Tương tác tia Gamma và thực nghiệm

Đối với các hiệu ứng khác nhau thì sự phụ thuộc khác nhau, đối với hiệu ứng hấp thụ quang điện thay đổi xấp xỉ Z4 . Vì hấp thụ quang điện là tương tác quan trọng nhất nên vật liệu có các nguyên tố với số nguyên tử cao và vật liệu cấu trúc sạch phóng xạ được lựa chọn cho đầu dò phổ tia gamma.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 12 KHOA HỌC KỸ THUẬT TƯƠNG TÁC TIA GAMMA VÀ THỰC NGHIỆM Tương tác tia Gamma thực nghiệm Nguyễn Anh Hòa-Trung tâm Giáo dục Thường xuyên tỉnh ThS NGUYỄN ANH HÒA Trung tâm Giáo dục Thường xuyên tỉnh Gia Lai Trong số phương thức khác mà tia gamma tương tác với vật chất, có ba chế tương tác có ý nghĩa thực tiễn: hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tán xạ Compton hiệu ứng tạo cặp electron-positron Hiệu ứng hấp thụ quang điện chiếm ưu tia gamma lượng thấp (lên đến vài trăm keV), hiệu ứng tạo cặp bật với tia gamma lượng cao, hiệu ứng tán xạ Compton q trình có khả xảy lớn với lượng hai cực trị Số nguyên tử môi trường tương tác có ảnh hưởng mạnh mẽ tới xác suất quan hệ ba tương tác Đối với hiệu ứng khác phụ thuộc khác nhau, hiệu ứng hấp thụ quang điện thay đổi xấp xỉ Z4 Vì hấp thụ quang điện tương tác quan trọng nên vật liệu có nguyên tố với số nguyên tử cao vật liệu cấu trúc phóng xạ lựa chọn cho đầu dò phổ tia gamma I CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiệu ứng hấp thụ quang điện Hấp thụ quang điện tương tác photon tia gamma tới biến Ở tương tác này, quang electron sinh từ số lớp vỏ electron nguyên tử hấp thụ, động cho lượng photon tới (hv) trừ cho lượng liên kết electron lớp vỏ gốc (Eb) Q trình hình Đối với tia gamma có lượng đặc trưng nhiều khả quang electron sinh từ lớp vỏ K, với dải lượng liên kết từ vài keV vật liệu có số nguyên tử thấp vài chục keV vật liệu có số nguyên tử cao Khoảng trống tạo nên lớp vỏ electron phát xạ quang electron nhanh chóng bị chiếm tái lập electron Trong q trình đó, lượng liên kết giải phóng dạng tia X đặc trưng dạng electron Auger Hình 1: Minh họa hấp thụ quang điện Trong iodine-I, tia X phát xạ chiếm khoảng 88% trường hợp Các electron Auger có quãng chạy ngắn lượng chúng thấp Các tia X đặc trưng chuyển động khoảng cách ngắn (cỡ mm hay nhỏ hơn) trước bị tái hấp thụ thông qua tương tác quang điện với lớp vỏ electron nguyên tử chất hấp thụ có liên kết chặt chẽ Xác suất hấp thụ quang điện giảm nhanh theo lượng tăng mạnh theo nguyên tử số Z Gần coi tiết diện hấp thụ quang điện biến thiên theo quy luật Z4/E3 Các electron tự (tức electron không liên kết với nguyên tử, lượng liên kết electron quỹ đạo-Wi 0) khơng thể hấp thụ hồn tồn photon khơng thể đồng thời Hình 2: Phân bố vi phân động electron hấp thụ quang điện Tán xạ Compton Kết tương tác tán xạ Compton việc hình thành electron giật lùi proton tia gamma bị tán xạ, lượng hai hạt tùy thuộc vào góc tán xạ (hình 3) Hình 3: Tương tác tán xạ Compton Năng lượng tia gamma bị tán xạ hv’ giới hạn góc tán xạ θ 13 SỐ 06 NĂM 2018 KHOA HỌC KỸ THUẬT Hình 1: Minh họa hấp thụ quang điện Trong iodine-I, tia X phát xạ chiếm khoảng 88% trường hợp Các electron Auger có quãng thoả định luật lượng bảo toàn lượng Te) Xvàđặc xung lượng (h /c = mve),động với Tmột động e, ve chạy mãn ngắn củanăng chúng thấp.(hCác= tia trưng chuyển khoảng cách vận(cỡ tốcmm electron Như vậy,trước hiệu ứngbịquang điện với cáctác electron ngắn hay nhỏ hơn) tái hấp thụchỉ thông quaxảy cácratương quang liên điệnkết vớivới cácnguyên lớp vỏ tử, giậtcủa lùicác củanguyên nguyêntử tửchất góp hấp thụ củahơn photon tới Nếu điều kiện lượng electron hấpphần thụ có liên kếtxung kémlượng chặt chẽ thỏa mãn, với electron liên kết chặt khả xảy hiệu ứng quang điện lớn, hay Xác suất hấp thụ quang điện giảm nhanh theo lượng tăng mạnh theo nguyên tử số Z nói cách khác electron liên kết yếu xác xuất xảy hiệu ứng quang điện nhỏ Gần coi tiết diện hấp thụ quang điện biến thiên theo quy luật Z4/E3 Có thể nói hiệu ứng hấp thụ quang điện phóng thích quang electron đó, Các electron (tức cácnăng electron không liên kết vớigốc, ngun lượng liênelectron kết mà phóng thích đótựchiếm hầulàhết lượng gia gamma cùngtử, vớinăng hay nhiều electron trênthấp quỹ tương đạo-Wứng thể hấp thụ hoàn khôngelectron thể đồng i lượng với0)sựkhông hấp thụ lượng liêntồn kết ban photon đầu củavìquang đó.thời Về ngun tắc, khơng có photon hay electron khỏi đầu dò, tổng động electron tạo nên phải lượng ban đầu photon tia gamma Từ lẽ đó, hấp thụ quang điện trình lý tưởng quan tâm đến việc đo lượng tia gamma gốc Động toàn phần electron lượng tia gamma tới giống với tia gamma đơn Trong điều kiện thế, phân bố vi phân động electron chuỗi hấp thụ quang điện hàm delta đơn giản hình Đỉnh đơn xuất lượng electron toàn phần tương ứng với lượng tia gamma tới TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 14 KHOA HỌC KỸ THUẬT , với m0c2 lượng tương đương khối lượng nghỉ electron (0,511MeV) Từ động electron giật lùi Có hai trường hợp cực trị: + Tán xạ góc bé hay góc θ hv = hv’ Trong cực trị này, electron Compton giật lùi có lượng nhỏ tia gamma bị tán xạ mang lượng xấp xỉ lượng tia gamma tới + Va chạm trực diện hay góc θ π Trong cực trị này, tia gamma tới bị tán xạ theo hướng gốc phía trước, electron giật lùi dọc theo hướng tới Cực trị biểu thị lượng cực đại truyền cho electron tương tác Compton đơn lẻ Các phương trình hình thành cho trường hợp này: ; Trong trường hợp bình thường, tất góc tán xạ xảy đầu dị Vì vậy, phần liên tục lượng truyền cho electron đó, dải từ cực tiểu cực đại Hình dạng phân bố electron giật lùi Compton cho tiết diện Klein-Nishina nhiều giá trị lượng tia gamma tới khác Đối với lượng tia gamma riêng đó, phân bố lượng electron có dạng chung hình Hình 4: Phân bố lượng tán xạ Compton Miền lượng lượng electron giật lùi Compton lượng tia gamma tới Trong giới hạn mà lượng tia gamma tới lớn, hay hv = m0c2/2, sai khác lượng có xu hướng tiến giá trị khơng đổi Sự phân tích diễn dựa giả định tán xạ Compton liên quan đến electron ban đầu tư Trong vật liệu đầu dò thực tế, lượng liên kết electron trước q trình tán xạ có ảnh hưởng khác đo dạng Compton liên tục Các ảnh hưởng rõ lượng tia gamma tới thấp Chúng liên quan đến kết thúc phần tăng liên tục gần cực trị mở đầu độ dốc có giới hạn cho rơi đột ngột mép Compton Các ảnh hưởng thường che kín độ phân giải lượng có giới hạn đầu dị hiển nhiên phổ đo từ đầu dị có độ phân giải cao Hiệu ứng tạo cặp Quá trình tạo cặp xảy trường hạt nhân vật liệu hấp thụ tương ứng với hình thành cặp electron-positron điểm biến hoàn toàn photon tia gamma tới Cần thiết phải có lượng 2m0c2 để tạo nên cặp electron-positron, nên lượng tia gamma cực tiểu cần có 1,02 MeV Nếu lượng tia gamma tới vượt giá trị này, phần lượng vượt xuất dạng động cặp electron-positron Vì vậy, q trình bao gồm biến đổi lượng photon tia gamma tới thành động electron positron, mà tổng Te- + Te+ = hv – 2m0c2 Hình 5: Quá trình tạo cặp xảy trường hạt nhân nguyên tử Đối với lượng điển hình, electron positron chuyển động nhiều khoảng vài mm trước tất động chúng cho môi trường hấp thụ Một biểu đồ động hạt tích điện (electron + positron) tồn phần hình thành tia gamma tới lần hàm delta đơn giản, định vị 2m0c2 lượng tia gamma tới Phần lượng tích lũy tương tác tạo cặp xảy đầu dị Năng lượng tương ứng với vị trí đỉnh thoát kép phổ biên độ xung tia gamma Các tương tác tạo cặp kéo theo phát xạ hai photon hủy 0,511 MeV Positron tồn hạt tách biệt miễn có mơmen động Tuy nhiên, hấp thụ hồn tồn, tương tác với electron điện tích âm, tạo nên mơmen tổng hợp hạt trung hòa positron, biến mất, tạo thành hai photon 0,511 MeV (nghĩa khối lượng biến đổi thành 15 SỐ 06 NĂM 2018 KHOA HOÏC KỸ THUẬT TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 16 KHOA HỌC KỸ THUẬT lượng) Sự hấp thụ photon lượng cao dẫn tới phổ phức tạp sản sinh hai photon tới 0,511 MeV Hiệu ứng tạo phổ ba đỉnh tia gamma lượng cao, với kích thước đỉnh phụ thuộc vào kích thước detector thu nhân phổ: + Đỉnh hấp thụ lượng tồn phần hv + Đỉnh đơn có lượng (hv – 0,511) MeV + Đỉnh đơi có lượng (hv – 1,022) MeV Hình 6: Phân bố lượng trình tạo cặp II KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 7: Phổ gamma thu phân rã Cs137 với detector bán dẫn 17 SỐ 06 NĂM 2018 KHOA HỌC KỸ THUẬT Hình 8: Phổ gamma thu phân rã Co60 với detector bán dẫn Hình 9: Phổ gamma thu dùng detector bán dẫn đo nước lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (có đồng vị Na24) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mai Xuân Trung, Giáo trình Kỹ thuật ghi đo xa, Trường ĐH Đà Lạt, 2008 [2] K Debertin and R.G Helmer, Gamma and X-ray spectrometry with semiconductor detectors, 172-173 & 159-163, North-Holland, 2001  ... Kết tương tác tán xạ Compton việc hình thành electron giật lùi proton tia gamma bị tán xạ, lượng hai hạt tùy thuộc vào góc tán xạ (hình 3) Hình 3: Tương tác tán xạ Compton Năng lượng tia gamma. .. lượng ban đầu photon tia gamma Từ lẽ đó, hấp thụ quang điện q trình lý tưởng quan tâm đến việc đo lượng tia gamma gốc Động toàn phần electron lượng tia gamma tới giống với tia gamma đơn Trong điều... tích lũy tương tác tạo cặp xảy đầu dò Năng lượng tương ứng với vị trí đỉnh kép phổ biên độ xung tia gamma Các tương tác tạo cặp kéo theo phát xạ hai photon hủy 0,511 MeV Positron tồn hạt tách biệt