Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn - Chương 0: Tương tác của bức xạ với vật chất cung cấp cho người học một số kiến thức cơ bản về hạt nhân, tương tác cửa bức xạ với vật chất,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG MÔI TRƯỜNG VÀ THỦY VĂN CBPT: Trần Thiện Thanh - Lê Công Hảo Email: ttthanh@hcmus.edu.vn - lchao@hcmus.edu.vn TpHCM, 9-2019 1 MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC Mục tiêu mơn học a Nguồn gốc phóng xạ b Vận hành đƣợc thiết bị đo đạc c Nhận diện xác định đƣợc hoạt độ đồng vị phóng xạ d Phƣơng pháp đo gamma nghiên cứu địa vật lý giếng khoan e Kỹ thuật phóng xạ định tuổi địa chất thuỷ văn đồng vị Môn học tiên Kỹ thuật ghi nhận xạ Cơ sở vật lý phóng xạ Thực tập sở kỹ thuật hạt nhân NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan ĐVPX môi trường Chương 2: Nguồn gốc phóng xạ quy trính chuẩn bị mẫu mơi trường Chương 3: Phương pháp phân tìch hạt nhân ghi đo xạ môi trường Chương 4: Ứng dụng ĐVPX môi trường NỘI DUNG Chương 5: Phương pháp đo gamma nghiên cứu địa vật lý giếng khoan Chương 6: Kỹ thuật phóng xạ định tuổi địa chất Chương 7: Kỹ thuật phóng xạ thuỷ văn đồng vị TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo Phạm Duy Hiển, Phóng xạ môi trường nguồn gốc thải, NXB KHKT, (2014) Đặng Đức Nhận, Ngô Quang Huy, Nguyễn Hào Quang, Kỹ thuật ghi đo phóng xạ ứng dụng nghiên cứu môi trường, NXB KHKT, (2014) Phạm Năng Vũ, Thăm dò phóng xạ carota lỗ khoan, NXB Đại học THCN, (1984) Tài liệu tham khảo khác: C Zhang, Fundamentals of environmetnal sampling and analysis, John Wiley & Sons, (2007) M Eisenbud, T Gesell, Environmental radioactivity from natural, industrial and military sources, Academic press, (1997) H Israël, A Krebs Nuclear Radiation in Geophysics, Springer Berlin Heidelberg, (1962) HÌNH THỨC KIỂM TRA Bài tập thường kỳ (20%) Giữa kỳ (30%) (Thi viết) Cuối kỳ (50%) (thi viết) An tồn phóng xạ Khoảng cách Thời gian Che chắn Bức xạ tự nhiên Tổng 2.4 mSv / year Bức xạ vũ trụ, 0.4 mSv Bức xạ đất, 0.5 mSv Hít thở 1.2 mSv Ăn uống, 0.3 mSv Liều xạ đời sống Tự nhiên mSv/y Brasil Trung bính Nhân tạo CT scan (1 lần) Legal limit X-ray (bao tử) Chuyến bay (Ngực) Near LWR (< 0.001) Chương 0: Tương tác xạ với vật chất Röntgen Becquerel Pierre & Marie Curie 1898 1895 1896 Discovery of X-ray Spontaneous radioactivity Discovery of Ra, Po Hahn 1938 Discovery of fission 10 Bộ phân tích đa kênh (MCA) 32 33 34 10 Đặc trưng hấp thụ β- rays Hướng bay hạt β se thay đổi sau va chạm Đường bị uốn lượn Thêm vào đó, phân bố lượng liên tục củaβ-rays, khó khăn để xác định chình xác qng chạy phương pháp đo trực tiếp β- ray trajectory Range (R) Đặc trưng hấp thụ quãng chạy β-rays Đường cong hấp thụ β-ray xấp xỉ hàm mũ bề dày vật liệu truyền qua khơng nhỏ Hệ số hấp thụ khối μm (cm2·mg-1) quãng chạy R (mg / cm2) cho lượng cực đại E (MeV) tình từ nhiều pt thưc nghiệm N / N = exp ( -μm d ) μm= 0.017 E -1.43 for Al R = 542 E − 133 cho E > 0.8 MeV R = 407 E 1.38 cho 0.15 MeV < E < 0.8 MeV Sự truyền qua N / N (%) β- ray phần lượng vc trính va chạm với electrons nguyên tử xạ hãm (Bremsstrahlung) (phát X-ray) bay gần trường hạt nhân 1.0 Hàm mũ 0.5 0.1 R cực đại 0.05 0.01 0.005 100 200 300 400 500 600 Bề dày hấp thụ d (mg / cm2) Đường cong hấp thụ R cực đại β-ray35 36 12 Hủy positron, Hiệu ứng Cherenkov Hủy positron Khi positron lượng vật liệu, kết hợp với electron kế cận, thí hai hạt bị hủy biến thành hai photon, tuân theo định luật bảo toàn động lượng lượng 1) Hai photon thí bay ngược chiều 2) Năng lượng photon tương ứng với KL nghỉ electron ( m0c2 = 511 keV ) 3) Hai photon có khác biệt khoảng 10 eV, thí1) 2) khác chút ìt hiệu ứng Doppler effect Positron < 0.1eV m0c2 511 keV Hủy positron 180° m0c2 511 keV Electron Hiệu ứng Cherenkov P A AP = (c / n) t AB = v t B Vận tốc v PAB =φ PBA =θ sinθ= c / (n v) Khi electron mang NL cao với vận tốc v bay qua chất điện mơi (nước, kình, etc) bị khúc xạ mơi trường có chiết suất n, ánh sánh yếu phát ra, v có vận tốc lớn vận tốc ánh sáng (c /n) vật chất Vì dụ: nước (n =1.33), có năg lượng trung bính ) * hiệu ứng Cherenkov 275 keV *) E(keV) = 511{ (1 -β2 ) -1/2 - } với, β= v / c = / n β-ray lượng cao (e.g 2.28MeV từ 90Y) ghi nhận ánh sáng yếu phát hiệu ứng 37 Cherenkov với PMT độ nhạy cao Lò phản ứng Viện nghiên cúu hạt nhân Bức xạ Cherenkov 38 Tương tác neutron Tán xạ Tán xạ đàn hồi Tán xạ không đàn hồi Hấp thụ Phân hạch Bắt neutron (n, g) Sinh nhiều neutron (n, 2n); (n, 3n)… Sinh hạt mang điện (n,p), (n, a) 39 16 Phản ứng HN ghi nhận Neutron PUHN bia (X), X (n,a) Y, xạ (a) với động Ea phát từ hạt nhân (Y) với động EY sinh Phát xạ a ; Ea Neutron (En) Loại phản ứng Hạt nhân AX Hạt nhân hợp phần A+1X＊ Phản ứng Hạt nhân Y ; EY E(MeV) σ 1) (barn) Ea EY n') p ~ En En ~ 20 ~1 2) p) 3H 0.574 0.191 5330 6Li (n,α) 3H 2.06 2.74 940 10B (n,α) 7Li 1.47 0.84 3840 Bắt neutron AX (n,γ) A+1X 3~8 mb ~ kb Phân hạch 235U (n, Tán xạ đàn hồi Phản ứng sinh hạt mang điện 1H (n, 3He (n, f) FP FPs ~ 200 583 Neutron detector proton detector 3) ống đếm He-3 6Li- Si ống đếm sandwich ống đếm BF3 Lá dò Buồng phân hạch 1) Ngoại trừ H (n, n') p, tiết diện neutron nhiệt (0.025 eV) 2) Đối với En = 0.1~ MeV, σ(En) xấp xỉ 4.2 En- 0.55 (± %) 3) Ống đếm tỉ lệ, plastic nhấp nháy lỏng 40 26 Ống đếm tỉ lệ ứng dụng Ống đếm He-3 Đặc trung ống đếm tỉ lệ so với ống đếm GM 1) Thông tin lượng xạ Độ cao xung tỉ lệ thuận với NL hao phì chât khì bời ion hóa sơ cấp Khì He-3 với áp suất 10atm 2) Tốc độ đếm cao Thời gian chết phải nhỏ (< 1μs) Q=765keV Thermal neutron Ứng dụng 2) Phông thấp đo α&β-ray 3) Đo neutron : Ống đếm He-3, ống đếm BF3 γ-rays Counts 1) NL thấp ( 0) luật(v -1 ~ 2) Tiết diện tỉ lệ thuận với quy Do đó, neutron nhiệt sử dụng nhà máy điện hạt nhân E -1/2), 3) γ-ray lượng cao (3 ~ MeV), gọi bắtγ-ray γ-ray tức thời 4) Hạt nhân thừa neutron phan rã cách phát β- ray bia 1H HN CKBR 1) 2H σTh ( barn ) ( bền) 0.332 2H 3H (12.33 y ) 0.55 mb 2) 13C 14C ( 5730 y ) 1.37 mb 23Na 24Na (14.96 h ) 0.531 59Co 60Co ( 5.27 y ) 37.2 98Mo 99Mo ( 65.9 h ) 0.13 133Cs 134Cs ( 2.07 y ) 29 151Eu 152Eu (13.54 y ) 5900 191 I r 192I r ( 73.83 d ) 309 197Au 198Au ( 2.694 d ) 98.65 1) Đơn vị h : hour d : day y : year 2) Đây chất làm chậm neutron tốt 43 46 Ghi nhận α-ray, β-ray photon ◎ thường dùng △ dùng có điều kiện × khơng thìch hợp ◎ ghi nhận phổ ○ thìch hợp ◇ đo liều Nguyên lý Chất khì Bán dẫn Nhấp nháy β- ray β- ray Photon Photon △ △ △ △ ◇ OD tỉ lệ ○ △ ○ △ △ OD GM △× △× ◎ △ ◇ ◎ ○ △ ◎ ◇ detector Ge × × × ◎ ◎ Plastic ○ ○ ◎ △ ○ Lỏng ◎ ◎ ◎ △ △ NaI(Tl) × × × ○ ◎ ZnS(Ag) ◎ × × × × BGO △ × × △ ○ Detector α- ray Buồng ion hóa Detector Si NL thấp NL thấp 44 47 Detector đo neutron Nguyên lý Detector Buồng phân hạch ống đếm He-3 Ion hóa ống đếm BF3 Methane pr cntr Sandwich counter Nhấp nháy Plastic SC, LSC Li I (Eu) Kìch hoạt Detector đo dò Phản ứng 1) 235U (n, fission) 3He (n, p) 3H 10B (n,α) 7Li 1H (n, 6Li (n, 1H (n, 6Li (n, n’) p α) 3H n’) p α) 3H σ(barn) 2) 583 (1) Ghi QR ≒ 200 MeV 5330 (7) QR = 0.765 MeV 3840 (9) QR = 2.785 MeV Scattering 3) Cnt.Dstr Emax= En 940 (4) QR= 4.80 MeV Scattering 3) n -γPSD 4) 940 (4) 59Co (n, γ) 60Co 37.2 (0.06) 197Au (n, γ) 198Au 98.7 (0.09) QR = 4.80 MeV 45 46 ... 0 e- khối lượng 0 -1 0. 000 54858 - ray - -1 ditto β+ ray β+ +1 ditto Proton p +1 1 .00 72765 Deuteron d +1 2 .01 3553 - ray Hạt ký hiệu điện tìch α +2 Neutron n Fission fragmen FP 4 .00 1 506 1 1 .00 866 50. .. 4 .00 1 506 1 1 .00 866 50 80 ~ 108 128 ~ 155 1) Điện tìch 1e = 1. 602 19 x 10 - 19 Coulomb 2) Đơn vị (u) 1u = 1.6 605 6 x 10 - 27 kg 16 20 Nguyên lý đo lường bx Loại xạ Hạt mang điện α-ray, β-ray Năng lượng... trường Chương 2: Nguồn gốc phóng xạ quy trính chuẩn bị mẫu mơi trường Chương 3: Phương pháp phân tìch hạt nhân ghi đo xạ môi trường Chương 4: Ứng dụng ĐVPX môi trường NỘI DUNG Chương 5: