Khảo sát đáp ứng của detector HPGe cho phóng xạ môi trường bằng phần mềm geant4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Bích Hậu KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA DETECTOR HPGe CHO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG BẰNG PHẦN MỀM GEANT4 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thành phố Hồ Chí Minh - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Bích Hậu KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA DETECTOR HPGe CHO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG BẰNG PHẦN MỀM GEANT4 Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60.44.01.06 LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Võ Hồng Hải Thành phố Hồ Chí Minh – 2013 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực luận văn, nhận nhiều giúp đỡ tận tình, chu đáo với tinh thần khoa học trách nhiệm cao Thầy/Cô khoa Vật lý trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh môn Vật Lý Hạt Nhân trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành kính trọng đến: TS Võ Hồng Hải không Thầy hướng dẫn khoa học tận tình hướng dẫn, động viên truyền đạt kinh nghiệm quý báu nghiên cứu khoa học Bên cạnh đó, Thầy tạo điều kiện tốt để sớm hoàn thành luận văn PGS TS Châu Văn Tạo Thầy/Cô môn Vật Lý Hạt Nhân tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để thực luận văn Ths Nguyễn Quốc Hùng hướng dẫn nhiều bước làm quen với chương trình mô Geant4 Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy/Cô truyền đạt kiến thức trình học, Phòng Sau Đại Học, Khoa Vật Lý trường Đại Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ nhiệt tình suốt thời gian thực luận văn Cảm ơn bạn bè động viên Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn chân thành tới ba mẹ, gia đình tạo điều kiện thuận lợi để thực việc học làm luận văn tốt MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tương tác xạ gamma với vật chất 1.1.1 Hiệu ứng quang điện 1.1.2 Tán xạ Compton 1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp 10 1.1.4 Hiệu ứng Rayleigh 12 1.2 Tương tác xạ muon với vật chất 14 1.3 Giới thiệu phóng xạ môi trường 16 1.3.1 Các chuỗi phóng xạ nguyên thủy tự nhiên 17 1.3.2 Phóng xạ xạ vũ trụ muon 21 1.4 Giới thiệu hệ phổ kế HPGe GC2018 22 1.4.1 Giới thiệu 22 1.4.2 Mô tả đầu dò HPGe GC2018 23 1.5 Giới thiệu chương trình mô Geant4 25 1.5.1 Giới thiệu chung 25 1.5.2 Cấu trúc chương trình Geant4 25 CHƯƠNG 2: BỐ TRÍ MÔ PHỎNG HỆ ĐO HPGE 27 2.1 Bố trí mô 27 2.2 Chương trình Geant4 28 2.2.1 Kết cấu hình học tính chất đối tượng 28 2.2.2 Tương tác vật lý 37 2.2.3 Các thiết lập sở ban đầu 38 2.3 Chương trình tác động độ phân giải 40 2.4 Chương trình lưu liệu vẽ phổ 41 2.4.1 Chương trình lưu liệu 41 2.4.2 Chương trình vẽ phổ 42 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 43 3.1 Dạng phổ đồng vị K-40 nhận xét 43 3.2 Dạng phổ đồng vị U-238 nhận xét 46 3.3 Dạng phổ đồng vị Th-232 nhận xét 49 3.4 Dạng phổ muon nhận xét 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 57 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải h Hằng số Planck 6,626.10-34J.s c Vận tốc ánh sáng chân không 3.108m/s Na Số Avogadro 6,02.1023 hạt/mol m0 Khối lượng nghỉ electron 9,1.10-31kg re Bán kính quỹ đạo cổ điển electron 2,8179.10-15m σ0 Độ lệch chuẩn Ee Động quang electron E Năng lượng gamma tới EB Năng lượng liên kết electron lớp vỏ Ek Năng lượng liên kết electron lớp K Z Số hiệu nguyên tử Chữ viết tắt Diễn giải Geant4 Geometry and Tracking CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (European Organization for Nuclear Research) FWHM Full Width Hafl Maximum HPGe Hight Pure Germanium Tp.HCM Thành phố Hồ Chí Minh LNHB Laboratoire National Henri Becquerel MCNP Monte Carlo N Particle MỞ ĐẦU Trong môi trường có nhân phóng xạ nguyên thủy phổ biến U-238, Th-232, U-235, K-40 Các nhân phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn so sánh với tuổi trái đất Trong nồng độ U-238 có giá trị trung bình toàn giới 25 Bq/kg Nồng độ Th-232 đất dải từ đến 300 Bq/kg tương tự U-238 có giá trị trung bình toàn giới 40 Bq/kg Nồng độ K-40 đất dải từ 37 đến 1100 Bq/kg có giá trị trung bình 400 Bq/kg Còn lượng nhân phóng xạ U-235 chiếm 0,72% tổng lượng uranium có tự nhiên nên có môi trường đất Việc nghiên cứu phóng xạ môi trường khả ghi nhận đầu dò, phân tích phổ cho phép xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ Để đánh giá hoạt độ mẫu môi trường thường dựa vào nhiều tham số hiệu suất ghi đầu dò, độ phân giải lượng đặt biệt phông phóng xạ Đối với phông nền, nguyên nhân phông Compton, phông xạ vũ trụ Sự tự hấp thụ mẫu nguyên nhân Để nắm rõ ảnh hưởng phông khả ghi nhận, tính chất hoạt động đầu dò, bên cạnh thực nghiệm, việc mô tính chất đầu dò quan trọng Hiện nay, phần mềm có độ tin cậy cao dùng việc mô gồm GEANT4, MCNP, phần mềm chuyên dụng khác Đã có số công trình nước thực mô số tính chất cho đầu dò HPGe Chẳng hạn số công trình tiêu biểu: “Nghiên cứu hiệu suất ghi đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (HPGe) hệ phổ kế gamma phương pháp Monte Carlo thuật toán di truyền” luận án tiến sĩ Võ Xuân Ân năm 2008; “Mô Monte Carlo đường cong hiệu suất đỉnh đầu dò HPGe hệ phổ kế gamma môi trường sử dụng chương trình MCNP4C2” báo đăng tạp chí khoa học phát triển công nghệ nhóm tác giả Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh Mai Văn Nhơn; “Dead-layer thickness effect for gamma spectra measured in an HPGe p-type detector” tác giả Huy, N.Q (2011); “A detailed investigation of HPGe detector response for improved Monte Carlo efficiency calculations” nhóm tác giả Boson J., Agren G., Johansson L (2008); … Trong luận văn này, thực mô khả đáp ứng đầu dò HPGe cho cho số đồng vị phóng xạ có môi trường xạ vũ trụ muon Cụ thể khảo sát cho đồng vị U-238, Th-232, K-40, với dạng nguồn điểm nguồn có kích thước Sự tự hấp thụ quan tâm đề tài Đầu dò quan tâm loại HPGe đặt buồng chì Các thông số kích thước, vật liệu cấu tạo đầu dò buồng chì lấy từ nhà sản xuất Chúng mô tả cụ thể cho đầu dò HPGe mà sử dụng Bộ môn Vật lý Hạt nhân, trường đại học Khoa học Tự nhiên – TpHCM Phần mềm sử dụng mô Geant4 Trong luận văn tiến hành công việc cụ thể sau: 1) Mô hệ đầu dò HPGe theo kích thước thực 2) Mô nguồn theo dạng nguồn điểm, nguồn có kích thước phân bố Nguồn phát xạ đẳng hướng pi Các giá trị lượng K-40, U-238, Th-232 tham khảo từ sở liệu phòng thí nghiệm quốc gia Pháp (LNHB) Riêng xạ vũ trụ muon có lượng 450 MeV, dạng tia, hướng bắn vuông góc với bề mặt dầu dò 3) Phổ lượng để lại đầu dò ghi lại, phổ lượng có ảnh hưởng độ phân giải theo phương trình FWHM = a + b * sqrt(E), với hệ số a, b lấy từ số liệu thực nghiệm Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý hạt nhân, Trường Đại Học Khoa Học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh: a = 0,6982239678*10-3; b = 0,902784899*10-3 4) Phân tích, đánh giá kết thu Phần bố trí luận văn phân bổ sau: Chương - Tổng quan: Trong chương giới thiệu khái quát tương tác xạ gamma với vật chất, tương tác xạ muon với vật chất, phóng xạ môi trường, hệ phổ kế HPGe GC2018 chương trình mô Geant4 Chương - Bố trí mô hệ đo HPGe: Trong phần trình bày bố trí hệ đo mô phỏng, chương trình Geant4, chương trình tác động độ phân giải chương trình lưu liệu vẽ phổ Chương - Kết nhận xét: Trong chương trình bày kết dạng phổ nhận xét kết thu đồng vị: K-40, U-238, Th-232 muon CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tương tác xạ gamma với vật chất 1.1.1 Hiệu ứng quang điện Khi gamma va chạm với electron nguyên tử, lượng gamma truyền toàn cho electron dạng động Electron bay khỏi nguyên tử gọi quang electron Đây gọi hiệu ứng quang điện Quang electron nhận động Ee hiệu số lượng gamma tới E lượng liên kết EB electron lớp vỏ trước bị bứt [1],[4],[8] Germanium e- Năng lượng photon (MeV) (a) (b) Hình 1.1 a) Hiệu ứng quang điện b) Tiết diện khối hiệu ứng quang điện phụ thuộc lượng photon Ee = E - EB (1.1) Theo công thức (1.1) lượng gamma tới phải lớn lượng liên kết electron hiệu ứng quang điện xảy Tương tác xảy với xác suất lớn lượng gamma vừa vượt qua lượng liên kết, đặc biệt lớp (Hình 1.1b) Do lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang điện phụ thuộc vào Z Xác suất tổng cộng hiệu ứng quang điện tất electron quỹ đạo có lượng E ≥ Ek , Ek lượng liên kết electron lớp K, tuân theo quy luật E theo phương trình[16]: σ photo = 4α Với σ =  me c   Z σ   hυ  7/2 8πre2 = 6,651.10− 25 cm ; (1.2) α= tiết diện tương tác Thomson số 137 cấu trúc tinh tế Các công thức cho thấy hiệu ứng quang điện xảy với tiết diện lớn nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) vùng lượng cao, nguyên tử nhẹ hiệu ứng quang điện xuất vùng lượng thấp Hiệu ứng quang điện làm ion hóa nguyên tử đưa nguyên tử đến trạng thái kích thích Sau electron tầng cao nhảy xuống lấp lỗ trống khiếm khuyết tầng điện li, trình phát tia X đặc trưng electron Auger Do lượng thấp nên chúng bị hấp thụ hoàn toàn vùng nhạy đầu dò Phần lớn lượng tia gamma chuyển thành động electron ghi nhận Xung ghi hiệu ứng quang điện hiệu ứng bề mặt thoát tia X đóng góp vào số đếm đỉnh lượng toàn phần 1.1.2 Tán xạ Compton e- (a) (b) Hình 1.2 a) Hiệu ứng Compton; b) Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự Ở hiệu ứng tán xạ Compton, gamma tán xạ lên electron quỹ đạo, dẫn đến gamma thay đổi phương bay bị phần lượng, electron nhận phần lượng gamma dạng động giải phóng khỏi nguyên tử (Hình 1.2a) Quá trình tán xạ Compton coi trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự (Hình 1.2b) [14] Trên sở tính toán động học trình tán xạ đàn hồi hạt gamma chuyển động với lượng h υ lên electron đứng yên, ta có công thức sau lượng gamma E’ electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ ϕ gamma sau tán xạ[16]: E e = hυ γ (1 − cos ϕ ) + γ (1 − cos ϕ ) E ' = hυ ' = hυ (1.3) 1 + γ (1 − cos ϕ ) Trong đó: γ = (1.4) hυ ; m0 = 9,1.10 −31 kg khối lượng electron c = 3.10 m/s vận tốc m0 c ánh sáng; m0c2 = 0,511 MeV lượng nghỉ electron Góc tán xạ θ electron sau tán xạ liên hệ với góc tán xạ gamma ϕ sau: cos θ = (1 + γ ) tan ϕ (1.5) Theo (1.3) (1.4) góc tán xạ gamma sau tán xạ lớn lượng E’ bé Nghĩa gamma nhiều lượng Gamma chuyển phần lượng lớn cho electron sau tán xạ bay góc 1800, tức tán xạ giật lùi Khi lượng giật lùi electron tính theo công thức: E e = hυ 2γ + 2γ (1.6) Khi tia gamma tương tác với vùng nhạy đầu dò hiệu ứng Compton, lượng tia gamma ban đầu chuyển thành động electron lượng tia gamma thứ cấp Mối quan hệ động electron Ee , lượng tia gamma Eγ góc tán xạ θ cho công thức (1.3) Với góc tán xạ thay đổi từ đến π động electron thay đổi từ đến giá trị cực đại Emax tạo thành vùng phân bố Compton đóng góp vào phổ biên độ Tại Emax electron ta cạnh Compton Các mức lượng khác thấp tạo nên hình dáng trũng xuống gọi lưng Compton Các tia gamma thứ cấp thoát khỏi bề mặt tinh thể tương tác tiếp với đầu dò Như hiệu ứng Compton, tia gamma cho xung đóng góp vào đỉnh lượng toàn phần tia gamma hoàn toàn lượng tinh thể sau tán xạ liên tiếp Xác suất tổng cộng tán xạ Compton xác định theo công thức[16]: 1 + γ  2(1 + γ )  1 + 3γ  − ln (1 + 2γ ) + ln (1 + 2γ ) −   (1 + 2γ )  γ  2γ  γ  + 2γ σ C = 2πre2  (1.7) Germanium Năng lượng photon(MeV) Hình 1.3 Tiết diện khối trình tán xạ Compton phụ thuộc lượng photon 1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp Nếu gamma có lượng lớn hai lần lượng tĩnh electron 1,022 MeV qua hạt nhân, sinh cặp electron – positron Đó hiệu ứng tạo cặp e- γ e- 10 Các photon hủy cặp 0,511MeV Hình 1.4 Hiệu ứng tạo cặp electron – positron Quá trình tạo cặp xảy gần hạt nhân, động chuyển động giật lùi hạt nhân bé nên phần lượng dư biến thành động electron positron Tổng động electron positron sinh ra, dựa vào định luật bảo toàn lượng 1,022 MeV Các positron sinh hủy với electron môi trường tạo hai photon có lượng (0,511MeV) Có ba khả xảy ra: - Cả hai photon bị hấp thụ Năng lượng tia gamma bị là: ( E γ -1,022+1,022) = E γ (MeV) Như tia gamma hoàn toàn lượng nên ta có đóng góp vào số đếm toàn phần - Chỉ có photon bị hấp thụ, photon thoát nên lượng tia gamma vùng nhạy là: E γ - 1,022 + 0,511 = E γ - 0,511 (MeV) Các xung đóng góp số đếm vào phổ biên độ xung tạo thành đỉnh thoát cặp thứ (đỉnh thoát đơn) - Khi hai photon hủy thoát khỏi tinh thể, lượng tia gamma vùng nhạy đầu dò là: E γ - 1,022 MeV Các xung đóng góp số đếm vào phổ biên độ xung tạo thành đỉnh thoát cặp thứ hai (đỉnh thoát đôi) Tuy nhiên, xác suất đỉnh thoát đơn đỉnh thoát đôi thường thấp Do với nguồn cường độ mạnh thời gian dài khảo sát đỉnh Xác suất tổng quát trình tạo cặp xác định theo công thức [16]: dτ = Z re2α dE+  (E+ + E−2 )φ1 (ζ ) − ln Z − f (Z ) + E+ E− φ2 (ζ ) − ln Z − f (Z )  (1.8)  3 (hυ )      Trong đó: E+ lượng tổng cộng positron; E- lượng tổng cộng electron; Z số hiệu nguyên tử vật chất; re bán kính quỹ đạo cổ điển electron; φ1; φ2 hàm biểu diễn, thường tính mẫu Thomas-Fermi có dạng sau [16] [ ] φ1 (ξ ) = 20,863 − ln + (0,55846ξ )2 − 4[1 − 0,6 exp(− 0,9ξ ) − 0,4 exp(− 1,5ξ )] φ2 (ξ ) = φ1 (ξ ) − −1 ( + 6,5ξ + 6ξ ) (1.9) (1.10) Trong 11 φ1 (0) = φ2 (0) + = ln 183 φ1 (∞ ) = φ2 (∞ ) → 19,19 − ln ξ ξ →0 (1.11) ξ →∞ (1.12) 100me c hυ Tham số ξ định nghĩa: ξ = E+ E− Z 1/ (1.13) Hàm f(Z) đặc trưng cho tương tác Coulomb electron với hạt nhân [ f (Z ) = a (1 + a ) + 0,20206 − 0,0369a + 0,0083a − 0,002a −1 ] (1.14) Với a = Z/137 Trong trường hợp me c 137me c Z −1 / τ pair = Z 2αre2  [ln (183Z −1 / ) − f ( Z )] − 7 9 1  54  (1.16) Germanium Năng lượng photon(MeV) Hình 1.5 Tiết diện khối trình tạo cặp theo lượng photon 1.1.4 Hiệu ứng Rayleigh Trong tán xạ Rayleigh photon tương tác đàn hồi với nguyên tử Khi photon đổi hướng bay, không truyền lượng cho môi trường vật chất Tán xạ loại làm suy giảm số photon chùm song song Tương tác xảy đáng kể với lượng nhỏ 12 Ví dụ như, với lượng 70 keV xạ tương tác mô mềm tán xạ Rayleigh đóng góp 5% [16] Đối với lượng photon 10 Photon tán xạ keV, xác suất xảy tán xạ Rayleigh xấp xỉ: σR ≈ ρ Z 1,5 Photon đến (hυ )3 (1.17) Tiết diện khối tán xạ Rayleigh Hình 1.6 Mô hình tán xạ Rayleigh vật liệu germanium biểu diễn Hình 1.7 Germanium Năng lượng photon(MeV) Hình 1.7 Tiết diện khối trình tán xạ Rayleigh theo lượng photon Như xác xuất tổng cộng tương tác gamma lên vật chất xác định: σ= ϕ photo + Zσ C + σ R + τ pair (1.18) Hình 1.8 biểu thị xác suất tương tác tổng cộng photon với vật liệu Germanium khoảng lượng từ 0,001 đến 100 MeV 13 Germanium Xác suất tổng cộng …… Tán xạ Compton Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng Rayleigh Hiệu ứng tạo cặp Năng lượng photon tới (MeV) Hình 1.8 Tiết diện khối loại tương tác photon lên germanium theo lượng photon 1.2 Tương tác xạ muon với vật chất Muon tương tác với vật chất thông qua tương tác yếu tương tác điện từ Muon có quãng chạy dài vật chất, sau tương tác với hạt nhân phân tử không khí, chúng dần lượng ion hóa khoảng GeV đến mặt đất phân hủy thành positron neutrino electron phản neutrino Có thể mô tả phân rã muon theo phương trình sau[9],[10],[11]: µ + → e+ + υe + υ µ (1.19) µ − → e− + υµ + υ e (1.20) Dưới hai sơ đồ minh họa phân rã hạt muon theo lý thuyết Fermi theo lý thuyết tương tác yếu 14 e- e- νe µ- µ- νµ (a) W (b) Hình 1.9 Sơ đồ phân rã muon a) Sự phân rã muon theo lý thuyết Fermi; b) Sự phân rã muon theo thuyết tương tác yếu Các muon µ- vào vật chất tương tác với vật chất Các muon µ- sau tương tác với proton trước chúng bị phân hủy theo phản ứng: µ − + p → n + υµ (1.21) Đối với muon µ+, tương tác với vật chất có lực đẩy mạnh muon µ+ hạt nhân Thời gian sống hiệu dụng muon µ- nhỏ thời gian sống muon µ+ Xác suất hấp thụ muon µ- hạt tỉ lệ với Z4, với Z số hiệu nguyên tử chất Ở mức lượng cao, muon có tính chất hạt mang điện, muon tương tác với vật chất có hiệu ứng hạt mang điện tương tác vật chất Muon thất thoát lượng chủ yếu ion hóa phát xạ hãm Sự ion hóa: Hạt mang điện vào môi trường vật chất dần lượng ion hóa kích thích nguyên tử vật chất, xảy va chạm đàn hồi hạt với electron lớp vỏ nguyên tử Với hạt nhẹ mang điện lượng ion hóa biểu diễn biểu thức sau[1]:  dE  −   dx  ion (  m0 v E − ln 2 − β − + β ln  2πe n e  I (1 − β ) =  m0 v  + (1 − β ) + − − β  ) ( )    Trong đó: β = v/c E= m0 c 1− β − m c động tương đối electron ne số electron đơn vị thể tích môi trường ne = ZρNa/A Na số Avogadro ρ mật độ môi trường vật chất 15 (1.22) A số khối môi trường Z số bậc nguyên tử môi trường m0 khối lượng electron v vận tốc hạt I lượng ion hóa trung bình Sự phát xạ hãm: Khi hạt mang điện vào môi trường vật chất, ảnh hưởng trường Coulomb hạt nhân môi trường hạt bị lệch hướng, chuyển động có gia tốc phát xạ điện từ gọi xạ hãm Sự lượng phát xạ hãm biểu diễn biểu thức sau: nEZ ( Z + 1)e  dE  −  = 137m 02 c  dt  rad Trong đó: E  2E 4  ln  − m c   (1.23) động electron (MeV) n = ρNa/A số hạt nhân nguyên tử đơn vị thể tích m0 khối lượng electron Z số bậc nguyên tử môi trường 1.3 Giới thiệu phóng xạ môi trường Từ năm 1895 với phát tia X nhà bác học người Đức W.Roentgen, sau khám phá nhà bác học Henri Becquerel phát xạ tự nhiên tạo tiền đề cho phát nguyên tố phóng xạ Polonium ông bà Piere Curie Marie Curie năm 1898, sau tìm nguyên tố phóng xạ thứ hai tồn tự nhiên Radium bà Marie Curie Từ đó, việc nghiên cứu phóng xạ mở rộng Năm 1899, Rutherford nhận thấy phần tia phóng xạ bị lệch xuyên qua từ trường hạt nhân Heli ( α ) electron ( β − ) Năm 1903, Rutherford Soddy kết hợp phân rã ( α ) ( β − ) với thay đổi bậc số nguyên tố phóng xạ thiết lập định luật phân rã phóng xạ Năm 1934, Irene Frederic Curie tạo cô lập nguyên tố phóng xạ nhân tạo Po-210 Người ta nhận thấy tính phóng xạ nguyên tố phóng xạ tự nhiên nguyên tố phóng xạ nhân tạo 16 1.3.1 Các chuỗi phóng xạ nguyên thủy tự nhiên Khắp nơi trái đất có phóng xạ từ nước, không khí, đất, động vật thực vật đến thể người Phóng xạ tự nhiên: Là đồng vị phóng xạ tồn tự nhiên, có đất, nước, không khí Chúng tự phân rã cách phát hạt α , β , γ , Các đồng vị phóng xạ tự nhiên có chu kỳ bán rã lớn Có khoảng 60 đồng vị phóng xạ tìm thấy tự nhiên Những hạt nhân phóng xạ tự nhiên gọi hạt nhân phóng xạ nguyên thủy, chúng tạo từ lúc vũ trụ hình thành Và đa số hạt nhân có chu kỳ bán rã lớn Ví dụ U-238 có T1/2 = 4,5.109 năm; U-235 có T1/2 = 7,15.108 năm; Np-237 có T1/2 = 2,2.106 năm, … [7] Các nhân phóng xạ nguyên thủy phổ biến U-238, Th-232, U-235 sản phẩm phân rã chúng, K-40 Rb-87 Bảng đưa giá trị độ giàu đồng vị nhân phóng xạ Còn có số nhân phóng xạ khác phổ biến thường có thời gian sống dài nhiều gồm: Cd-113, Tc-123, La-138, Ce-142, Nd-144, Sm-147, Gd-152, Pt- 190, Bi-209, [7] Các nhân phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn, so sánh với tuổi trái đất như: U-238, Th-232, U-235, K-40 Ngoại trừ K-40 sản phẩm cháu đồng vị phóng xạ, U-238, Th-232, U-235 có sản phẩm phân rã hạt nhân không bền, tiếp tục phân rã đến hạt nhân cháu cuối hạt nhân bền, phân rã liên tiếp đồng vị họ tạo thành chuỗi phóng xạ tự nhiên Ngày có ba chuỗi phóng xạ tự nhiên phổ biến mà U238, Th-232, U-235 nhân bắt đầu chuỗi Trong môi trường trình biến đổi môi trường gây cân phóng xạ chuỗi phóng xạ thường có cân phóng xạ Điều đồng nghĩa với hoạt độ phóng xạ nhân phóng xạ có chuỗi với hoạt độ phóng xạ nhân bắt đầu chuỗi Bảng 1.1 Độ giàu đồng vị nhân phóng xạ nguyên thuỷ [9] Nhân phóng xạ Thời gian bán huỷ (năm) Độ giàu đồng vị (%) K-40 1,26.109 0,0117 Rb-87 4,8.109 27,83 Th-232 1,4.1010 100 17 U-235 7,1.108 0,72 U-238 4,5.109 99,274 Chuỗi phóng xạ U-238 chia thành chuỗi phóng xạ hoạt tính phóng xạ nhân phóng xạ đầu chuỗi chi phối hoạt tính phóng xạ nhân phóng xạ khác có chuỗi Đó chuỗi phóng xạ: U-238 > U-234; Th-230; Ra-226; Rn-222 > Po- 214 Pb-210 >Po-210 Uranium phổ biến tự nhiên, độ giàu đứng hàng thứ 38 số nguyên tố có mặt trái đất Nó chủ yếu có mặt đá gốc Nồng độ U-238 có giá trị trung bình toàn giới 25 Bq/kg [6] Năng lượng cường độ phân rã đồng vị U-238 liệt kê phụ lục Hình 1.10 Chuỗi phóng xạ U-238 Chuỗi phóng xạ Th-232 chia thành chuỗi phóng xạ sau: Th-232 ; 18 [...]... các quá trình biến đổi môi trường gây ra sự mất cân bằng phóng xạ thì các chuỗi phóng xạ này thường có cân bằng phóng xạ Điều này cũng đồng nghĩa với hoạt độ phóng xạ của các nhân phóng xạ có trong mỗi chuỗi là bằng nhau và bằng với hoạt độ phóng xạ của nhân bắt đầu mỗi chuỗi Bảng 1.1 Độ giàu đồng vị của các nhân phóng xạ nguyên thuỷ [9] Nhân phóng xạ Thời gian bán huỷ (năm) Độ giàu đồng vị (%) K-40... đối của electron ne là số electron trên một đơn vị thể tích của môi trường ne = ZρNa/A Na là số Avogadro ρ là mật độ của môi trường vật chất 15 (1.22) A là số khối của môi trường Z là số bậc nguyên tử của môi trường m0 là khối lượng của electron v là vận tốc của hạt I là năng lượng ion hóa trung bình Sự phát bức xạ hãm: Khi hạt mang điện đi vào môi trường vật chất, do ảnh hưởng của trường Coulomb của. .. lập được nguyên tố phóng xạ nhân tạo đầu tiên Po-210 Người ta nhận thấy rằng tính phóng xạ của nguyên tố phóng xạ tự nhiên và nguyên tố phóng xạ nhân tạo là như nhau 16 1.3.1 Các chuỗi phóng xạ nguyên thủy trong tự nhiên Khắp nơi trên trái đất của chúng ta đâu đâu cũng có phóng xạ từ nước, không khí, đất, động vật và thực vật đến cơ thể người Phóng xạ tự nhiên: Là những đồng vị phóng xạ tồn tại trong... 7,1.108 0,72 U-238 4,5.109 99,274 Chuỗi phóng xạ U-238 có thể chia thành các chuỗi phóng xạ con trong đó hoạt tính phóng xạ của nhân phóng xạ đầu chuỗi sẽ chi phối hoạt tính phóng xạ của các nhân phóng xạ khác có trong chuỗi Đó là các chuỗi phóng xạ: U-238 > U-234; Th-230; Ra-226; Rn-222 > Po- 214 và Pb-210 >Po-210 Uranium khá phổ biến trong tự nhiên, về độ giàu nó ứng hàng thứ 38 trong số các nguyên... electron Z số bậc nguyên tử của môi trường 1.3 Giới thiệu phóng xạ môi trường Từ năm 1895 với sự phát hiện ra tia X của nhà bác học người Đức W.Roentgen, và sau khám phá của nhà bác học Henri Becquerel về sự phát xạ tự nhiên đã tạo tiền đề cho sự phát hiện ra nguyên tố phóng xạ Polonium của ông bà Piere Curie và Marie Curie năm 1898, và tiếp theo sau đó là sự tìm ra nguyên tố phóng xạ thứ hai tồn tại trong... nghỉ của electron Góc tán xạ θ của electron sau tán xạ liên hệ với góc tán xạ của gamma ϕ như sau: cos θ = (1 + γ ) tan ϕ (1.5) 2 Theo (1.3) và (1.4) góc tán xạ của gamma sau tán xạ càng lớn thì năng lượng của nó E’ càng bé Nghĩa là gamma càng mất nhiều năng lượng Gamma chuyển phần năng lượng lớn nhất cho electron sau tán xạ bay ra một góc 1800, tức là tán xạ giật lùi Khi đó năng lượng giật lùi của. .. trong tự nhiên là Radium của bà Marie Curie Từ đó, việc nghiên cứu về phóng xạ được mở rộng Năm 1899, Rutherford đã nhận thấy một phần tia phóng xạ bị lệch khi xuyên qua từ trường của hạt nhân Heli ( α ) và electron ( β − ) Năm 1903, Rutherford và Soddy kết hợp giữa sự phân rã ( α ) và ( β − ) với sự thay đổi bậc số của nguyên tố phóng xạ đã thiết lập định luật phân rã phóng xạ Năm 1934, Irene và Frederic... phóng xạ, còn U-238, Th-232, U-235 có sản phẩm phân rã là hạt nhân không bền, tiếp tục phân rã đến khi hạt nhân con cháu cuối cùng là hạt nhân bền, và sự phân rã liên tiếp của các đồng vị trong một họ đó tạo thành chuỗi phóng xạ tự nhiên Ngày nay có ba chuỗi phóng xạ tự nhiên phổ biến mà U238, Th-232, U-235 là các nhân bắt đầu của mỗi chuỗi Trong môi trường nếu không có các quá trình biến đổi môi trường. .. hiệu ứng tán xạ Compton, gamma tán xạ lên electron ở quỹ đạo, dẫn đến gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng, còn electron nhận được một phần năng lượng của gamma dưới dạng động năng và được giải phóng ra khỏi nguyên tử (Hình 1.2a) Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình 1.2b) [14] Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ. .. năm, … [7] Các nhân phóng xạ nguyên thủy phổ biến nhất là U-238, Th-232, U-235 và các sản phẩm phân rã của chúng, K-40 và Rb-87 Bảng 1 đưa ra giá trị độ giàu đồng vị của các nhân phóng xạ này Còn có một số các nhân phóng xạ khác ít phổ biến hơn và thường có thời gian sống dài hơn nhiều gồm: Cd-113, Tc-123, La-138, Ce-142, Nd-144, Sm-147, Gd-152, Pt- 190, Bi-209, [7] Các nhân phóng xạ có chu kỳ bán rã