M Ở ĐẦU
1.5.3. Quỏ trỡnh tạo cặp [1]
Khi năng lượng của lượng tử gamma lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron (hν > 2m c = 1,02MeV ) thỡ quỏ trỡnh tương tỏc chớnh của lượng tử gamma 0 2 lờn vật chất là sự tạo cặp electron - positron.
Cặp e+
, e- sinh ra trong trường điện từ của hạt nhõn. Khi đú, lượng tử gamma bị hấp thụ hoàn toàn, năng lượng của nú truyền hết cho cặp e+
, e- và hạt nhõn giật lựi. Năng lượng giật lựi của hạt nhõn là khụng đỏng kể. Do đú, biểu thức định luật bảo toàn năng lượng cú thể được viết dưới dạng sau:
E = T- + T+ + 2moc2 (1.18)
o Với T-, T+ lần lượt là động năng của electron và positron. o mo là khối lượng nghỉ của electron.
Hỡnh 1.5: Quỏ trỡnh tạo cặp
Quỏ trỡnh tạo cặp electron - positron xảy ra chủ yếu ở gần trường Coulomb của hạt nhõn, hạt nhõn này cũng hấp thụ một phần xung lượng của photon ban đầu. Tiết diện hiệu dụng tỉ lệ với Z2, nghĩa là hiệu ứng xảy ra chủ yếu với cỏc nguyờn tố nặng (Z lớn). Cỏc positron được tạo ra, cuối cựng cũng ra bị mất do bị hủy cặp với cỏc electron của nguyờn tử.
30 e+ + e- → 2 γ
Quỏ trỡnh tạo cặp đúng vai trũ quan trọng đối với cỏc photon cú năng lượng từ 5 MeV trở lờn.
1.5.4. Sự suy giảm cường độ gamma qua mụi trường vật chất.
Khi cho chựm gamma hẹp đi qua một bản vật liệu, lượng tử gamma hoặc bị mất tất cả năng lượng (hấp thụ) hoặc mất phần lớn năng lượng do quỏ trỡnh tỏn xạ. Cường độ gamma cũn lại là:
-μx 0
I = I .e (1.19)
Trong đú:
o I0 và I là cường độ gamma trước và sau khi đi qua bề dày x của vật liệu.
o à là hệ số hấp thụ tuyến tớnh cú thứ nguyờn cm-1 (cường độ gamma giảm đi e lần sau khi đi qua bề dày 1/à.
Hỡnh 1.6: Sự suy giảm cường độ gamma qua vật hấp thụ
Khi đi vào mụi trường vật chất, bức xạ gamma cú thể tương tỏc với mụi trường vật chất theo cơ chế hấp thụ quang điện, tỏn xạ Compton và tạo cặp. Do đú,
31
hệ số hấp thụ tuyến tớnh toàn phần của vật chất là tổng của cỏc hệ số hấp thụ ứng với cỏc quỏ trỡnh riờng lẻ:
f c π
μ = μ + μ + μ (1.20) Khi tiết diện tỏn xạ, cần chỳ ý rằng tõm tỏn xạ của hiệu ứng quang điện và sự tạo cặp là nguyờn tử, cũn của hiệu ứng Compton là electron, ta cú:
f c π
μ = nσ + nZσ + nσ (1.21) Với n là số nguyờn tử trong một đơn vị thể tớch của mụi trường. Số hạng thứ nhất trong cụng thức chiếm ưu thế ở miền năng lượng thấp, số hạng thứ hai chiếm ưu thế ở miền năng lượng trung bỡnh (vài MeV) và số hạng thứ ba chiếm ưu thế ở miền năng lượng cao. Do đú, hệ số hấp thụ tuyến tớnh toàn phần cú cực tiểu trong khoảng mà hiệu ứng Compton chiếm ưu thế. Cực tiểu này càng rừ nột đối với cỏc nguyờn tố nặng vỡ μ , μf π lần lượt tỉ lệ với Z5
và Z2, trong khi μc tỉ lệ với Z. Hệ số suy giảm khối
Hệ số hấp thụ tuyến tớnh tỉ lệ với mật độ ρ của mụi trường vật chất. Nghĩa là hệ số hấp thụ tuyến tớnh đối với cựng một vật liệu khỏc nhau nếu mật độ mụi trường khỏc nhau. Để trỏnh sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ tuyến tớnh vào mật độ vật chất, người ta sử dụng hệ số hấp thụ khối:
m
μ μ =
ρ(cm2/g) (1.22)
Trong cỏc ứng dụng thực tế, ta thường sử dụng khoảng năng lượng từ 2 đến 5 MeV. Khi đú, hiệu ứng Compton là cơ chế chiếm ưu thế, tức là hệ số hấp thụ khối toàn phần xấp xỉ bằng hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng tỏn xạ Compton. Do hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng tỏn xạ Compton bằng nhau đối với cỏc chất khỏc nhau, hệ số hấp thụ khối toàn phần gần bằng nhau đối với cỏc chất khỏc nhau và bức tường bảo vệ tạo bởi mọi chất đều tương đương nhau nếu bề dày của chỳng tớnh bằng g/cm2như nhau.
Hệ số hấp thụ khối của mụi trường vật chất cấu tạo từ nhiều thành phần khỏc nhau cho bởi:
32 i i c i μ μ = ω ρ ρ ∑ (1.23) i
ω : lần lượt là tỉ lệ khối lượng trong mụi trường của thành phần i
i μ ρ : hệ số hấp thụ khối của thành phần i. 1.6. Nhận xột chương 1
Trong chương này, chỳng tụi đó trỡnh bày tổng quan về tỡnh hỡnh nghiờn cứu về hệ đo thựng thải chất phúng xạ trong và ngoài nước. Giới thiệu về phương phỏp quột gamma phõn đoạn SGS. Bờn cạnh đú cũn giới thiệu sơ lược về tương tỏc gamma với vật chất.
33
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ ĐO
2.1. Giới thiệu chung
Một hệ đo thựng thải phúng xạ bao gồm cỏc thành phần sau: thựng thải, đầu dũ, hệ xe nõng đầu dũ, hệ quay thựng thải, mỏy vi tớnh với chương trỡnh thu nhận và xử lý phổ. Trong chương này sẽ trỡnh bày cụ thể về cấu tạo cũng như vai trũ của cỏc thành phần kể trờn.
2.1.1. Thựng thải
Thựng thải thường sử dụng là dạng thựng chứa lớn cú chiều cao 88cm, đường kớnh 60cm và thể tớch là khoảng 220 lớt. Thựng thải được chia thành 10 phõn đoạn với mỗi phõn đoạn cú độ dài là 8cm. Mụ hỡnh so sỏnh giữa lý thuyết chia cỏc phõn đoạn của thựng và mụ hỡnh thực tế được thể hiện trong hỡnh 2.1 .
Hỡnh 2.1: Hỡnh vẽ thể hiện việc chia phõn đoạn của thựng theo chiều dài. Việc phõn chia phõn đoạn theo chiều dọc của thựng giỳp cho việc thu nhận số đếm và xỏc định vị trớ của cỏc nguồn bất kỳ trong thựng theo chiều cao của thựng.
34
2.1.2. Đầu dũ NaI(Tl)
Đầu dũ được sử dụng trong luận văn này là loại đầu dũ tinh thể NaI loại 802 của hóng Canberra với kớch thước hỡnh học 7,6cm x7,6cm. Đầu dũ này là một hỡnh trụ kớn bờn trong cú chứa tinh thể NaI(Tl), ống nhõn quang, tấm là chắn sỏng, cửa sổ nhụm và 14 đầu nối được thể hiện như trong hỡnh 2.2.
Hỡnh 2.2: Đầu dũ NaI(Tl) 802-7,6cm x7,6cm
Đối với hệ đo thựng thải, đầu dũ cú vai trũ ghi nhận số đếm và cỏc đỉnh phổ đặc trưng cho cỏc nguồn phúng xạ cú chứa trong thựng. Đầu dũ nhấp nhỏy NaI(Tl) cho kết quả tốt và ổn định đối với cỏc mẫu cú dạng hỡnh trụ. Cỏc thành phần và vật chất của cỏc thành phần cấu tạo nờn đầu dũ được thể hiện trong bảng 2.1.
35
Bảng 2.1: Kớch thước và vật chất cấu tạo của đầu dũ
Thành phần Vật chất Bề dày (cm) Mật độ (mg/cm2 ) Tinh thể NaI(Tl) 7,6 x 7,6 Cửa sổ nhụm 5 147 Lớp phản xạ nhụm oxớt 16 88 Lớp chắn từ/chắn sỏng thộp
Để xử lý xung tớn hiệu ghi nhận được từ đầu dũ cần phải cú cỏc bộ phần đi kốm với đầu dũ như bộ phận tiền khuếch đại, khuếch đại, đó được tớch hợp trong Osprey.
2.1.3. Osprey
Osprey là một thiết bị hiệu suất cao, tớch hợp ống phõn tớch đa kờnh MCA và cỏc thiết bị cần thiết cho việc hỗ trợ phụng nhấp nhỏy. Được thiết kế cho cả phũng thớ nghiệm và thực tế, một thiết bị nhỏ gọn cú chứa một điện cao ỏp cung cấp (HVPS), tiền khuếch đại và đầy đủ tớnh năng kỹ thuật số MCA.
Hỡnh 2.3: Hỡnh Osprey
Osprey đó thay thế được cỏc thiết bị riờng biệt như trước và được kiểm soỏt một cỏch dễ dàng thụng quỏ cổng USB và phần mềm Genie 2000. Nguồn nuụi được dựng trực tiếp từ nguồn điện của mỏy tớnh.
36
2.1.4. Ống chuẩn trực chỡ
Ống chuẩn trực được đỳc bằng chỡ tương ứng với kớch cỡ của đầu dũ. Sử dụng một ống lớn cú đường kớnh trong là 9,5 cm, đường kớnh ngoài 10,5cm, chiều dài 15 cm bao bọc xung quanh đầu dũ NaI(Tl), một nắp đậy bằng chỡ cú đường kớnh 9,5 cm, đường kớnh ống chuẩn trực chựm tia 1 cm.
Hỡnh 2.4: Ống chỡ bao quanh đầu dũ NaI(Tl)
Ống lớn và nắp vừa khớt với nhau, bao lấy đầu dũ và cựng đặt cố định trờn hệ nõng. Ống chuẩn trực dựng để chuẩn trực chựm tia phúng xạ từ nguồn vào đầu dũ. Đầu dũ được nối với mỏy tớnh bằng cỏp để hiện thị phổ gamma tương ứng của cỏc đồng vị phúng xạ và số đếm.
2.1.5. Chương trỡnh thu nhận và phõn tớch phổ
Chương trỡnh Genie 2000 cung cấp một mụi trường làm việc tốt cho MCA như kiểm soỏt, thu thập dữ liệu, hiển thị và phõn tớch. Ghi nhận và phõn tớch số liệu thực nghiệm được ghi nhận từ đầu dũ.
37
Hỡnh 2.5: Mụ tả giao diện chương trỡnh Genie 2000
Trong hỡnh 2.5 thể hiện giao diện của phần mềm Genie 2000 với phổ thực tế của phộp đo. Để xỏc định cỏc đỉnh năng lượng chương trỡnh cung cấp một cụng cụ giỳp xỏc định cỏc hệ số của đường chuẩn năng lượng bằng cỏc nhập số kờnh tương ứng với cỏc đỉnh năng lượng đó biết. Ngoài ra chương trỡnh cũn giỳp xỏc định được số đếm của cỏc đỉnh năng lượng.
2.1.6. Hệ nõng đầu dũ
Hệ nõng được sử dụng trong luận văn này là loại xe nõng cú tải trọng nõng tối đa là 350kg, chiều cao cỏch mặt đất khi nõng thấp nhất là 350mm, chiều cao cỏch mặt đất khi nõng cao nhất 1300mm, kớch thước mặt bàn là 510 x 900mm. Hệ xe nõng cú tỏc dụng nõng đầu dũ theo độ cao, với mỗi bước nõng là 8cm. Hỡnh chụp xe nõng được thể hiện trong hỡnh 2.6.
38
Hỡnh 2.6: Hệ xe nõng đầu dũ
Xe nõng cú thể nõng đầu dũ bằng cỏch kớch chõn vào bàn đạp để nõng và xả bằng tay để hạ đầu do theo khoảng cỏch cần đo. Bỏnh xe của xe nõng cú thể khoỏ cố định để trỏnh dịch chuyển trong quỏ trỡnh đo.
2.1.7. Hệ quay thựng thải
Hệ quay thựng thải bao gồm một đĩa trũn cú đường kớnh 62cm, trờn đĩa cú cỏc chốt để cố định thựng thải, một động cơ quay nối với đĩa trũn .
Động cơ quay cú cụng suất lớn đó gắn hệ giảm tốc, quay với tốc độc chậm để đầu dũ cú thể quột được toàn bộ thựng rỏc thải phúng xạ một cỏch chi tiết nhất, động cơ được gắn hệ truyền động gồm cỏc bỏnh răng gắn liền với trục quay của giỏ đỡ thựng rỏc thải phúng xạ.
39
Hỡnh 2.7: Hệ quay thựng thải cú gắn động cơ cú cụng suất lớn
Trong hỡnh 2.7 là hỡnh chụp hệ quay khi chưa cú thựng thải, hệ quay này được thiết kế để cú thể quay thựng thải với cỏc loại chất độn cú mật độ lớn như vải, cỏt.
2.1.8. Mỏy tớnh
Mỏy tớnh cú vai trũ cung cấp nguồn điện một chiều giỳp cho hệ osprey và đầu dũ hoạt động. Ngoài ra nú cũn gúp một phần quan trọng trong việc thu nhận, hiển thị và xử lý cỏc số liệu thực nghiệm đo được.
40
2.1.9. Chương trỡnh tỏch đỉnh phổ chồng chập
Chương trỡnh Colegram được ứng dụng trong việc xử lý cỏc phổ thực nghiệm phức tạp, sử dụng cỏc cụng cụ toỏn học thớch hợp nhất cho việc xỏc định cỏc đỉnh chồng chập.
Hỡnh 2.9: Chương trỡnh Colegram để tỏch hai đỉnh phổ chồng chập Trong luận văn này chỳng tụi đó sử dụng cỏc nguồn chuẩn là 60
Co và 22Na, vấn đề xảy ra là sự chồng chập đỉnh phổ 1274keV của nguồn 22Na và đỉnh phổ 1332keV của nguồn 60Co. Do đú một chương trỡnh như Colegram đó giỳp ớch trong tỏch hai đỉnh phổ này.
41
2.1.10. Chất độn được sử dụng
Chỳng tụi đó sử dụng hai loại vật liệu là xốp và vải để làm chất độn trong thựng thải. Đõy là cỏc loại vật liệu nhẹ cú mật độ thấp.
Hỡnh 2.10: Hỡnh xốp và vải vụn
Trong hỡnh 2.10 là hỡnh hai loại vật liệu làm chất độn trước khi bỏ vảo thựng thải.
2.2. Giới thiệu bộ nguồn chuẩn dựng để thớ nghiệm
Cỏc nguồn điểm sử dụng trong luận văn này là 6 nguồn điểm thuộc bộ nguồn chuẩn cú cỏc thụng số được mụ tả bởi Bảng 3.1.
Bảng 2.2: Thụng tin bộ nguồn chuẩn sử dụng trong quỏ trỡnh đo
Nguồn Hoạt độ ban đầu Chu kỡ bỏn ró Ngày sản
xuất Năng lượng (keV) 133 Ba 1,0 μCi 10,5 năm 1-2013 81,0; 276,4; 302,9; 356,0; 383,8 57 Co 1,0 μCi 271,8 ngày 12-2012 122,1; 136,5 60 Co 1,0 μCi 5,27 năm 1-2013 1173,2; 1332,5 137 Cs 1,0 μCi 30,07 năm 1-2013 661,7 54 Mn 1,0 μCi 312,3 ngày 1-2013 834,8 22 Na 1,0 μCi 2,6 năm 12-2012 511,0; 1274,5
Hỡnh dạng của bộ nguồn chuẩn là cỏc vật hỡnh trũn làm bằng nhựa, cỏc đồng vị phúng xạ được đưa vào ở tõm của hỡnh trũn và bịt kớn lại.
42
Hỡnh 2.11: Hỡnh dạng của bộ nguồn chuẩn
Bộ nguồn chuẩn được mượn từ Phũng thớ nghiệm Kỹ thuật Hạt nhõn, Đại học Khoa học Tự nhiờn, Đại học Quốc gia Tp.HCM. Đõy là bộ nguồn chuẩn được mua về từ đầu năm 2013.
2.3. Nguyờn tắc vận hành hệ đo
Hệ đo được vận hành theo cỏc bước sau:
Bước 1:
• Đưa thựng thải vào vị trớ đĩa quay trũn, cố định vị trớ bằng cỏc vớt cố định.
• Đầu dũ được đưa đến cao thế hoạt động tốt nhất
Bước 2:
• Để thựng đứng yờn và quyột thựng thải bằng cỏch nõng dần đầu dũ theo chiều cao của thựng với cỏc phõn đoạn cỏch đều nhau.
• Quay đều thựng và quyột thựng thải bằng cỏch nõng dần đầu dũ theo chiều cao của thựng với cỏc phõn đoạn cỏch đều nhau.
43
Bước 3:
• Tiến hành xử lý số liệu thu nhận được bởi phần mềm Genie-2000.
• Xỏc định đồng vị phúng xạ khi quột qua từng phõn đoạn, vị trớ và hoạt độ nguồn cú trong thựng thải.
Hỡnh 2.12: Hệ đo thựng thải
Hệ vận hành dựa vào phương phỏp chủ yếu là quột gamma phõn đoạn ỏp dụng cho thựng thải chứa vật liệu. Thu nhận và xử lý phổ để xỏc định vị trớ và hoạt độ của cỏc nguồn phúng xạ chưa biết trong thựng.
2.4. Nhận xột chương 2
Chương 2 đó giới thiệu khỏi quỏt cấu tạo cũng như vai trũ của cỏc thành phần của hệ đo thựng thải chất phúng xạ mà luận văn xõy dựng. Hệ đo và kớch thước của thựng thải là chớnh xỏc so với mụ tả. Ngoài ra trong chương này cũn đưa ra một chu trỡnh chuẩn cho việc thực hiện cỏc phộp đo đối với hệ đo này.
44
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Quỏ trỡnh thực nghiệm được chia thành 3 giai đoạn chớnh:
Giai đoạn 1: Quột gamma theo phõn đoạn theo chiều cao của thựng và phõn đoạn ngang khi xoay thựng.
Giai đoạn 2: Tiến hành khảo sỏt đường chuẩn hiệu suất theo năng lượng với cỏc khoảng cỏch khỏc nhau trong thựng thải khi cú vải vụn. Khảo sỏt vị trớ nguồn
Giai đoạn 3: Quột gamma theo phõn đoạn theo chiều cao của thựng, khi thựng chứa nhiều nguồn với vật liệu là xốp, vải.
3.1. Quột gamma phõn đoạn theo chiều dọc thựng thải và quột phõn đoạn ngang khi xoay thựng ngang khi xoay thựng
3.1.1. Quột gamma phõn đoạn theo trục Oz của thựng thải
Trong phần này chỳng tụi chia thựng thành 17 phõn đoạn với mỗi phõn đoạn tương ứng là 5cm. Cho nguồn vào thựng đồng thời cho vải vụn, tiến hành khảo sỏt toàn bộ cỏc phõn đoạn đó chia. Dựa vào số đếm tổng thu được trờn từng phõn đoạn xỏc định được phõn đoạn nào chứa nguồn.
Hỡnh 3.1:Đồ thị biểu diễn số đếm trờn từng phõn đoạn của thựng thải
Bảng 3.1: Số đếm của từng phõn đoạn S ố đế m Bề dày phõn đoạn (cm)
45
Phõn đoạn Bề dày phõn đoạn (cm) Số đếm
1 0-5 805380 2 5-10 859119 3 10-15 917778 4 15-20 1003104 5 20-25 1107050 6 25-30 1194088 7 30-35 1264456 8 35-40 1306062 9 40-45 1325644 10 45-50 1323764 11 50-55 1284949 12 55-60 1282540 13 60-65 1245897 14 65-70 1161772 Kết luận
Dựa vào số liệu bảng 3.1 và đồ thị hỡnh 3.1 xỏc định được phõn đoạn chứa nguồn là phõn đoạn 9 tại vị trớ 40-45 cm so với đỏy thựng với số đếm tương ứng lớn