Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Xác định suất liều phóng xạ môi trường sử dụng detector Nal(T1) 7,6cm x 7,6cm

Phổ năng lượng gamma ghi nhận trên detector HPGe và NalT] 7.6cm x Các đông vị phóng xa trong môi trường được xác định từ phổ năng lượng gamma đo bởi detector HPGe... Dinh năng lượng của

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

KHOA VẬT LÝ

NGÔ VŨ THIÊN QUANG

KHOA LUAN TOT NGHIEP DAI HOC

TS Võ Hồng Hải

Tp Hỗ Chí Minh - 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SU PHAM TP HO CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

NGÔ VŨ THIÊN QUANG

XÁC ĐỊNH SUAT LIEU PHONG XA MOI TRƯỜNG

SỬ DUNG DETECTOR NalI(TI) 7,6cm x 7,6cm

KHOA LUAN TOT NGHIEP DAI HOC

TS Vo Hong Hai

Tp Hỗ Chi Minh - 2018

Lời cảm ơn

Trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, tôi xin gửi lời cám ơn chân

thành đền:

TS Võ Hồng Hải đã tận tình chi báo không những kiến thức cần thiết hoàn thành khoá

luận mà còn phương pháp làm việc khoa học.

TS Phạm Nguyễn Thành Vinh đã tạo môi trường gặp gỡ nhóm nghiên cứu của thay, nhờ

đó tôi được học tập và rèn luyện nhiễu kĩ năng

Quý thay trong 16 Vat Ly Hat Nhân, khoa Vật lý, trường đại học Su Phạm TP.HCM cũng

như quý thay cô bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, khoa Vật lý, trường dai học Khoa Học Tự Nhiên đã

tận tình giảng đạy và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện khoá luận.

Cuỗi cùng, tôi xin bày tỏ lòng cám ơn đến gia đình và bạn bè đã ủng hộ tôi về nhiều mặt

trong thời gian qua.

Khóa luận tốt nghiệp này hoàn thành là nhờ vào sự giúp đỡ của tất cả.

Tp Hỗ Chí Minh, Ngày 02 tháng 05 năm 2018

Sinh viên

NGÔ VŨ THIÊN QUANG

Mục lục

Danh mục hình vẽ iii

Lời mở đầu 1

1 Tổng quan 3

1.1 Giới thiêu về phóng xạ môi trường Wnhién 2 3

1.1.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường tự nhn 31.1.2 Các chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên Actinium, Uranium, Thorium — 4

1.13 Phóng xạ từ khí Radon và con cháu của Radon 11

1.2 Các đại lương vật lý mô tả tương tác bức xạ với vat chat 2 12

121 H6sOKema ci ic .ẽ ốẽẽéẽcđddddđ3 TH 12

122 IHâÊ0hÃpÙig, : co c0 (cac cc cac 2c l§Pe) fe eae 161.3 Moi tương quan giữa suất liều chiều va phố năng lượng — hệ số chuyển đổi suat

liều chu GŒ) -.-. .ẶẶ SỐ SằẶ So 18

1.3.1 Mỗi tương quan giữa suất liễu chiều và phổ năng lượng 18

1.3.2 Hệ số chuyển đối suất liêu chẻuG(E) 1913.3 Hệ số G(E) của detector Nal(Tl) 7.6cemx7.6em 19

2 Mô tả thực nghiệm đo phóng xa môi trường 21

2.1 Thí nghiệm do phóng xa môi trường sứ dung dctectorHPGe 21

2.1.2 Các thông số do thí nghiệm - phổ năng lượng

2.2 Thí nghiệm đo phóng xa môi trường sứ dung detector Nal(Tl) 7,6cm x 7,6cm

2.2.1 Detector Nal(Tl) 76cmx7,6cm

2.2.2 Các thông số do thí nghiệm - phổ năng lượng

3 Phân tích số liệu và đánh giá kết quả

3.1 Phổ năng lượng gamma ghi nhận trên detector HPGe và Nal(T1) 7,6cm x 7,6cm

3.2 Phân tích phổ năng lượng gamma HPGe và Nal(TI) 7.6cm x 7.6cm xác định

các đồng vị phóng xạ có trong môi trường

3.2.1 Xác định các đồng vị phóng xa của phổ năng lương gamma HPGe3.2.2 Xác dinh các đồng vị phóng xa của phổ năng lượng gamma Nal(TI)

FOCUS TOC ý ¿ ¿ cong 00 0020606 60 LHD TOS Tee eG

3.3 Xác định suất liêu chiều dựa vào phổ năng lượng của detector Nal(TI) 7,6cm x

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

A Xác định các đồng vị phóng xạ từ phổ nang lượng ghi nhận bởi detector NalCT1)

7,6cm x 7.6cm bang phan mềm Colegram

to tv

to +

24 24

Day phan ra phóng xạ Acunium

Day phan ra phóng xạ Uranum

Day phan rã phóng xa Thorium

Hệ số G(E) của detector Nal(TI) 7,6cm x 7.6cm dua theo hướng của

PHONG cca eee eee eee eeeeeaeaaeeaeeaes

Detector HPGe model GC2518, Canberralnc

Phố năng lương gamma do phóng xa mỗi trường tại một phòng thi

nghiệm được ghi nhận bởi detector HPỐc

Detector Nal(T1) 7,6cm x 7,6cm InSpectorTM 1000, Canberra Inc

Phổ năng lượng gamma do phóng xa môi trường tại một phòng thí

nghiệm được ghi nhận bởi detector Nal(Tl) 7,6cm x7.6cm

Phổ năng lượng gamma ghi nhận trên detector HPGe và Nal(T]) 7.6cm x

Các đông vị phóng xa trong môi trường được xác định từ phổ năng

lượng gamma đo bởi detector HPGe (a) Vùng nang lượng 50 ~ 400 keV (b) Vùng năng lương 400 — 1000 keV (c) Vùng năng lượng 1000 —

1500 keV (d) Vùng năng lượng 1500 — 2000 keV (e) Vùng năng lượng

Hình 3.4

Hình 3.5

Hình A.1

Hình A.2

Số liêu hệ số chuyển đổi suất liễu chiếu G(E) của detector Nal(TI)

7.6cm x 7,6cm được làm khớp bởi hàm đa thức

Suất liều chiếu được xác định trong môi trường phòng thí nghiệm

Dinh năng lượng của các đồng vị phóng xa trong môi trường được xác

định bang phần mềm Colegram từ phổ gamma do bdi detector Nal(TI)

7.6cm x 7,6cm (a) Vùng năng lượng 190 — 430 keV (b) Vùng nang

lượng 430 — 550 keV (c) Vùng năng lượng 550 — 680 keV (d) Vùng

nang lượng 680 — 830 keV (e) Vùng nang lượng 830 — 1030 keV.

Dinh năng lượng của các đồng vị phóng xa trong môi trường được Xác

định bằng phân mềm Colegram từ phổ gamma đo bởi detector Nal(T1)

7,6cm x 7,6em (a) Vùng nang lượng 1030 — 1340 keV (b) Vùng năng

lượng 1340 — 1600 keV (c) Vùng năng lượng 1600 — 1900 keV (d)

Vùng năng lượng 1900 — 2400 keV (e) Vùng nang lượng 2400 - 2900

Danh mục bảng

Bảng 1.1 Chuỗi phân rã phóng xa Acinium 6

Bảng 1.2 Chuỗi phân rã phóng xa Uranum §

Bảng 1.3 Chuỗi phân rã phóng xa Thorum 10

Bảng 2.1 Các thông số do thí nghiệm sử dung detector HPGŒe 23

Bang 2.2 Các thông số đo thí nghiệm sử dung detector Nal(TI) 7.6cm <7.6cm 25

Bảng 3.1 Các đồng vị phóng xa được xác định từ phổ năng lượng gamma HPGe 30

Bang 3.2 Các đồng vi phóng xạ được xác định từ phổ năng lượng gamma Nal(T1)

0€ X,.Ố€H: ci cic a co HHH HHH oD HSH 6 6 6 S3 i8 Œ 3 34

Hiện nay việc xác định suất liễu chiều sử dung detector nhấp nháy như Nal(TI) trở nênphổ biến do hiệu suất ghi nhận cao và cho thêm thông tin năng lượng Một số nghiên cứugần đây [1], [2] thực hiện nghiên cứu xác định suất liễu chiêu trên detector nhấp nháy Nal(TI)7.6em x 7,6cm dựa vào phổ năng lượng đo được và kết hợp hàm chuyển đổi suất liễu chiều

G(E) để từ đó xác định suất liễu chiều Tại bộ môn Vật lý Hạt Nhân, trường dai học Khoa Hoc

Tự Nhiên, đại học Quốc Gia TP.HCM có nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Võ Hồng Hải thực hiện

phát triển các hệ đo ghi nhận bức xa hat nhân, trong đó có hướng nghiên cứu phát triển detector

Nal(T]} trong việc xác định suất liễu chiều riêng phần sử dung detector Nal(TI)

Trong khóa luận này chúng tôi thực hiện dé tài xác định suất liều chiều sử dung detector

Nal(TI) 7,6cm x 7,6cm Thí nghiệm thực hiện đo phổ năng lượng tại phòng thí nghiệm Ky

thuật hat nhân, trưởng đại học Khoa Học Tự Nhiên, đại học Quốc Gia TP.HCM Thời gian đo

phổ được thực hiện liên tục trong một ngày đêm (24 giờ).

Bên cạnh đó, chúng tôi thực hiện thí nghiệm đo phổ năng lượng trên đetector HPGe Với

thí nghiêm này, chúng tôi muỗn xác định các đồng vị phóng xạ có trong môi trường phòng thí

nghiệm Chúng tôi cũng thực hiện so sánh khả năng ghi nhận của hai loại detector HPGe và

Nal(TI) 7,6cm < 7,6cm trong việc xác định các đồng vị phóng xa có trong môi trường Công

cu phần mém Colegram được sử dụng để xử lý xác định các đỉnh phổ cho cả phổ ghi nhậnbởi detector HPGe va Nal(TÌ) 7,6cm x 7,6em Đôi với việc xác định đồng vị phóng xạ với

nhiều đỉnh năng lượng trong phố năng lượng HPGe, chúng tôi dựa vào thông tin vẻ năng lượng

và cường độ phát tương ứng với đính năng lượng của đồng vị phóng xa để xác dinh dong vi

phóng xa đó Đối với việc xác định các đồng vị phóng xa từ phổ đo được bởi detector Nal(TU)7,6em x 7,6cm, chúng tôi kết hợp thêm mối tương quan đỉnh phổ so sánh với phổ năng lượng

HPGe cùng với phần mém phân tích phổ chuyên dụng Colegram để phân tách các đỉnh phổ

riêng biệt từ các vùng đỉnh chong chập

Dưa vào mục tiêu của đẻ tài, khóa luận được trình bày ba chương:

Chương 1: Tong quan Chương này sẽ trình bày nguồn gốc phóng xạ tự nhiên, chuỗi phóng

xa tự nhiên, một số đại lượng vật lý mô tả tương tác bức xạ với vật chat và hệ số chuyển đổi suất

liễu chiếu G(E)

Chương 2: Mô tả thực nghiệm do phóng xạ môi trường Chúng tôi mô tả các thí nghiệm

do phóng xa môi trưởng trong một phòng thí nghiệm thuộc phòng thí nghiệm Ky thuật hạt nhân,

trường đại học Khoa Học Tự Nhiên, đại học Quốc Gia TP.HCM

Chương 3: Phân tích số liệu và đánh giá kết quả Chương này sẽ thảo luận vẻ kết quả củathí nghiệm do được từ detector HPGe và Nal(TL) 7,6 em x 7.6em, cụ thé chúng tôi sẽ xác định

các đồng vị có trong môi trường từ phố ghi nhận và tính suất liễu chiều tổng

Chương 1

Tổng quan

Trong chương 1, chúng tôi trình bày nguồn gốc vẻ các chuỗi phóng xạ có trong tự nhiên,

các đại lượng mô tả tương tác bức xạ với vật chất cũng như trình bày đại lượng tính suất liễu cho

detector Nal{Tl) 7,6 cm x 7.6em.

1.1 Giới thiệu về phóng xạ môi trường tự nhiên

1.1.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường tự nhiên

Phóng xa môi trường luôn tổn tại xung quanh chúng ta, kể từ khi Trái Dat được hình thành

và phát triển sự sông Mọi cá thể sống trên Trái Đắt đều tiếp xúc với các nguồn phóng xạ Phóng

xạ môi trường có nguồn gốc từ các (1) nguồn phóng xạ tự nhiên như bức xạ vũ trụ đồng vịphóng xa tổn tại trên Trái Dat, và (2) từ nguồn phóng xa nhân tạo như trong các lò phản ứng hạt

nhân, các vụ thứ hạt nhân, nhà máy công nghiệp chiếu xạ, y tế (xa trị, chẩn đoán) Nguồn phóng

xa tự nhiên là các chat đồng vị phóng xa có trong đắt, nước và không khí, chúng hình thành nênnên phông phóng xa tự nhiên Phóng xa tự nhiên là nhân tổ đóng góp chủ yeu trong phóng xa

môi trường Phông phóng xa tự nhiên phu thuộc vào hàm lượng chat phóng xa tự nhiên chứa

trong dat và nước của từng vùng, vì vậy sẽ có vùng có phông phóng xa tu nhiên cao hoặc thắp

khác nhau.

Phóng xa tự nhiên có trong dat do sự tổn tại từ các chuỗi phóng xa Actinium (U-235),

Uranium (U-238), Thorium (Th-232) cũng như các đồng vị phóng xa khác (K-40) Hoạt độ của

các đồng vị phóng xạ này trong đất đá có thể thay đổi khác nhau, mức phóng xa trong dat phụthuộc vào loại đất, sự tạo thành khoáng sản và mật độ khoáng sản Mức chiéu xa này có liễu

trung bình trong mét năm khoảng 0,45 mSv [3].

Nước biến trong các đại dương có chứa Kali, Rubidi, Urani, Thori và Radi do tách ra từ

dat, đá rồi trôi theo dòng nước, hàm lượng của chúng trong nước nhỏ hơn trong đất 10 đến 100

lần Chất phóng xa trong nước chủ yếu là do K-40 vì nông độ của nó cao hơn nhiều so với cácđồng vị khác, chúng gây chiều xạ lên cơ thể với suat liều trung bình trong một năm dat 0,25 mSyv

[3].

Trong vật liệu xây dung cũng chứa các đồng vị phóng xa, thông thường phan lớn là các

đồng vi phóng xa tự nhiên Thành phan phổ biến trong bê tông là K-40 và các sản phẩm của

chuỗi phân ra Uranium, Thorium Một số vật liệu xây dung, ví du: xi măng, bê tông, đá hoa

cương, đá cẩm thạch đều có chứa một lượng Radon nhất định Các vật liệu được gia công từ phếliệu công nghiệp như xi lò cao, bột tro từ nhà máy nhiệt điện đều có chứa Radi, sau khi Radi

phân rã sẽ sinh ra khí Radon.

1.1.2 Các chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên Actinium, Uranium,

Tho-rium

Khoảng 76 đồng vị phóng xa tự nhiên khác nhau được biết đến ngày nay, phan lớn nằmtrong 4 chuỗi phân ra tự nhiên [4], đó là chuỗi Thorium (Th-232 với chu kỳ bán rã là 1,405 x

10'° năm), chuỗi Uranium 238 với chu kỳ bán rã là 4,468 x 10” năm), chuỗi Actinium

(U-235 với chu kỳ bán rã là 7,038 x 108 năm), chuỗi Neptunium (Np-237 với chu kỳ bán rã là

2,14 x 10° năm) Chuỗi Np-237 có thời gian sông ngắn hơn rat nhiều so với tuổi của Trái Dat,

nên dén nay chuỗi Np-237 không còn tỏn tại nữa Trong quá trình phân rã phóng xa, các đồng vị

phóng xa nói trên (đồng vị mẹ) phat ra (một hoặc đồng thời) 3 loại tia phóng xạ: alpha, beta vàgamma, tạo ra các đồng vị phóng xạ con cháu Một số sản phẩm phân rã trung gian trong chuỗi

là nguồn phat tia gamma Các thành phan chính thể hiện trang thái cân bằng cường đô bức xạcủa tia gamma cho mỗi phân rã của hạt nhân me [5].

Trong đất và thực vật, một số đồng vị phóng xạ khác có mặt với thời gian bán rã rat dài và

không có trong các chuỗi phân rã Đồng vị quan trọng nhất là đồng vị phóng xa K-40 trong đất

và cây cối Tỷ lệ 45° = 0,012% là hang số Sự phân bố của đồng vi này khá đồng nhất.

a Chuỗi phóng xa Actinium (U-235)

Xuất phat từ đồng vị U-235, trải qua 11 lần phân rã để cudi cùng thành đồng vị chì bén

vững Pb-207 (có đô phổ cập là 22, 1%) Hình 1.1 trình bày về sơ đỗ phân rã của chuỗi U-235

Trong chuỗi U-235 có quá trình phân rã tao ra khí tro Rn-219 có chu kỳ bán rã 3,96 giây quá

ngắn để vào trong khí quyến và cũng là lí do không khảo sát đồng vị này trong môi trường không khí xung quanh Bang 1.1 trình bày về các sản phẩm phân rã, cũng như thời gian bán rã

của chuỗi U-235

5,979 1,149

Rn-223

Rn-219 Ra-223

At-219

Po-215 Po-215

Bảng 1.1: Chuỗi phân rã phóng xạ Actinium [6].

Đồng vị ¬ Thời gian Năng lượng Sia phân

Hình 1.2: Day phân rã phóng xa Uranium [6].

Đồng vi phóng xạ U-238 được tim thay trong hau hết các loại đá, đắt và vật liệu xây dung,

trai qua 14 lan dich chuyển, thành đồng vị chì bén vững Pb-206 (có đô phố cập là 24, I %) Hình

1.2 là sơ dé phân rã của chuỗi U-238 Ngày nay tỉ lệ =3 ~ 0.72% Bảng 1.2 trình bày các

sản phẩm phan rã cũng như chu ky bán rã có trong chuỗi U-238

7

Chuỗi phóng xa Uranium đáng chú ý nhất là đồng vị Ra-226 và khí Rn-222 được sinh ra.Nguyên tố Ra-226 trong môi trường không tổn tại đưới dạng khoáng cht riêng lẻ mà tổn tại ở

dang muối clorua, bromua, nitrat dé hòa tan trong nước hoặc một số mudi ít tan kết hợp với các

khoáng chất khác như canxicacbonat, oxit sắt ngậm nước Đồng vị Ra-226, phát ra nhiều bức xa

gamma, chiếm 85, 5% bức xa gamma của cả dãy Trong dãy này có khí Rn-222, khi U-238 phân

rã trong đất khí Rn-222 được sinh ra ngưng đọng thành chất lỏng dưới bẻ mặt đất, khi chất lỏng

ở bẻ mặt đất bắc hơi vào khí quyển, Rn-222 sẽ khuếch tán vào bau khí quyển, gây ảnh hưởng

đến sức khỏe của con người.

Bang 1.2: Chuỗi phân rã phóng xa Uranium [6]

Đồng vị Thời gian Năng lư

Rn-222 a 3, 8235 ngày 5,590 Po-218

0 (99, 98%) 6,615 Pb-214 Po-218 3,1 phut

Bảng 1.2: Chuỗi phân rã phóng xạ Uranium [6].

Dong vi Thời gian Năng lượn

B- (99.99987%) 1.426 Po-210

Bi-210 §,013 ngày

@ (0,00013%)} 3,982 T1-206 Po-210 a 138.376 ngay 5,407 Pb-206

trên cùng của vỏ Trái Dat khoảng 1,2 x 107% Hàm lượng Thori có xu hướng tăng dan trong

các lớp bề mặt Đó là do các khoáng chất chứa Thori có độ hòa tan cực kỳ thấp Do đó, kết quả

theo sau các quá trình phong hóa là các thành phần khác nhau của đất bị phân hủy ở mức đô rất

lớn trong khi các khoáng chat Thori phân hủy ở mức độ thắp hơn, vì vậy mà Thori ở các lớp bể

mặt được làm giàu Nên Thori được tim thấy trong hau hết các loại dat, đá, vật liệu xây dung,

bê tông và gạch Bảng 1.3 trình bày vẻ các sản phẩm phân rã cũng như thời gian bán rã có trongchuỗi Th-232.

Bang 1.3: Chuỗi phân rã phóng xạ Thorium [6].

Đồng vị Thời Năng lượn gv! Phân rã gian & lượng Sản phẩm

Pb212 B> 10,64 giờ 1,263 Bi-212

xem trang tiếp theo

10

Bảng 1.3: Chuỗi phân rã phóng xạ Thorium [6].

Dong vi Thời gian Năng lượn

28 Phân rã ⁄ oe San pham

phong xa ban ra (MeV)

1.1.3 Phóng xa từ khí Radon và con chau của Radon

Khí Radon (khí trd) là sản phẩm của các chuỗi phân rã cùng với các đồng vị con cháucủa nó là thành phan đóng góp vào phông nén Các thành phan đó bao gồm Rn-222 (7) ;; = 3.8

ngày) trong day phân rã phóng xa Uranium, Rn-219 (7; ;; = 3.96 giây) wong day phan rã phóng

xa Actinium và Rn-220 (7) » = 54,5 giây) trong day phân ra phóng xa Thorium Trong không

khí gân mặt dit, hoạt độ của Radon thay đổi theo gió và thời tiết, hoạt đô thay đổi trong khoảng

từ 0, 1 + 10Bq/m? [7] (hoạt độ trung bình là 3,7 Bg/m*) trong phòng thông hơi kém nhưng chủ

yếu là Rn-222 do có chu kỳ bán rã đài Bức xa gamma từ phân rã của Rn-222 chủ yếu đến từ

đồng vị con cháu Pb-214 (0,45 giờ), Bi-214 (0,33 gid) và Pb-210 (22, 3 năm)

Khí Radon khuéch tán từ dắt, vật liệu xây dựng vào không khí, con chau của Radon phóng

xa thường ở dang rắn ở các điều kiện thông thường và bám vào các hat bụi khí quyển, khi con

người hít bụi sẽ gây ra sự chiều trong cơ thể rat có hai Lượng Radon trong nhà ở phụ thuộc vào

vùng địa lý, vào mùa trong năm và các yếu tổ địa lý, khí hau Trong các phòng kín lượng Radon

lớn hơn rất nhiều so với ở ngoài trời, néu vượt quá mức cho phép là môt trong những nguyên

nhân gây nên ung thư phổi Sống liên tục trong nhà có lượng Radon vào khoảng 1508g/m` thìnguy cơ tử vong do ung thư phổi tăng thêm từ 1 đến 3% [8].

II

1.2 Cac đại lượng vật lý mô tả tương tác bức xạ với vật chat

1.2.1 Hệ số Kerma

Khi các hạt photon tương tác với môi trường vật chất, sẽ sinh ra các hạt mang điện thứcap (electron, positron) và truyền toàn bộ năng lượng AV hay truyền một phan năng lượng củaphoton cho các hat mang điện này đưới dạng động năng Các hat mang điện thứ cấp này có thể

có các động năng khác nhau, tùy thuộc vào kiểu tương tác và vào mức năng lượng liên kết trong

nguyên tử Gọi &, là năng lượng trung bình bức xa truyền cho các hạt mang điện thứ cấp trong

một vùng thể tích trong một khoảng thời gian Khi đó hệ số kerma K tại điểm trong vùng thể

tích đang xét là [9]

_ đu

K= `

trong đó dm là vi phân khdi lượng vat chất tai điểm trong vùng thé tích đang xét

Vay kerma (kinetic energy released per mass unit) được định nghĩa là nang lượng ma

chùm hat photon truyền cho các hạt mang điện thứ cấp trong mỗi đơn vị khối lượng tại điểmđang xét, hay cụ thể hon kerma là tổng tat ca đông nang ban đầu của các hat mang điện thứ cấpđược sinh ra bởi chùm hạt photon trong một thể tích xác định của vật chắt chia cho khỗi lượngvật chất chứa trong thể tích đó [9] Giá trị trung bình kerma trong một vùng thể tích chứa khối

lượng vật chất m là “¢ Đơn vị của kerma là gray (Gy) với

1Gy = lJ /kg = 10°rađd = 10* erg/g (1.2)

Khi biết thông lượng năng lượng y gây bởi nguồn photon đơn nang tại một điểm thì có

thể tinh kerma thông qua hệ số suy giảm truyền năng lượng khỗi Hệ số này đặc trưng cho

năng lượng của photon và số nguyên tử Z của vật chất Khi đó [9]

K=v( ") (13)

12

ở đây 8, được gọi là hệ số truyền năng lượng (phụ thuộc vào năng lượng photon và môi trường

và thường được xác định bằng thực nghiệm) có đơn vị là m~!, ø là mật độ có đơn vị là kg/m’,

y là thông lượng năng lương có đơn vị là J /ề.

Nếu xét toàn bộ phố năng lượng từ E = 0 tới E = Emax thì y' (E) là hàm vi phân phân b6

theo năng lượng photon và = cũng là hàm phu thuộc năng lượng photon, khi ấy [9]

E=Eaux

r= | ve) (2) ae, (14)

E=0

trong đó w'(E) = $f có đơn vị là Jum”? keV! dE có đơn vị là keV.

Từ phương các phương trình (1.3) và (1.4), giá trị trung bình ( Ei) xét trén toan phé nang

Sau khi chùm photon đơn năng Av đi vào trong vật chất, các hạt mang điện thứ cắp có thể

có các động năng khác nhau và chúng mắt năng lượng theo hai đạng sau [9]:

¢ Do va chạm với các electron khác trong nguyên tử vật chat hap thụ Gọi năng lượng trung

bình các hat này mắt đi do va chạm là năng lượng hap thụ trung bình £,„

e Do phát bức xạ (bức xa ham, hủy cặp) Gọi nang lượng trung bình các hạt mang điện nay

là tỉ số giữa năng lượng trung bình phát ra do bức xạ và động năng trung bình của các hạt mangđiện thứ cấp (có giá trị phụ thuộc tính chất của môi trường và năng lượng của photon) Như vậyphan nang lượng hap thu sẽ là [9]

Một điểm đặc biệt ở đây rang K, có thể tinh bằng thông lượng nang lượng y gây bởi

nguồn photon đơn năng thông qua hệ số hắp thu năng lượng khối (=) khi đó [9]

Với các đơn vị tương ứng với phương trình tính kerma (1.3) Trường hợp xét toàn bộ phổ năng

lượng từ E = 0 tới E = E„ax thì tính tương tự như phương trình (1.4) và (1.5), chi can thay K

Giả sử suất kerma là hang số thì [9]

«

K(.n) = K (n — o), (1.14)

đây cũng là giá trị trung bình của kerma trong khoảng thời gian í¡ — fp.

1.2.2 Liều hap thụ

Liễu hap thụ là năng lượng trung bình nhận được trên đơn vị khối lượng của vật chất từ

bức xa [3] Gọi £ là năng lượng của bức xạ mắt đi do sự ion hóa trong déi tương bị chiều xa, thì

khi ấy liễu hap thu tại một diém trong vùng thể tích đang xét là [9]

_ dé

D = (1.15)

Giá trị trung bình của liễu chiếu trong suốt vùng thể tích chứa khối lượng vật chat m là

D = £ Don vị của liều hap thu giỗng với kerma, Giá trị liều hap thu bức xạ phụ thuộc tính chất

của bức xạ và môi trường Sự hap thụ năng lượng của môi trường dỗi với tia bức xa là do tươngtác của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất Do đó năng lượng hap thu trong một đơn vịkhối lượng phụ thuộc vào năng lượng liên kết của các electron với hạt nhân nguyên tử và vào sốnguyên tử có trong một đơn vị khối lượng của môi trường vật chat hap thụ, nó không phụ thuộc

vào trang thái kết tụ của vật chất [3].

Suất liễu hap thu là liễu hap thu tính trong một đơn vị thời gian có giá trị là [9]

Tương tự như kerma, trường hợp suất liễu hap thụ là hang số thì giá trị trung bình của liễu hap

thụ trong khoảng thời gian 7; — f là [9]

D(to,t)) = Dị" — tì) (1.18)

1.2.3 Liều chiếu

Liễu chiều của tia X và tia gamma là phần nang lượng của nó mắt đi để biển đổi thànhđông năng của hạt mang điện trong một đơn vị khối lượng của không khí ở điều kiên tiêu chuẩn

[3] Nói cách khác thì liễu chiều mô tả khả năng ion hóa không khí của chùm photon Xét một

lượng không khí có khối lượng đ bị chiếu bởi một chùm photon, khi đó liễu chiếu X là ti số

[9]

_6

Si, —, (1:19)

trong đó dQ(C) là lượng điện tích của các hạt mang điện (electron/ positron) xuất hiện do sự

ion hóa không khí bởi photon trong một khối thể tích Điều kiện áp dụng ở đây là mọi hat mangđiện được sinh ra déu đừng lại trong dm va toàn bộ dQ được ghi nhận, Don vị của liễu chiều

trong hệ SI là C/&g với

1C/kg = 3876R (1.20)

Một điều can chú ý khí chùm photon đi vào một vùng thé tích không khí khô, nó sẽ sinh

ra trong đó các hạt mang điện thứ cắp (điển hình là electron), các electron này tạo ra các ion bêntrong cũng như ở bền ngoài khỏi không khí này Do đó, khi định nghĩa liễu chiếu theo Roentgen

ta phải dam bảo điều kiện cân bang electron, nghĩa là tổng năng lượng của các electron mang ra

khỏi thể tích nghiên cứu phải bằng với tổng năng lượng của các clectron mang vào thể tích này

[3].

Liễu chiều X là đại lượng ion hóa tương đương của kerma va cham K, trong không khí

Để hiểu rõ mỗi quan hệ này, chúng ta cần xét đến một đại lượng W là năng lượng tung bình để

l6

tạo một cặp ion - electron trong không khí khô.

Goi 7; là đông năng ban dau của electron (hoặc positron) thứ i được phát ra từ chùm

photon chiếu đến vùng không khí đang xét Và gọi ø là số phan động nang 7; được dùng choquá trình phát bức xạ của các electron ban dau (bức xa hãm, hủy cặp) Cho nên 1 — g; là số phần

đông năng 7; được dùng cho quá trình va cham của electron ban dau với các clectron khác trong

nguyên tứ Vậy tổng động năng của các electron mat đi trong quá trình va chạm là LTi(1 — gi)

i

[9].

Goi N; là số cap ion - electron được sinh ra trong không khí bởi các electron (hay positron)

có đông năng 7; Và gọi g/ là số phan cặp ion - electron được sinh ra bởi photon trong quá trìnhphát bức xa của các electron ban đầu (bức xạ hãm, hủy cặp) Vì thé 1 — g/ là số phan cặp ion -electron được sinh ra trong quá trình va chạm của electron ban dau với các electron khác trong

nguyên tử Vậy tổng số cặp ion - electron sinh ra trong quá trình va chạm là EM (1 —29/') [9]

-(cặp ion) Giá trị năng lượng trung bình để tạo một cặp ion - electron trong không khí khô là

33.97 eV /¡.p [10] Ta chuyển đổi đơn vị ¿.p thành e đồng thời lấy W chia cho e và đổi đơn vị

Ta có thể thay giá trị 33,97,/C của Tụ, bang với 33, 97eV /¡.p của W Hơn thé nữa, giá trị này

được xem như một hằng số với mọi chat khí và độc lập với photon năng lượng thấp

17

Từ đó, ta có mối liên hệ giữa liều chiều X và kerma va cham K, là [9]

Nếu xét toàn bộ phổ năng lượng từ E = 0 tới E = Emax thì y’ (E) là hàm vi phân phân bổ

theo năng lượng photon và “© cũng là hàm phu thuộc năng lượng photon, khi ấy [9]

là [9]

X=X(n -h) (1.27)

1.3 Mối tương quan giữa suất liều chiếu và phổ năng lượng

— hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E)

1.3.1 Mối tương quan giữa suất liều chiếu và phổ năng lượng