Nghiên cứu một số đặc trưng của tương tác bức xạ gamma mềm tới vật chất và ứng dụng trong phân tích nguyên tố bằng đêtctơ nhấp nháy

trờng đại học vinh khoa vật lý - NGHIÊN CứU MộT Số ĐặC TRƯNG CủA TƯƠNG TáC BứC Xạ GAMMA MềM VớI VậT CHấT Và ứNG DụNG TRONG PHÂN TíCH NGUYÊN Tố BằNG đÊTECTƠ NHấP NHáY khóa ln tèt nghiƯp cHUY£N NGµNH: qUANG HäC - QUANG PHỉ Cán hớng dẫn : TS nGUYễN tHàNH cÔNG Sinh viên thực hiện: Vơng kHả aNH Lớp : 49a VËt lý Vinh- 2012 Vương Khả Anh Lời cảm ơn Để hồn thành khóa luận tốt nghiệp đại học với đề tài “ Nghiên cứu số đặc trưng tương tác xạ gamma mềm với vật chất ứng dụng phân tích nguyên tố Đêtectơ nhấp nháy” nổ lực cố gắng thân, nhận giúp đỡ chu đáo, nhiệt tình thầy giáo khoa Vật lý, Hội đồng khoa học khoa Vật lý, thầy cô giáo tổ bạn bè gia đình Qua em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Thành Công dành nghiều thời gian, công sức để hướng dẫn em hồn thành khóa luận tố nghiệp Chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Vật lý, bạn bè gia đình cỗ vũ động viên suốt thời gian làm khóa luận Bước đầu làm công tác nghiên cứu khoa học nên thân tơi khơng khỏi thiếu sót, đề tài nên mong quan tâm đóng góp ý kiến quý thầy cô quan tâm để đề tài tác giả hoàn thiện Vinh, tháng năm 2012 Sinh viên Vương Khả Anh Vương Khả Anh MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nghiên cứu đặc trưng tương tác xạ hạt nhân với vật chất sở vật lý để áp dụng có hiệu kỹ thuật hạt nhân lĩnh vực khác Trong phân tích hàm lượng nguyên tố theo xạ huỳnh quang X đặc trưng, kích thích gamma phát từ nguồn đồng vị phóng xạ, xạ đặc trưng chọn phân tích xạ gamma kích thích có lượng thấp Nghiên cứu đặc trưng tương tác xạ gamma với vật chất cần thiết để nâng cao chất lượng phép phân tích Các xạ mềm tương tác với vật chất thể tính chất riêng biệt mình: Rất nhạy với thay đổi thành phần hóa học mơi trường, hệ số suy giảm có tính nhảy bậc lượng xạ gamma qua biên hấp thụ lớp vỏ nguyên tử Để nâng cao độ xác phép phân tích, việc nghiên cứu đặc trưng tương tác xạ gamma lượng thấp với vật chất cần thiết Về mặt lý thuyết, tương tác xạ gamma với vật chất đặc trưng tiết diện tương tác xạ gamma nguyên tử Trong thực nghiệm, hệ số suy giảm đại lượng đặc trưng cho tương tác xạ gamma với vật chất Các xạ đặc trưng nguyên tố có mẫu phát tham gia vào tương tác với nguyên tố có mẫu trước đêtectơ Chính mẫu tự hấp thụ xạ đặc trưng phát Sự hấp thụ mẫu phụ thuộc vào bề dày mẫu xạ cần phân tích Khi phân tích hàm lượng nguyên tố theo xạ đặc trưng Vương Khả Anh lượng thấp theo phương pháp tương đối, sai khác thành phần hóa học bề dày mẫu phân tích mẫu chuẩn gây nên sai số lớn Trong tốn phân tích có yêu cầu độ xác cao, cần phải hiệu chỉnh sai khác Để tiến hành hiệu chỉnh trên, cần phải biết hệ số suy giảm mẫu chuẩn mẫu phân tích xạ cần phân tích Trong thực tế, số liệu thực nghiệm đặc trưng suy giảm chất gamma mềm cịn Việc xác định hệ số suy giảm nguyên tố gamma mềm có ý nghĩa q trình làm khớp trình xác định hiệu suất ghi đêtectơ bán dẫn Si(li) vùng gamma lượng thấp Cùng với tiến khoa học công nghệ, thiết bị phương pháp phân tích phổ huỳnh quang X đặc trưng ngày hoàn thiện Ngày phương pháp phân tích phổ huỳnh quang X đặc trưng khơng có ứng dụng phân tích thành phần nguyên tố mà ngày có ứng dụng lĩnh vực khác như: Trong việc kiểm tra chất lượng sản phẩm, y tế, lĩnh vực kiểm tra độ nhiễm bẩn môi trường Tình hình nghiên cứu đề tài Áp dụng phương pháp tỷ số phổ phân tích hàm lượng theo phổ huỳnh quang X đặc trưng, nghiên cứu xác định thực nghiệm số đặc trưng tương tác xạ gamma mềm với vật chất tiến hành môn Vật lý Hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc Gia Hà Nội Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu luận văn 3.1 Mục đích Bản luận văn có mục đích nghiên cứu xác định thực nghiệm số đăc trưng tương tác xạ gamma mềm với vật chất, áp dụng phương pháp tỷ số phổ để nâng cao chất lượng phân tích hàm lượng Vương Khả Anh nguyên tố theo phổ xạ huỳnh quang X đặc trưng phổ kế gamma nhấp nháy 3.2 Nhiệm vụ Xác định thực nghiệm số đặc trưng quan trọng xạ gamma mềm với vật chất phổ kế gamma nhấp nháy: - Xác định hệ số suy giảm số chất gamma mềm - Kiểm chứng thực nghiệm tính nhạy tương tác gamma mềm với vật chất, thay đổi thành phần hóa học vật chất tính chất phụ thuộc nhảy bậc hệ số suy giảm khối vào lượng xạ gamma nguyên tử số hiệu dụng môi trường Nghiên cứu thực nghiệm yếu tố ảnh hưởng đến kết xác định hàm lượng nguyên tố dựa vào diện tích vạch đặc trưng nguyên tố cần phân tích Nghiên cứu áp dụng phương pháp tỷ số phổ phân tích hàm lượng nguyên tố theo phổ huỳnh quang X đặc trưng phổ kế gamma nhấp nháy, đáp ứng yêu cầu số toán thực tế đặt Tính khoa học luận văn Đã nghiên cứu cách có hệ thống vấn đề có liên quan tới phương pháp phân tích nguyên tố theo xạ huỳnh quang X đặc trưng đưa biện pháp nhằm nâng cao chất lượng phân tích nguyên tố đêtectơ nhấp nháy Đã đề xuất số phương pháp ngoại suy xác định hệ số suy giảm số chất xạ gamma mềm dựa vào quy luật hàm e mũ mô tả Vương Khả Anh suy giảm cường độ xạ gamma vật chất phương pháp đánh giá thành phần tán xạ Rayleigh phổ tán xạ gamma mềm Các kết thực nghiệm thu luận văn góp phần làm rõ chế tương tác xạ gamma mềm với vật chất, bổ sung thêm số liệu thực nghiệm hệ số suy giảm gamma 5.9 keV Tính thực tiễn luận văn Đã áp dụng phương pháp tỷ số phổ để xác định nhanh hàm lượng nguyên tố theo phổ xạ huỳnh quang X đặc trưng với độ xác tốt phổ kế gamma nhấp nháy, hệ thiết bị không đắt tiền trang bị phịng thí nghiệm phân tích thơng thường Kết luận văn góp phần giải tốn định thực nghiệm nguyên tử số hiệu dụng mẫu chuẩn phóng xạ Quốc gia yêu cầu phân tích nhanh thăm dị quy trình cơng nghệ làm giàu tổng ơxít đất đặt số sở sản xuất Kết cấu luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn chia làm chương: Chương 1: Nghiên cứu tương tác xạ gamma mềm với vật chất Chương 2: Nghiên cứu kết thực nghiệm số đặc trưng tương tác gamma mềm với vật chất Chương 3: Sử dụng xạ tán xạ làm chuẩn phương pháp tỷ số phổ Vương Khả Anh Chương TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA MỀM VỚI VẬT CHẤT 1.1 Bức xạ gamma Tia gamma – xạ lượng cao có tần số cao (và bước sóng ngắn nhất), tia gamma phát chuyển trạng thái bên hạt nhân nguyên tử, bao gồm hạt nhân chất phóng xạ (tự nhiên nhân tạo) định Sóng gamma phát từ vụ nổ hạt nhân nguồn đa dạng khác không gian vũ trụ Những tia uy mãnh có khả đâm xuyên khủng khiếp báo cáo truyền qua mét bêtơng! Mỗi photon tia gamma giàu lượng đến mức chúng dễ dàng nhận ra, bước sóng nhỏ chúng hạn chế quan sát thực nghiệm tính chất sóng Tia gamma phát từ vùng nóng vũ trụ, bao gồm vụ nổ siêu mới, neutron, pulsar lỗ đen, truyền qua khoảng cách bao la không gian để đến Trái Đất Dạng xạ lượng cao có bước sóng ngắn phần trăm nanomet (10 picomet), lượng photon lớn 500 kiloelectron-volt (keV) tần số mở rộng tới 300 exahertz (EHz) Trong luận văn nghiên cứu xạ gamma mềm Khái niệm xạ gamma mềm hiểu xạ gamma có lượng nằm vùng lượng ion hóa ngun tố có Bảng hệ thống tuần hồn Năng lượng xạ đặc trưng nguyên tố có tự nhiên nguyên tố nhân tạo cuối Bảng hệ thống tuần Vương Khả Anh hoàn nhỏ 150 KeV 1.2 Hiện tượng hấp thụ tán xạ Khi chùm xạ gamma vật chất, cường độ bị suy giảm kết tương tác với nguyên tử vật chất Các xạ gamma lượng thấp trung bình vật chất chủ yếu tương tác với điện tử mơi trường lượng xạ gamma thường tính đơn vị lượng nghỉ điện tử Khi lượng xạ gamma, kí hiệu k, đại lượng khơng có thứ nguyên xác định theo công thức: K = /m0 c² : (1.1) m0c² lượng nghỉ điện tử 511 keV,  lượng xạ gamma tính keV Khi qua vật chất, xác suất xảy q trình tương tác phụ thuộc vào lượng xạ gamma nguyên tử số môi trường Đối với xạ gamma mềm (k < 1), tương tác với môi trường thông qua tượng hấp thụ quang điện tán xạ 1.2.1 Hấp thụ quang điện Hiện tượng hấp thụ quang điện trình hấp thụ lượng tử gamma nguyên tử vật chất Trong trình hấp thụ quang điện, toàn lượng lượng tử gamma truyền trực tiếp cho điện tử nguyên tử điện tử bay khỏi nguyên tử với động hiệu lượng xạ gamma lượng liên kết điện tử nguyên tử Điện tử tham gia vào trình hấp thụ quang điện gọi trình quang tử Để xảy tượng hấp thụ quang điện lớp điện tử thứ i nguyên tử, lượng xạ gamma cần phải lớn ion hóa lớp Khi lượng xạ gamma lớn ion hóa lớp K Vương Khả Anh xác suất xảy tượng quang điện lớp K lớn Xác suất xảy hiệu ứng quang điện đặc trưng tiết diện hấp thụ quang điện nguyên tử, kí hiệu a, có thứ nguyên cm² Hệ số suy giảm khối hấp thụ quang điện µq có thứ ngun cm²/g, tính theo cơng thức sau: µq = a (1.2) A nguyên tử gam chất hấp thụ; cịn Ao số Avơgađrơ Hệ số hấp thụ quang điện nguyên tử phụ thuộc vào lượng nguyên tử số môi trường theo công thức sau: = 5,01 = 1,62 / /  > IK (1.3) IK >  > IL Z nguyên tử số mơi trường; cịn Ik IL ion hóa lớp K lớp L nguyên tử Đối với lớp điện tử thứ i lớp nguyên tử, biên hấp thụ có hai giá trị Giá trị phía lượng lớn kí hiệu a’ cịn phía lượng thấp kí hiệu a’’ Tỉ số hai giá trị gọi hệ số nhảy bậc lớp thứ i kí hiệu ki ( ki = a’/ a’’ ) Như hệ số suy giảm khối hấp thụ quang điện thay đổi nhảy bậc lượng xạ gamma qua giá trị biên hấp thụ lớp điện tử nguyên tử Vương Khả Anh 3.3.4 Hạn chế ảnh hưởng thay đổi nguyên tử số hiệu dụng chất Để xét ảnh hưởng thay đổi chất đến kết phân tích tạo lô mẫu Ba 5, 15 25% chất có nguyên tử số hiệu dụng thay đổi từ 9,6 đến 23 Kết thực nghiệm hàm lượng Ba nguyên tử số hiệu dụng chất tăng, tỷ số phổ tăng theo Dùng đường chuẩn tỷ số phổ phụ thuộc vào hàm lượng ứng với chất CaCO3 để xác định hàm lượng mẫu khác Kết cho thấy Z chất tăng từ 9,6 lên 23 giá trị hàm lượng thu lô mẫu tăng lên tương ứng cỡ 35% Hình 3.3 trình bày phụ thuộc kết phân tích vào nguyên tử số hiệu dụng chất Hình3.3: Sự phụ thuộc kết đo vào nguyên tử số chất 35 Giá trị thực Theo tỷ số phổ 30 Theo tỷ số phổ chuẩn Hàm lượng cuả Ba (%) 25 20 15 10 10 12 14 16 18 Nguyên tử số chất Vương Khả Anh 52 20 22 24 Có thể giải thích kết thu đồ thị Hình 3.3 cách dựa vào đặc trưng tương tác xạ gamma với vật chất Để minh hoạ Hình 3.4 đưa dạng phổ xạ thứ cấp kích thích lơ mẫu Ba 15 % chất MgCO3, CaCO3, MnO2 đồng vị phóng xạ Co57 Chọn thời gian đo cho diện tích đỉnh hấp thụ tồn phần xạ đặc trưng ba phổ Để dễ so sánh vẽ phổ xạ thứ cấp mẫu hình Đỉnh hấp thụ tồn phần xạ đặc trưng phổ trùng nhau, phần phố ứng với vùng lượng tán xạ phổ khác Từ phổ nhận thấy phần tán xạ phổ xạ thứ cấp ứng với mẫu có chất nặng nằm phổ ứng với mẫu có chất nhẹ Tại đỉnh ứng với xạ tán xạ Compton lần sai khác ba phổ lớn nhất, xa đỉnh tán xạ lần, sai khác phổ Sở dĩ phần tán xạ phổ ứng với mẫu có chất nặng nằm phổ ứng với chất nhẹ lượng xạ gamma tới tiết diện hấp thụ quang điện tăng tiết diện tán xạ Compton giảm nguyên tử số hiệu dụng mẫu tăng Như vậy, mẫu có hàm lượng chất phân tích chất khác tỷ số phổ thu đo mâu có chất nặng lớn so với đo mẫu có chất nhẹ Đối với mẫu phân tích có chất nhẹ chất mẫu chuẩn giá trị hàm lượng thu theo phương pháp tỷ số phổ nhỏ giá trị thực Ngược lại mẫu phân tích có chất nặng kết đo lớn giá trị thực Vương Khả Anh 53 1500 Chất MnO2 Chất CaCO3 Chất MgCO3 Số đếm 1000 -> 500 -> 1