nằm ở các lớp vỏ nguyên tử sâu và với nguyên tử có bậc số

nguyên tử Z lớn, nang lượng của electron cảng lớn Vi vậy, với khoảng nang lượng của bức xạ z cao

hơn tia X, hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở lớp K(30%) Mặt khác, hiệu ứng quang điện tăngmạnh đối với môi trường vật chất có bậc số nguyên tử lớn Tiết điện hấp thụ của hiệu ứng quang điện

phụ thuộc vào năng lượng của lượng tử z và loại nguyên tử Cụ thẻ là tiết điện hap thụ tỷ lệ với Z°,

nghĩa là nó tăng rất nhanh đối với các nguyên té nặng Nếu năng lượng của bức xạ y tới chỉ lớn hơn

năng lượng liên kết của eˆ thì tiết điện hap thụơ,(E) tỷ lệ với 1/ E**, nghĩa là nó giảm rất nhanh khităng năng lượng Khi năng lượng bức xạ z tới lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết, ơ,(E)

giám chậm hơn theo quy luật E” Trong khoảng năng lượng liên kết của electron, tiết điện hap thụ thay đôi gián đoạn, nghĩa là xuất hiện các đỉnh hap thụ tại các giá trị năng lượng hơi cao hơn năng lượng

liên kết của electron trong các lớp Bởi vì, theo định luật bảo toàn năng lượng , ở năng lượng thấp hơn

năng lượng liên kết của electron lượng tử z không thé tham gia hiệu ứng quang điện.[ 1]

Hình §: a Hiệu ứng quang điện - b Tiết điện hiệu ứng quang điện phụ thuộc năng lượng gamma E

Trong khoảng năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử, tiết diện hấp thụ Z,(£) rất lớn

hơn so với tiết điện của các quá trình khác Khi tăng năng lượng, tiết diện hap thụ ơ,(E) giảm mạnh,

vi khi đó electron trong nguyên tử được xem như electron tự do Vi dụ, với Al ta có:

o, ~6.10''*em ở E=1 keV

o, = 6.10 cm” ở E=0,1 Mev.

Hiệu ứng quang điện là cơ cau hap thụ chủ yêu ở vùng năng lượng thập, vai trò của nó trở nên

không đáng kể ở vùng năng lượng cao.[ I ]

1.4.2 Hiệu ứng Compton

Hiệu ứng Compton là hiện tượng lượng tử z tan xạ trên electron của nguyên tử và lệch khỏi hướng đi

ban dau Năng lượng của lượng tử z ban đầu được truyền cho electron và lượng tử z tan xạ Do năng

lượng của lượng tử y lớn hon rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử nên

electron được xem là electron tự do Photon tan xạ có năng lượng nhỏ hon năng lượng của photon tới

(hư < hư )

hv = hw +|I/|+T, trong đó 7 là động năng của electron ban ra

Hình 6: a Hiệu ứng Compton - b Sơ đồ tán xa gamma lên electron tự do

Liên quan giữa động năng của photon tán xạ vả góc tán xạ cho bởi hệ thức:

_

1+ ol (l-cos@)

me

hự

=-Với Av năng lượng của lượng tử z tán xạ.

hv năng lượng của lượng tử z ban đầu.

mục là khôi lượng nghĩ của electron (=0,511 Mev)

Hiệu ứng Compton là quá trình tương tác photon — vật chất chủ yếu trong khoảng năng lượng

một vài trăm keV đến một vài Mev Hiệu ứng Compton có thê xảy ra đối với electron “tự do"(liên kết yêu với nguyên tử) hay với electron liên kết chặt với nguyên tử vi ở đây nhờ có photon tán xạ mà có thé thỏa mãn đồng thời cả hai định luật bảo toàn xung lượng và năng lượng.[I]

1.4.3 Hiệu ứng tạo cặp

Trong quá trình nay photon biến thành một cặp clectron- positron Cặp e ,e sinh ra trongtrường điện từ của nhân và năng lượng của nó truyền hết cho cặp e ,„e* và nhân giật lùi Do khối lượng

nghỉ của lượng tử y bang 0 nên nó chỉ có thê tạo cặp nếu năng lượng của nó lớn hơn tông năng lượng

nghi của electron va positron (fv > 1.022 Mev).

Hình 7: Hiệu ứng sinh cặp electron-positron

Theo định luật bảo toàn điện tích thì tông điện tích các hạt tạo thành phải bằng 0 vì photonkhông có điện tích Quá trình tạo cặp e ,e` xảy ra chủ yếu gần trường Coulomb của hạt nhân, hạt nhânnày cũng hap thụ một phần xung lượng của photon ban dau Tiết điện hiệu dụng tỉ lệ với Z”, nghĩa là

hiệu ứng xảy ra chủ yếu đối với các nguyên tô nặng (Z lớn) Các positron được tạo ra cudi củng cũng

sẽ lại biến mat đo bị hủy cặp với electron của nguyên tử: e ~e” > 2y

Quá trình tạo cặp đóng vai trò quan trọng đối với các photon năng lượng từ khoảng SMcv trở

lên.[4]

Sự hình thành các đặc trưng của phô gamma:[4]

Các quá trình tương tác nói trên dẫn đến sự hình thành các đặc trưng của phd gamma:

Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng của photon tới E, =hv trêndetector, do đó trong phô gamma xuất hiện đỉnh hap thụ toàn phan ứng với năng lượng E.:

Trong quá trình tán xạ Compton, photon tới chỉ mắt một phần năng lượng, phần còn lại chuyển

thành năng lượng của photon tán xạ Sự phân bố giữa hai phần này tùy thuộc vào góc tán xạ Do đó

trên phô xuất hiện nén liên tục ( nền Compton) trai dai từ giá trị E, wo xuống Tia z sau khi tan xa lần

đầu có thé tiếp tục bị tán xạ nhiều lần, cuối cùng bị hấp thụ hoàn toan trong detector do hiệu ứng quang

điện Quá trình tán xạ Compton nhiều lần này cũng đóng góp vào đỉnh hap thụ toàn phần, mức độ đóng

góp tùy thuộc vao thê tích detector.

Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành hai lượng tử z năng lượng 0,511Mev Tùy theo trường hợp

cả hai lượng tử nay bị hap thụ hoặc một hoặc cả hai lượng tử nay bay ra khỏi detector mà ta thấy xuất

hiện các đình sau đây:

© Cá hai lượng tứ z húy cặp đều bị hap thụ hoàn toàn trong thẻ tích nhạy của detector: ta được

Chương 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Giới thiệu về hệ phố kế Gamma

2.1.1 Các loại detector thường dùng cho phô kế Gamma

Đề ghi phd gamma hiện nay ta thường dùng hai loại detector:

¢ Detector nhấp nháy với tinh thé Nal (TI).

¢ Detector ban dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe)

Loai detector ban dan Ge cho pho chat lugng cao hon nhung gia thanh cao hon va yéu cau cao

hơn về thiết bị đi kẻm

Day buồng chi ( 3 tắm )

2.1.1.1 Detector nhấp nháy với tinh thé Nal (TI)

Bao gom:

- Tinh thẻ nhấp nháy bằng chất Nal có pha thêm hoạt chat hóa Tl : Khi lượng tử gamma tương

tác với chất nhấp nháy, nó sẽ tạo ra electron tự do có động năng lớn qua một trong ba cơ chế Electron

này sẽ kích thích các phân tử của chất nhấp nháy và khi các phân tử này trở về trạng thái cơ bản sẽ phát

ra chớp sáng Chất nhấp nháy có Nal, có ti trọng 3,67g/cm” chiết suất 1,85 hiệu suất gan 100%, bước

sóng ánh sáng có xác suất lớn nhất là 410 nm, cường độ sáng phân rã với hằng số thời gian phân rãchính bằng khoảng 30 ns

- Ong nhan quang dién: bao gồm photocatot, một anot va một hệ các điện cực trung gian gọi làdynot Một điện áp cao được đặt giữa catot va anot, các đynot được cung cấp một phan điện áp cao bởimột bộ chia thế

Tia sáng phát ra từ tinh thé nhấp nháy đập vào photocatot sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện và cho

ra các photoelectron Các photoelectron này được gia tốc bởi điện trường giữa cac đynot và mỗi lần

đập vào một dynot lại tạo ra electron thứ cấp, sau mỗi lần đập vào một đynot thì số electron được nhân

lên 2-5 lần (a = 2-5) Kết quả là sau khi đập vào n đynot chùm electron được tăng lên M lần

M=(aV)" , M gọi là hệ số nhân của ông nhân quang điện [4]

2.1.1.2 Detector bán dẫn Germanium siêu tỉnh khiết

Đề ghi phô gamma với chất lượng cao hiện nay ta thường dùng detector bán dẫn làm bằng Gesiêu tinh khiết

Khi lượng tử gamma bay vào chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên các electron tự đo thông qua ba hiệu

ứng chủ yếu Electron tự do di chuyên với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyền lên

vùng dan và dé lại lỗ trồng Như vậy thông qua các hiệu ứng tương tác, bức xa gamma đã tạo nên một loạt các electron và lỗ trống trong tinh thé ban dẫn Dưới tác động của điện trường các electron sẽ

chuyển động vẻ cực dương, các lỗ trống sẽ chuyển động về cực âm, kết quả ta có một xung dong điện

ở lỗi ra Năng lượng cân thiết dé tạo ra một cặp electron- lỗ trống trong Ge là 2,96 eV.[4]

Nếu nang lượng của tia gamma là E thì số cặp electron-lỗ trong ma nó tạo ra được trong Ge là

Ef£ VỚI €=2,%6eV

s* Phan loai:|4]

a Detector HPGe loại P kiểu đồng trục: Khi sử dụng phải đặt điện áp cao, đương khoảng 2-5

KV đề kéo các cặp electron- lỗ trống tạo ra Loại nay hiệu suất giảm nhiều ở nang lượng tia

gamma thấp (<100keV).

b Detector HPGe loại n kiểu đồng trục Khi sử đụng cần đặt cao áp âm Loại này hiệu suất ít bị

giảm hơn ở năng lượng thấp

c Detector HPGe hình giếng: Loại này có hiệu suất hình học cao nên thích hợp cho các phép

đo hoạt độ nhỏ Độ phân giải năng lượng có kém đôi chút do đặc điểm cau tạo.

d Detector phang (plana): Có độ phân giải tốt nhưng hiệu suất giảm nhanh ở năng lượng cao

nên chỉ thích hợp dé đo ở vùng năng lượng thấp

2.1.2 Các đặc trưng kỹ thuật của hệ phổ kế gamma

2.1.2.1 Độ phân giải năng lượng

Độ phân giải năng lượng của detector là tỷ số của (FWHM) và vị trí đỉnh Hạ Độ phân giải năng

lượng là đại lượng không thứ nguyên và được diễn ta theo %.

Trong đó: FWHM là bề rộng ở một nửa giá trị cực đại và được định nghĩa như be rộng của phân

bố tại tọa độ bằng một nửa độ cao cực đại của đỉnh, với điều kiện tất cả phông nên đã được loại bỏ

độ phân giải xấu thì bề rộng của đường cong phân bé sẽ rộng hơn nhiều Nếu khắc phục được sự thăng giảng thong kê thì bẻ rộng của đường cong phan bỏ sẽ trở nên nhỏ hơn lúc này phép đo cảng chính xác.

Hình 10: Hàm đáp ứng đối với những detector có độ phân giải tương đối tốt và độ phân giải tương đối

xâu

2.1.2.2 Hiệu suất ghi

Hiệu suất của detector thé hiện ở số xung ghi được khi có một lượng bức xạ vao cho trước Đối

với những bức xạ không mang điện như gamma hoặc neutron thì khi vao detector chúng phải qua

nhiều quá trình tương tác thứ cấp trước khi có thẻ được ghi nhận Bởi vì những bức xạ này có thể

truyền qua khoảng cách lớn giữa những lần tương tác và như thể chúng có thê thoát ra khỏi vùng làm

việc của detector, vì vậy hiệu suất của detector là nhỏ hơn 100% Khi đó, hiệu suất của detector thật sự

cân thiết để liên hệ số xung đếm được với số photon hoặc neutron tới detector Người ta chia hiệu suấtdém của detector thành hai loại là:

% Hiệu suất tuyệt đối (absolute effect)

— sỐ xung được ghi nhân

Ens = số bức xạ được phát ra bởi nguon

Hiệu suất tuyệt đối phụ thuộc không chỉ vào tính chat của detector mà còn phụ thuộc vào hình họcdém như khoảng cách từ nguồn đến detector

s* Hiệu suất nội (intrinsic effect)

số xung được ghi nhận

sô bức xạ tới detector

En =

Hiệu suất nội không chứa góc khối nhìn detector như trong hiệu suất tuyệt đối Hiệu suất nội tiệnlợi hơn hiệu suất tuyệt đổi vì hiệu suất nội gần như không phụ thuộc vào yếu tố hình học giữa detector

và nguồn, nó chi phụ thuộc vào vật liệu detector, năng lượng bức xạ tới va bề day vật lý của detector

theo chiêu bức xạ tới.

Hiệu suất đếm được phân loại theo bản chất của bức xạ được ghi nhận Nếu chúng ta ghi nhậntat cả xung từ detector khi đó cần phải sử dụng hiệu suất tông (total efficiency) Trong trường hợp nay

tat cả các tương tác dù có năng lượng thấp cũng giả sử được ghi nhận, sự phân bố chiều cao xung viphân được trình bảy trong hình 10.

Trong đó diện tích toàn phan dưới đỉnh phố là tổng tat cả các xung không dé ý đến biên độ được ghi nhận, có thé được chi ra từ định nghĩa của hiệu suất toàn phan Trong thực tế, bat kỳ hệ đo nảo

cũng đỏi hỏi những xung được ghi nhận phải lớn hơn một mức ngưỡng xác định nào đó được đặt ra

nhằm loại bỏ những nhiễu do thiết bị tạo ra Như thé chúng ta chi có thé tiến tới thu được hiệu suất

toản phân lý thuyết bởi việc đặt mức ngưỡng nảy cảng thấp càng tốt Tuy nhiên hiệu suất đỉnh (peakefficiency) được gia sử chỉ có những tương tác mà làm mat hết toàn bộ năng lượng của bức xạ tới được

ghi Trong phan bố độ cao xung vi phân, những bức xạ mang năng lượng toàn phan nay được thé hiện bởi đỉnh mà xuất hiện ở phan cuối cao nhất của phô Số bức xạ có năng lượng tông có thé thu được

bằng tích phân điện tích đưới đỉnh và được chỉ ra là phan gạch chéo trong hình 10 Hiệu suất toàn

phan va hiệu suất đỉnh được liên hệ bởi tỷ số “ đỉnh-tông” (peak to total) r [1]

Ti số này cho ta đánh giá khả năng của detector có thé phân biệt được các đỉnh yếu, nang lượng

thấp năm trên nền Compton của các đỉnh năng lượng cao Đó là tỉ số giữa chiều cao của đỉnh hap thụ

toàn phan (peak) với chiều cao của nên Compton tương ứng ( thưởng lấy ở rìa” Compton) Ti số naycàng cao thi càng có lợi cho phép đo hoạt độ thấp và pho gamma phức tạp Tỉ số này phụ thuộc thẻ tíchdetector: các detector lớn có tỉ số P/C lớn vì phần đóng góp của tán xa Compton nhiều lần vào đỉnh hap

thụ toàn phần lớn Ti số P/C theo quy định thường được tính bằng cách chia độ cao của đỉnh 1,33Mev

cho độ cao trung bình của nền Compton trong khoảng 1040 keV và 1096 keV.[4]

2.2 Hệ pho kế Gamma của PTN trường ĐHSP TP.Hồ Chí Minh

2.2.1 Cấu tạo

Detector | Tiên khuếch đại + Khuếch đại — ADC ky MCA

Nguôn cao áp nuôi detector Computer

Một hệ thong phd kế gamma tích phân hoàn toàn dé xác định định tính và định lượng các vật

chat phát tia gamma Hệ thông này gồm một detector Germanium độ tinh khiết cao (HPGe), buông chi,

hệ phân tích đa kênh (MCA) Tín hiệu điện từ detector được khuếch đại sơ bộ qua tiền khuếch đại và được đưa vào bộ khuếch đại tuyến tính Sau khi tín hiệu được khuếch đại, chúng được đưa qua bộ phận phân tích đa kênh rồi được ra PC ở dang phô năng lượng gamma Toàn bộ quá trình được điều khiển bằng chương trình Maestro-32 Hệ thống được trang bị với một đetector bán đẫn Diode Germanium với một hiệu suất tương déi 15% và được dựa trên một phép đo đạc thông thường của định tia gamma

1.33MeV của nguồn Co-60 với một detector nguồn có đường kính là 51,2mm, đường cao là 45mm Độ

phân giải của detector — mà nó được đặc trưng cho các detector Germanium với độ rộng hoản toan