giáo trình ghi đo bức xạ bê ta

GHI ĐO BỨC XẠ BETA VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU MÔI TRƯỜNG Nguyễn Thị Linh Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt Mở đầu (1) Nghiên cứu, kiểm soát phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc đo đạc hoạt độ của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong các mắt xích khác nhau của chúng. Phân tích phóng xạ là lĩnh vực thách thức vì chất phóng xạ và môi trường mà chúng tồn tại vô cùng phức tạp. Chất phóng xạ có thể xuất hiện theo nhiều dạng, phần trăm, mode và năng lượng phân rã khác nhau, và mỗi nuclides có hơn một mode phân rã. Ngoài ra, sự khác nhau về sơ đồ phân rã từ chuỗi phân rã, sự cân bằng giữa các đồng vị con cháu và đồng vị mẹ, tốc độ phân rã sẽ làm cho quá trình phân tích đối với từng nuclide trở nên phức tạp. Vấn đề phân tích còn bị chi phối bởi môi trường hóa học và vật lý. Hiện nay, có nhiều phương pháp phân tích hiện đại phát triển ứng dụng phân tích hoạt độ phóng xạ. Các loại detector khác nhau sử dụng đo phóng xạ với số lượng khổng lồ, và thiết kế ở trạng thái khí, lỏng và rắn. Các loại này khác nhau không chỉ về trạng thái vật lý mà cả trạng thái hóa học. Thiết bị và vành chắn điện tử kết hợp với đetector ghi bức xạ cũng khác nhau. Kết quả là các detector ghi bức xạ, thiết bị được kết hợp với nhau phục vụ đo phóng xạ với hiệu suất ghi của detector khác nhau, phụ thuộc nhiều hệ số như: đặc trưng của thiết bị, loại năng lượng mà bức xạ sinh ra, cũng như tính chất mẫu phân tích. Sự lựa chọn phù hợp một loại detector ghi bức xạ hay phương pháp phân tích phóng xạ phù hợp, yêu cầu sự hiểu biết về tính chất của bức xạ hạt nhân, cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất, chu kỳ bán hủy của nhân phóng xạ, sơ đồ phân rã, phần trăm phân rã, năng lượng phân rã là vấn đề cơ bản đối với các phương pháp xác định và đo phóng xạ. Sự lựa chọn detector và thiết bị phù hợp nhất phụ thuộc vào yêu cầu riêng đối với từng trường hợp cụ thể. Mở đầu (2) 2. TỔNG QUAN (1) 2.1. Các ĐVPX tự nhiên + Các ĐVPX có nguồn gốc từ vũ trụ ⇓ Bề mặt Trái đất. + Các ĐVPX có nguồn gốc từ vỏ Trái đất  Phổ biến nhất là 40 K và các ĐVPX tạo thành chuỗi: 235 U, 238 U và 232 Th (T 1/2 dài).  Một số ĐVPX khác hoạt độ nhỏ, ít phổ biến hơn: 50 V, 87 Rb, 113 Cd, 115 In, 123 Te, 138 La, 142 Ce, 144 Nd, 147 Sm, 174 Hf… + Tăng phông các ĐVPX tự nhiên do CN Bức xạ từ vũ trụ (photon năng lượng cao, hạt nặng mang điện…) tương tác với các hạt nhân N và O trong tầng cao của KQ → các ĐVPX 3 H, 7 Be, 14 C, 22 Na… 4 5 Sơ đồ phân rã của 238 U 6 Sơ đồ phân rã của 235 U 7 Sơ đồ phân rã của 232 Th 2.2. Các ĐVPX nhân tạo Có nguồn gốc từ: + Các vụ thử hạt nhân + Chôn cất thải phóng xạ dưới đáy đại dương + Sự cố hạt nhân + Phóng thích thông lệ mức thấp có kiểm soát của các cơ sở BX, HN (NMĐHN, cơ sở xử lý nhiên liệu) 2. TỔNG QUAN (2) 8 9 2.2. Các ĐVPX nhân tạo. Các ĐVPX nhân tạo được quan tâm chủ yếu là 90 Sr, 137 Cs và 239 Pu. Chúng được sinh ra từ các vụ thử vũ khí hạt nhân, thải từ các sự cố hạt nhân, các sự cố từ lò phản ứng hạt nhân,… - Sơ đồ tạo thành 90 Sr: β - 32.3s β - 153s β - 28.8y β - 64.1h 90 Kr 90 Rb 90 Sr 90 Y 90 Zr 6.5% β - 93.5% β - 3.82m β - 97% β - (24.5s) 136 Xe (beàn) 137 Xe 137 Cs 137 I - Sơ đồ tạo thành 137 Cs: 3% 137 Ba (beàn) 137m Ba β - 23.54m β - 2.3d α 2.4×10 4 y 238 U (n,γ) 239 U 239 Np 239 Pu - Sơ đồ tạo thành 239 Pu: γ (2.55m; 661KeV) 2. T NG QUAN Ổ (3) 10 2.3. Các kỹ thuật phân tích  Đ m alphaế  Đ m bêta phông th pế ấ  Ph k nh p nháy l ngổ ế ấ ỏ  Ph k gamma phông th p ổ ế ấ  Ph k alpha phân gi i cao tr c ti pổ ế ả ự ế  Ph k alpha phân gi i cao, k t h p v i k thu t tách hóaổ ế ả ế ợ ớ ỹ ậ Ở đây chỉ xin trình bày phương pháp ghi đo bức xạ beta. 2. TỔNG QUAN (4) [...]... 16 3 ĐO HOẠT ĐỘ BETA (5) 3.3 Nguyên tắc cơ bản về ghi đo bức xạ (1) • Có 3 loại detector ghi đo bức xạ: detector có dòng khí, nhấp nháy và detector bán dẫn Có thể phân loại detector tương ứng với dạng vật lý của hệ đo như các dạng rắn, lỏng, khí; có thể phân loại tương ứng với tín hiệu ghi nhận đầu ra như tín hiệu dòng điện (ion), ánh sáng, và tương ứng với chức năng như: đếm, phổ độ cao xung, đo liều,... Calibration 18 3.4 Cấu trúc và phân loại detector Hệ detector ghi đo bức xạ bao gồm 3 hợp phần: • • • Detector có vùng hoạt: là nơi xẩy ra tương tác bức xa; Các hợp phần gắn với detector để duy trì các điều kiện ghi đo tối ưu; Thiết bị hiển thị chính xác thông tin thu được từ detector và chuyển đổi nó thành tín hiệu đầu ra 19 3.5 Các loại detector ghi đo bức xạ( 1)  Detector ion hóa khí (buồng ion hoá, ống đếm... hiển thị dạng phổ • Nguyên lí hoạt động của hầu hết các detector đo bức xạ dựa trên cơ sở của sự ghi điện tử hoặc ion (như buồng ion hoá, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger-Muller) hay • Ghi các photon ánh sáng được phát ra bởi các nguyên tử hay phân tử bị kích thích: detector nhấp nháy ( rắn và lỏng) 17 3.2 Nguyên tắc cơ bản về ghi đo bức xạ (2) Amplification Signal Reader Physical Chemical Biological Detector...3 ĐO HOẠT ĐỘ BETA (1) 3.1 Phân rã beta •   11 3 ĐO HOẠT ĐỘ BETA (2) 3.1 Phân rã beta •   12 7 Ionization and Excitation by α- or β- rays α-ray or β-ray loses a part of energy by ionization and / or excitation in material, and a Ionization Process β- ray large number of electron and positive ion are produced... ray or β- ray changes to thermal energy 13 3 ĐO HOẠT ĐỘ BETA (3) 3.2 Tương tác của hạt β với vật chất Hạt β tương tác với vật chất: • • • Năng lượng sinh ra do quá trình ion hóa, Kích thích điện tử lớp vỏ ( obital) , Giảm động năng của nó do bức xạ hãm Vì vậy, Turner (1995) mô tả độ mất năng lượng đối với hạt β là tổng của sự mất do va chạm và năng lượng phát xạ: • Do hạt β mất năng lượng dọc theo đường... broken 22 3.5 Các loại detector ghi đo bức xạ( 2) 3.5.1 Detector chứa khí (1) • Vùng ion hoá: Khi thế đặt vào giữa 2 vùng đếm thấp, điện trường sinh ra không lớn, các điện tử và ion tích điện dương chuyển dịch về các điện cực với tốc độ thấp, tốc độ quá trình tạo cặp Khi tăng cao thế các ion chuyển dịch nhanh hơn và quá trình tạo cặp giảm và sự tái kết hợp giảm Vì vậy, tín hiệu ghi nhận được từ đầu ra tương... phóng xạ phát beta và chất nhấp nháy (một hỗn hợp cốc tail nhấp nháy) hấp thụ năng lượng phân rã hạt nhân Năng lượng phân rã phóng xạ sẽ chuyển vào hỗn hợp cocktail bị kích thích và chuyển thành năng lượng ánh sáng Cường độ của ánh sáng sinh ra do chất nhấp nháy kích thích tỷ lệ với năng lượng phân rã hạt nhân của hạt beta Đặc biệt đối với bức xạ beta có năng lượng thấp như H-3, C-14, Sơ đồ nguyên lý... Scintillator 1) Organic molecules become to excited states Excited Activator state Forbidden band (S1, S2, S3), after absorbing radiation energy 2) Within the order of ps, they promptly transit to the lowest level of the first excited state Scintillation 3) Within the order of ns, they transit to several light Ground vibration levels of the ground state, followed state by emission of visible light Charged particle... atoms in excited state Intensity 4) The activator atoms turn to the ground state spectrum Absorption 　 Fluorescence in response to life time of the excited state, followed by emission of visible light Wave length λ( = c /ν) 　 34 3.5.2 Detector nhấp nháy(2) 3.5.2.1 Phân tích nhấp nháy lỏng (1) Nguyên lý: Phân tích nhấp nháy lỏng dựa vào nguyên lý tương tác giữa các nhân phóng xạ phát beta và chất nhấp... khí (3) Đếm tỷ lệ dòng khí • • • • • • Đếm riêng biệt α-β Hệ số khuyếch đại 10 6 Thời gian chết thấp Hình học đếm 2π Cửa sổ “Windowless” xác định α Phù hợp cho đếm α,β trong PTN đo mẫu môi trường Alpha+Beta Alpha+Beta Beta Beta Background 28 Gas-Flow Proportional Counter Fill gas outlet Fill gas inlet anode (window- Detector optional) sample O-ring Sample planchet 29 Proportional Counters 30 3.5.1.3 . chỉ xin trình bày phương pháp ghi đo bức xạ beta. 2. TỔNG QUAN (4) •  11 3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (1) 3.1. Phân rã beta •  12 3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (2) 3.1. Phân rã beta 13 Ionization and Excitation. GHI ĐO BỨC XẠ BETA VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU MÔI TRƯỜNG Nguyễn Thị Linh Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt Mở đầu (1) Nghiên cứu, kiểm soát phóng xạ môi trường. chắn điện tử kết hợp với đetector ghi bức xạ cũng khác nhau. Kết quả là các detector ghi bức xạ, thiết bị được kết hợp với nhau phục vụ đo phóng xạ với hiệu suất ghi của detector khác nhau, phụ