Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn

mục lục mở đầu 1 Ch ơng I : Quá trình truyền năng lợng và tơng tác của gamma cho vật chất 4 1.1. Bản chất của tia gamma 4 1.1.1. Tia gamma 4 1.1.2. Tính chất của tia gamma 6 1.2. Tơng tác của gamma với vật chất 7 1.2.1. Hiệu ứng quang điện 7 1.2.2. Hiệu ứng Compton 9 1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp 11 1.3. Sự suy giảm của chùm bức xạ gamma khi đi qua vật chất 13 1.3.1. Sự suy yếu của chùm gamma hẹp 14 1.3.2. Sự suy yếu của chùm gamma rộng. Hệ số tích luỹ 15 1.3.3. Hệ số hấp thụ 16 1.4. Liều chiếu, liều hấp thụ và liều sinh học 17 1.4.1. Liều lợng bức xạ 17 1.4.2. Liều hấp thụ bức xạ 18 1.4.3. Mối tơng quan giữa liều chiếu và liều hấp thụ 18 I.4.4. Liều tơng đơng 19 1.4.5. Mối tơng quan giữa các đại lợng đo bức xạ 20 1.5. Liều và suất liều trong che chắn và bảo vệ bức xạ: Liều và suất liều và hệ số gamma 20 1.6. Mối tơng quan giữa liều chiếu xạ và liều tán xạ 21 1.7. Quá trình truyền năng lợng của bức xạ gamma cho vật chất. 21 1.7.1. Lý thuyết cấu trúc vết 22 1.7.2. Mô hình truyền năng lợng 23 1.7.3. Dẫn xuất của mô hình truyền năng lợng 25 Ch ơng II : Tơng tác của gamma với vật chất sống và kĩ thuật bảo vệ chống bức xạ 28 2.1. Tơng tác của gamma với vật chất sống 28 2.2. Kỹ thuật bảo vệ chống bức xạ 30 2.2.1. Thời gian chiếu xạ 30 2.2.2. Khoảng cách tới nguồn 30 2.2.3. Che chắn bức xạ 32 Ch ơng III : Phơng pháp thực nghiệm nghiên cứu tơng tác của 1 gamma với vật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn. 34 3.1. Cơ sở của phơng pháp 34 3.2. Dụng cụ thí nghiệm 36 3.3. Tiến hành thí nghiệm 39 3.4. Thiết kế che chắn bức xạ gamma 45 Kết luận 49 Tài liệu tham khảo 51 mở đầu Kể từ khi Beccơren phát hiện ra hiện tợng phân rã phóng xạ, con ngời chúng ta đã ý thức đợc rằng: Xung quanh chúng ta ngập tràn các loại bức xạ, và giờ đây phóng xạ và bức xạ đã trở thành những khái niệm rất gần gũi. Ngay từ thuở sơ khai con ngời đã phải hứng chịu đủ mọi loại phóng xạ của vũ trụ, từ đất đá ở môi trờng xung quanh, thức ăn, nớc uống, không khí ta hít thở hàng ngày và thậm chí cả bản thân con ngời chúng ta cũng chứa một lợng chất phóng xạ nhất định. Gamma và X là một trong các loại bức xạ có năng lợng cao, khả năng đâm xuyên lớn và có thể gây tác động mạnh, nguy hiểm đến các sinh vật sống, đến con ngời. Gamma và X là các loại bức xạ vừa mang tính chất hạt vừa mang tính chất sóng, về mặt vật lý chúng chỉ khác nhau về bớc sóng, bớc sóng càng ngắn năng l- ợng của chúng càng cao. 2 Khi đi qua vật chất các lợng tử gamma va chạm và tơng tác với các nguyên tử của vật chất theo các hiệu ứng hấp thụ và tán xạ, trong các quá trình đó chúng có thể truyền một phần hoặc hoàn toàn năng lợng của mình cho vật chất. Khi hấp thụ năng lợng của tia gamma, các nguyên tử phân tử của vật chất bị biến đổi, trở thành các ion. Chính sự hấp thụ này có thể dẫn tới sự phá huỷ cấu trúc của vật chất. Với bức xạ gamma tác dụng của chúng càng mạnh mẽ, chúng có khả năng đâm xuyên rất lớn, do vậy chúng có thể phá huỷ cấu trúc của những lớp vật chất ở rất sâu dới lớp bề mặt. Với những liều lợng đủ lớn, tia gamma gây ra các tác động xấu tới sức khoẻ và có thể dẫn tới tử vong đối với con ngời. Nhng mặt khác, bức xạ nói chung và bức xạ gama nói riêng cũng có những ứng dụng to lớn trong sản suất và đời sống, ngày nay ngành công nghệ bức xạ đang phát triển mạnh mẽ và không ngừng. Có thể kể đến các ứng dụng của bức xạ nh : sản suất vật liệu cách điện, bền nhiệt, pôlime, khử trùng các dụng cụ y tế, ứng dụng trong chụp ảnh công nghiệp Việc nghiên cứu và hiểu biết quá trình tơng tác của bức xạ gamma với vật chất giúp chúng ta tìm ra giải pháp, tiêu chí an toàn nhất khi sử dụng, tiếp xúc với bức xạ gamma trong khi vẫn khai thác đợc những lợi ích, tiềm năng đa dạng của bức xạ gamma. Nhận thức đợc tầm quan trọng đó, cùng với sự hớng dẫn của thầy giáo Th.S : Nguyễn Thành Công đã giúp tôi lựa chọn đề tài Tơng tác của bức xạ gamma với vật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn. Nhiệm vụ của bản luận văn Trình bày các đặc điểm cơ bản về bức xạ gamma, các quá trình tơng tác chủ yếu của gamma với vật chất. Giới thiệu các đại lợng đặc trng, một số lý thuyết về quá trình truyền năng lợng của bức xạ gamma cho vật chất và giới thiệu những điểm cơ bản trong kỹ thuật bảo vệ chống bức xạ hiện nay, từ đó tiến hành phơng pháp thực nghiệm nghiên cứu tơng tác của gamma với vật chất, giới thiệu một số ứng dụng trong thiết kế che chắn. Tính thời sự của đề tài, quá trình tơng tác của gamma với vật chất thực tế sinh viên s phạm mới chỉ nghiên cứu, tiếp xúc bằng lý thuyết là chủ yếu. Với bản luận văn này kết hợp với bài thí nghiệm Ghi và xác định phổ của tia gamma, đo phổ hấp thụ của gamma với các chất khác nhau ở phòng thí nghiệm Quang phổ 3 khoa Vật Lý Trờng ĐH Vinh, sẽ giúp sinh viên khắc phục hạn chế này. Các số liệu mà tôi khảo sát trong bản luận văn hy vọng sẽ đóng góp thêm các số liệu mới cho bài thí nghiệm. Tính thực tiễn của đề tài, sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu đề tài đã đa ra một số ứng dụng trong thiết kế che chắn bức xạ gamma nh thiết kế thành bảo vệ nguồn, cửa bảo vệ phòng máy tia X. Ngoài ra còn giúp các bạn sinh viên hiểu rõ cơ chế, bản chất, nguyên lý hoạt động của bộ thí nghiệm Ghi và xác định phổ của tia gamma, đo phổ hấp thụ của gama với các chất khác nhau ở phòng thí nghiệm Quang phổ khoa Vật Lý trờng ĐH Vinh từ đó phần nào giúp các bạn sinh viên học tập tốt hơn khi tiếp xúc với bài thí nghiệm này. Bố cục của luận văn gồm Phần mở đầu: Giới thiệu luận văn và lý do chọn đề tài Phần nội dung: Chơng I: Quá trình truyền năng lợng của gamma cho vật chất. Chơng II: Tơng tác của gamma với vật chất sống và kỹ thuật bảo vệ chống bức xạ. Chơng III: Phơng pháp thực nghiệm, nghiên cứu tơng tác của gamma với vật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn. Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả đã đạt đợc và các công việc đã thực hiện. 4 Chơng I Quá trình truyền năng lợng và tơng tác của tia Gamma cho vật chất 1.1. Bản chất tia gamma 1.1.1. Tia Gamma Bức xạ gamma là hiện tợng hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao về trạng thái kích thích thấp hơn hay trạng thái cơ bản bằng cách phân rã bức xạ gamma. Hạt nhân sau khi phân rã gamma không thay đổi số khối A và điện tích Z. Công thức của quá trình là: + A Z A Z XX * )( (1.1) Nh vậy phân rã Gamma chỉ xảy ra trong hạt nhân kích thích. Hạt nhân kích thích có thể thu đợc bằng nhiều cách. Trong phản ứng hạt nhân do kết quả bắn phá 5 bởi các hạt tích điện, hạt nơtron và các photon khác mà hạt nhân bia sẽ đợc nâng lên trạng thái kích thích. Sau phân rã anpha và bêta hạt nhân mới tạo thành có thể nằm ở trạng thái kích thích. Đây là cách đơn giản và phổ biến nhất để thu đợc những hạt nhân bức xạ gamma. Tia gamma là các sóng điện từ có bớc sóng cực ngắn ( m10m10 1214 ữ ) phát ra trong sự phân rã của hạt nhân nguyên tử. Cần chú ý là tia gamma và tia Rơnghen đều là các sóng điện từ nhng gamma có bớc sóng ngắn hơn, độ đâm xuyên lớn hơn ( có thể xuyên qua lớp vật liệu dày nh xuyên qua 10cm Pb). Điểm khác biệt cơ bản, bản chất của 2 loại tia ở chỗ: Gamma phát ra từ hạt nhân nguyên tử còn tia rơnghen phát ra bởi sự dịch chuyển trạng thái từ trạng thái năng lợng cao về trạng thái năng lợng thấp hơn của các electron trong lớp vỏ nguyên tử. Tia rơnghen đợc tạo ra khi các điển tử bị hãm, những điện tử có tốc độ cao đến gần ( bay ngang qua) hạt nhân mang điện dơng chúng chịu một sức hút và chuyển động chậm lại. Trong quá trình bị làm chậm hoặc bị hãm chúng bị mất đi một phần động năng ban đầu dới dạng tia Rơnghen ( theo điện động lực học cổ điển ). Đôi khi điện tử bị dừng lại tức thì, khi đó toàn bộ năng lợng của chúng đợc chuyển thành năng lợng cực đại của bức xạ Rơnghen ( có bớc sóng cực tiểu ). Trong ống phóng tia Rơnghen, khi các electron đập vào bia thì tốc độ của chúng thay đổi liên tục trong trờng Culông của các nguyên tử bia hay nói cách khác năng lợng của các electron bị mất dần, do đó các tia rơnghen phát ra có bớc sóng thay đổi liên tục trong một dải rộng vì vậy phổ của nó là một phổ liên tục. Các đồng vị phóng xạ phát ra một hoặc nhiều loại sóng. Do vậy trong phổ của nó có cách vạch khác nhau tơng ứng với các sóng đó. 6 Ví dụ : 60 Co ( T=5,2714 năm ) phát ra 2 loại sóng trội ở 1173,228 KeV và 1332,490 KeV. 137 Cs ( T=30,07 năm ) phát ra 1 loại sóng trội ở 661,657 KeV. 57 Co ( T= 271,79 ngày ) phát ra 3 loại sóng trội 14,6 KeV, 122,06 KeV, 136,47 KeV. 241 Am ( T=432,2 năm ) phát ra 2 loại sóng trội 26,3446 KeV và 54,5409 KeV. Tất cả các nguồn gamma đều có dạng phổ vạch ( Tức là có năng lợng xác định và có các đỉnh đặc trng cho năng lợng của chúng là rời rạc ) khác với phổ của tia rơnghen. Thờng ngời ta mô tả một tia gamma nhất định bằng năng lợng của nó hơn là biểu diễn nó theo chiều dài bớc sóng. Ví dụ nh phổ của một nguồn gamma có dạng nh sau : Hình 1: Phổ của một nguồn gamma 1.1.2. Tính chất của tia gamma - Không nhìn thấy đợc bằng mắt thờng. - Không cảm nhận đợc bằng các giác quan của con ngời. 7 Cường độ Số kênh - Có khả năng làm cho một số chất phát quang. Một số có tính chất nh vậy là Canxi, Bari, Diamon ( Kim cơng ). - Chúng chuyển động với vận tốc của ánh sáng - Có hại đối với các tế bào sống, nói chung nó nguy hiểm đối với sức khoẻ của con ngời cần phải rất cẩn thận khi làm việc, tiếp xúc với nó. - Có thể ion hoá vật chất ( Đặc biệt với chất khí, chất khí rất dễ bị Ion hoá để trở thành các điện tử và Ion dơng ). - Tuân theo các định luật cơ bản của ánh sáng ( Phản xạ, khúc xạ, truyền theo đ- ờng thẳng ). - Tuân theo qui luật : Cờng độ của nó tỉ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách giữa nguồn phát và một điểm xác định trong không gian. - Có thể xuyên qua những vật mà ánh sáng không thể xuyên qua đợc. Độ đâm xuyên của nó phụ thuộc vào năng lợng của phôtôn gamma, mật độ và chiều dày lớp vật chất. Qui luật hấp thụ của phôtôn gamma có dạng tổng quát nh sau: I = I o . Be x . . à Trong đó: I, I o , à , x, B lần lợt là cờng độ chùm tia tại vị trí x, cờng độ chùm tia ban đầu, hệ số hấp thụ, chiều dày lớp vật chất mà phôtôn đã xuyên qua (mà tại đó gamma có cờng độ I ), hệ số Builup (sẽ xem xét ở phần sau). - Chúng tác dụng lên lớp nhũ tơng của phim ảnh. 1.2. Tơng tác của tia gamma với vật chất 1.2.1. Hiệu ứng quang điện Trong hiệu ứng quang điện photon va chạm không đàn hồi với nguyên tử của vật chất và nó truyền toàn bộ năng lợng của mình cho electron kiên kết của nguyên tử ( photon gamma bị biến mất ). Năng lợng ấy một phần để chiến thắng 8 sự liên kết với hạt nhân nguyên tử , phần còn lại biến thành động năng của electron bay ra. Về mặt năng lợng : lkd EWh += . (1.2.1) Đặc điểm của hiệu ứng quang điện là chỉ xảy ra khi năng lợng của lợng tử gamma lớn hơn năng lợng liên kết của electron ( e EE > ). Hiệu ứng quang điện xảy ra càng mạnh khi khi liên kết của electron trong nguyên tử các bền vững và hầu nh không xảy ra với electron có liên kết yếu, đặc biệt là khi năng lợng liên kết của lợng tử gamma e EE >> . Điều này định luật bảo toàn năng lợng và xung lợng của các hạt tham gia phản ứng không cho phép. Nói chung, hiệu ứng quang điện thờng xảy ra ở các lớp electron phía trong. Hình 2: Quá trình xảy ra hiện tợng quang điện Khi phát ra electron quang điện, nguyên tử bị giật lùi một chút để bảo toàn xung lợng nhng vì khối lợng của nguyên tử lớn hơn rất nhiều so với khối lọng của electron nên động năng giật lùi này có thể bỏ qua trong phơng trình (1.2.1). Có thể có thêm một số electron phát ra cùng một electron quang điện nhất là ở các nguyên tử nặng. Quá trình đó đuợc gọi là hiệu ứng Auger. Trong đó khi electron quang điện phát ra từ các lớp trong ( lớp K chẳng hạn) thì nguyên tử nằm 9 Gamma tới e quang điện Tia X đặc trưng ở trạng thái kích thích và năng lợng kích thích này biến mất bằng cách giải phóng thêm một hay vài electron liên kết yếu. (đợc gọi là electron Auger ). Sự phân bố không gian ( phân bố góc ) của các electron trong hiệu ứng quang điện rất đặc trng. Khi các photon gamma có năng lợng nhỏ thì các electron quang điện bay ra chủ yếu theo phơng vuông góc với phơng truyền của tia gamma tới. Khi tăng năng luợng của gamma hình ảnh phân bố thay đổi. Các electron quang điện u tiên bay về phía truớc theo hớng tạo với hớng truyền của gamma một góc càng nhỏ nếu năng lợng của gamma càng lớn. Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lợng gamma khá phức tạp: + Đối với mỗi lớp electron, khuynh hớng chung của sự phụ thuộc là ~ 3 1 E + Đối với K EE > thì ~ 2/7 1 E + Đối với K EE >> thì ~ E 1 Sự phụ thuộc tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lợng của lợng tử gamma đợc biểu diễn trên đồ thị. 10 E M E L E K E Hình 3 : Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lượng của photon gamma