Chế độ
hoạt động
Xung Có thể Chủ yếu Chủ yếu
Dòng Chủ yếu Có thể Không tỉ lệ với liều của bức xạ.
Khả năng đo phổ Alpha Có thể đo tia gamma lên đến 200 keV. Không thể vì biên độ xung không phụ thuộc năng lượng.
Hệ số khuếch đại
chất 1 10
3
÷ 105 >106
Kiểu bức x ạ có
thể ghi nhận α, β, γ, X, n α, β, γ, X, n α, β, γ, X, ghi α khi dùng cửa sổ mỏng
Kiểu khí/ áp suất Không khí hoặc khí bất kỳ / ≥ áp suất khí quyển. Phụ thuộc khí dập tắt quá trình phóng điện/ Tuỳ vào ứng dụng.
Phụ thuộc khí làm tắt quá trình phóng điện/ Bé hơn áp suất khí quyển. Độ lớn của tín hiệu ra < 10 mV ≤ 100 mV ≈ hàng chục vôn Thiết bị điện tử Khuếch đại các xung nhỏ và đo dòng. Khối ổn định EHT, điều chỉnh phức tạp.
Thiết bị điện tử đơn giản, các điều kiện vận hành đơn giản.
Các ứng dụng Chuẩn nguồn,
quan trắc, đo liều
Cửa sổ bé để đo
38
beta/ gamma, đo hoạt độ phóng xạ khí,…
với các bức xạ không xuyên sâu, các ứng dụng nhạy điện tích,…
nhân, dùng trong các hệ đếm, đo nhiễm bẩn bề mặt,…
2.2.2. Các đầu đo bán dẫn (buồng ion hóa dạng rắn):
Trong nhiều ứng dụng đo bức xạ, sử dụng vật liệu có khối lượng trung bình cao có nhiều thuận lợi hơn so với sử dụng vật liệu khí. Các vật liệu bán dẫn có mật độ cao thích hợp cho ghi các electron và gamma năng lượng cao. Sử dụng các đầu đo bán dẫn không chỉ thu được nhiều thông tin hơn về bức xạ cần đo mà còn cho độ phân giải năng lượng tốt nhất so với các loại đầu đo khác.
Hình 2-5 Sơ đồ mô tả đầu đo bán dẫn
Mặc khác, các đầu đo bán dẫn có thêm một số ưu điểm như sự tuyến tính theo năng lượng của biên độ xung, không bị tác động nhiều bởi từ trường, cửa sổ mỏng, kích thước phù hợp, thời gian phân giải tương đối nhanh, có thể chế tạo với các độ dài khác nhau cho các ứng dụng riêng.
Nguyên lý hoạt động
Khi bức xạ đi vào vật liệu bán dẫn, quá trình xảy ra tương tự như trong buồng ion hoá khí. Bức xạ hạt nhân đến đầu đo làm tăng số electron dịch chuyển từ dải hoá trị lên dải dẫn, để lại các lỗ trống mang điện dương trong dải hoá trị. Điện trường làm cho các electron và lỗ trống dịch chuyển về phía các điện cực tương ứng. Kết quả là điện tích được tạo ra ở mạch ngoài do đó bức xạ có thể được xác định.
Nhiều electron và lỗ trống không đến được các điện cực, chúng bị mất trong quá trình di chuyển do sự tái kết hợp hoặc bị chất pha tạp giữ lại ở các nút mạng tinh thể. Theo lý thuyết, thời gian sống trung bình của phần tử mang điện trước khi tái hợp trong chất bán dẫn tinh khiết có thể lên đến 1 giây. Tuy nhiên, các thực nghiệm cho thấy thời gian sống nằm trong dải từ nano giây đến hàng trăm micro giây chứng tỏ sự phức tạp của quá trình này.
39
Các loại đầu đo bán dẫn Đầu đo diode
Các đầu đo này thường được chế tạo bằng cách khuếch tán vật liệu loại n (như P) vào một đầu của chất bán dẫn loại p ở nhiệt độ cao (~1000oC). Bằng cách thay đổi thời gian khuếch tán, có thể tạo ra các mối nối có độ sâu khoảng vài chục micro mét đến hai micro mét. Do quá trình khuếch tán, bề mặt của chất bán dẫn trở nên được pha tạp do đó vùng nghèo được mở rộng với các phần tử loại p. Kiểu đầu đo này tương đối thô, có điện trở lớn hơn so với các đầu đo hàng rào mặt. Lớp bên ngoài vùng nghèo hoạt động giống như một lớp chết hoặc cửa sổ mà bức xạ cần phải đi qua trước khi đến vùng nghèo. Nếu bức xạ mất năng lượng trong lớp này thì nó sẽ không được ghi nhận. Do đó năng lượng ghi nhận được hầu như thấp hơn năng lượng của hạt. Vì quá trình khuếch tán cần được tiến hành ở nhiệt độ cao nên nó làm giảm thời gian thu góp các hạt mang điện nhưng làm tăng nhiễu trong đầu đo.
Các đầu đo hàng rào mặt (SSD)
Các đầu đo này có mối tiếp xúc được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn và một kim loại nào đó, thường là bán dẫn silic kiểu n với vàng hoặc silic kiểu p với nhôm. Do sự khác nhau của các mức Fermi trong những vật liệu này, mối tiếp xúc gây ra một suất điện động khi cả hai được đặt tiếp xúc với nhau làm tạo ra một dải các mức thấp hơn trong chất bán dẫn. Nó giống như tiếp xúc np và một vùng nghèo trong chất bán dẫn (thường vào cỡ ~5 mm). Cửa sổ lối vào được chế tạo bằng cách làm bay hơi kim loại và có mật độ ~40 µg/cm2 để không làm mất nhiều năng lượng của hạt tới. Các đầu đo này là những đầu đo nhạy với ánh sáng và sự nhiễm bẩn bề mặt do đó cần được giữ trong buồng tối và giữ bề mặt sạch sẽ.
Các đầu đo cấy ion
Tiếp xúc cấy ion được tạo ra bằng cách dung máy gia tốc bắn chùm hạt ion chất pha tạp vào tinh thể chất bán dẫn. Bằng cách thay đổi năng lượng của chùm hạt ion tới, có thể điều khiển được độ sâu và mật độ ion thêm vào tinh thể. Các chất bán dẫn này được tôi ở nhiệt độ ~500oC để giảm sự hư hỏng do quá trình cấy ion. So với các đầu đo hàng rào mặt, các đầu đo này ổn định hơn, ít nhạy với với các điều kiện môi trường và có cửa sổ mỏng tương đương với cỡ ~34 nm Si.
Các đầu đo được chế tạo dựa trên kỹ thuật cấy ion tương đối ổn định và độ tuyến tính, chúng được sử dụng làm các đầu đo đo năng lượng. Các lớp chết ở đầu và cuối là nhỏ, thời gian đáp ứng nhanh. Chi phí cho chế tạo kiểu đầu đo này thường đắt hơn so với các kiểu đầu đo khác.
40
Quá trình chế tạo đầu đo cửa sổ mỏng có thể mô tả như sau: Tấm Si sau khi được làm nhẵn và sạch, một lớp oxit trên bề mặt được tạo bằng cách nung nhiệt. Tiếp theo kỹ thuật quang khắc được sử dụng để loại bỏ các vùng oxy hoá ở khu vực cửa sổ vào của đầu đo. Mối tiếp xúc được tạo bằng cách chuyển đổi một lớp mỏng Si trong vùng cửa sổ thành vật liệu kiểu p thông qua quá trình cấy các ion chất nhận bằng máy gia tốc. Để tạo một tiếp xúc điện trên bề mặt của tấm bán dẫn cần chuyển bề mặt thành bán dẫn loại n+ bằng cách cấy các ion của chất nhận. Sự hư hỏng tạo ra do quá trình cấy được loại bỏ bằng ủ nhiệt. Cuối cùng, nhôm được làm bay hơi và gắn vào bề mặt sau của vật liệu bán dẫn bằng kỹ thuật in quang để tạo ra tiếp xúc điện.
Ưu điểm nổi bật của các đầu đo này là các mép của mối tiếp xúc được tạo ra bằng kỹ thuật cấy ion nên gắn chắc trong tấm bán dẫn. Quá trình oxy hoá bề mặt giữ cho dòng rò bé hơn trong các đầu đo hàng rào mặt. Sự hình thành các lớp p+ bằng cấy ion cho phép chế tạo các cửa sổ hoặc các lớp chết mỏng, đồng đều và đảm bảo được độ phân giải năng lượng. Mặt trước được nhôm hoá nên chắc chắn và ít hư hỏng hơn so với sử dụng vàng trong các đầu đo hàng rào mặt.
2.2.3. Đầu đo nhấp nháy
Ngày nay, các đầu đo nhấp nháy được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều loại thiết bị đo ghi bức xạ khác nhau dùng trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt. Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc khi vật liệu bị hạt hoặc bức xạ kích thích do va chạm, nó sẽ phát ánh sáng nhấp nháy. Vật liệu được xác định có tính nhấp nháy sớm nhất được Crookes phát hiện ra vào 1903 và sử dụng để xác định các hạt. Sự phát minh ra các ống đếm chứa khí sau đó làm cho các thiết bị nhấp nháy ít được sử dụng và bị rơi vào quên lãng cho đến năm 1944 Curran và Baker sử dụng ống nhân quang để thay sự quan sát bằng mắt thì các thiết bị nhấp nháy đã trở nên có hiệu quả và tin cậy giống như các ống đếm chứa khí.
Nguyên lý hoạt động:
Các đầu đo sử dụng chất nhấp nháy có thể xác định bức xạ ion hoá và đo phổ bức xạ trong một dải rộng. Ngày nay, chất nhấp nháy được cung cấp dưới các dạng khác nhau (rắn, lỏng và khí), các ống nhân quang được chế tạo với chất lượng cao đã cho phép tạo ra các đầu đo nhấp nháy rắn đo photon cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử đã làm cho các đầu đo nhấp nháy trở nên được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng. Dưới đây là các quá trình xảy ra khi xác định bức xạ ion hoá bằng đầu đo nhấp nháy:
41
Hình 2-6 Sơ đồ khối mô tả một thiết bị ghi đo bức xạ sử dụng chất nhấp nháy
- Bức xạ bị hấp thụ trong chất nhấp nháy gây ra sự kích thích và ion hoá chất nhấp nháy.
- Chất nhấp nháy chuyển đổi năng lượng phóng xạ hấp thụ thành quang năng thông qua quá trình phát quang.
- Lượng tử ánh sáng đi đến catốt của ống nhân quang (ống khuếch đại quang) - Lượng tử ánh sáng bị hấp thụ ở catốt của ống nhân quang, quang electron được
phát ra và sau đó là quá trình nhân lên các electron trong ống nhân quang
- Khuếch đại xung được hình thành từ ống nhân quang sau đó phân tích các xung này bằng các thiết bị điện tử như máy đếm hoặc máy phân tích biên độ nhiều kênh.
Nhìn chung, các đầu đo sử dụng chất nhấp nháy có khả năng cung cấp nhiều thông tin khác nhau về bức xạ. Một trong những đặc điểm nổi bật của các đầu đo này là nhạy về năng lượng, thời gian đáp ứng nhanh và dạng xung phân biệt rõ ràng.
Chất nhấp nháy lý tưởng cần có các đặc trưng sau:
- Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hạt mang điện thành ánh sáng cao
- Sự chuyển đổi này là tuyến tính, ví dụ ánh sáng tạo ra tỉ lệ với năng lượng được hấp thụ trên một khoảng rộng.
- Chất nhấp nháy cần phải trong suốt với ánh sáng do nó tạo ra.
- Thời gian phân rã của quá trình phát quang cần ngắn và xung tạo ra phải nhanh để có thể sử dụng cho các phép đếm tốc độ cao.
- Vật liệu cần dễ tìm, dễ chế tạo theo các hình học và kích thước khác nhau. - Hệ số khúc xạ gần với thuỷ tinh (~1.5) để ánh sáng phát ra không bị khúc xạ tại
điểm nối giữa chất nhấp nháy và ống nhân quang làm thay đổi hiệu suất.
Trong thực tế, không một chất nhấp nháy nào thoả mãn được tất cả các yêu cầu trên vì vậy chọn chất nhấp nháy qua quá trình hài hòa giữa các yếu tố kể trên
42
2.3. THỰC NGHIỆM ĐO PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƢỜNG TẠI VIỆT NAM
Quy trình và phương pháp đo thực nghiệm dưới đây được đề xuất và phối hợp thực hiện bởi các đơn vị sau, đối với các khu vực khảo sát địa điểm dự kiến xây dựng nhà máy điện hạt nhân tại Việt Nam. Khi đi sâu vào quy trình đo lường này, có thể nhận thấy là đo lường phóng xạ thực tiễn có thể phải áp dụng nhiều kiểu đầu đo khác nhau (như đã trình bày từng kiểu trong phần 2.2), tận dụng ưu nhược điểm khác nhau của từng loại đầu đo và thu kết quả mong muốn. Những đơn vị đã tham gia thực hiện thu thập, khảo sát và phân tích số liệu bao gồm:
1. Viện Năng lượng
2. Viện sinh thái và Tài nguyên sinh vật - Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia
3. Viện Hải dương học - Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia
4. Viện Nghiên cứu hạt nhân - Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam
2.3.1. Phƣơng pháp thu góp mẫu
Dưới đây là các biện pháp thu góp mẫu phục vụ đo lường:
Thu góp mẫu son khí : Mẫu các hạt son khí được thu góp trên phin lọc chuyên dụng FPP-15-1,5 dùng thiết bị lấy mẫu 12 UC-34 với suất lưu lượng 750m3/h. Đối với phân tích con cháu Rn và Tn, việc thu góp mẫu được tiến hành trên máy hút khí loại nhỏ ASP1RO (Thuỵ Sỹ) có suất lưu lượng 70m3/h.
Thu góp mẫu đất : Trên vùng đất đã chọn, việc lấy mẫu được tiến hành theo phương pháp đào phẫu diện : Mỗi phẫu diện lấy 3 lớp, lớp thứ nhất từ 0-5cm, lớp thứ hai từ 5-30cm và lớp thứ ba từ 30-50cm; diện tích phẫu diện 20cm x 40cm. Mẫu lấy xong, nhặt rễ cây và gạch đá (nếu có), băm nhỏ đất tối đa, kích thước viên to nhất cũng phải < 1cm, vừa băm vừa nhặt rễ cây và vụn sỏi đá (nếu còn). Sau đó trộn mẫu theo phương pháp vành khuyên và hình nón, cụ thể như sau : Đất sau khi băm nhỏ được dàn đều thành lớp dày cỡ 1-2cm trên tấm nilon theo hình vành khuyên. Tiếp theo xúc đất đổ vào đống hình nón ở tâm. Dùng xẻng xúc lấy từng phần nhỏ từ phía trong của hình vành khuyên và cứ thế chuyển dần theo vòng tròn cho tới khi toàn bộ vật liệu mẫu hết. Sau đó dùng gỗ quay gạt hình nón để làm thành một hình đĩa, rồi lại đổ hình đĩa trở lại thành hình vành khuyên - thao tác đó cứ lắp đi lặp lại khoảng 7 lần để đảm bảo sự đồng đều của mẫu.
Tiếp đến mẫu được rút gọn theo phương pháp chia tư, cụ thể là : Sau khi đảo trộn mẫu theo phương pháp hình vành khuyên và hình nón xong thì mẫu được rải ra
43
thành một hình vuông hoặc đĩa bằng phẳng có chiều dày như nhau cỡ 1-2 cm. Chia mẫu với 2 đường chéo hoặc đường kính vuông góc với nhau. Hai phần đối đỉnh gạt bỏ đi, còn 2 phần nối đỉnh kia lại trộn đều với nhau rồi lặp lại quá trình như trên cho đến khi khối lượng mẫu còn lại khoảng 2-4kg thì đóng gói bằng túi polyethylene 2 lớp để chuyển về phòng thí nghiệm. Trước khi buộc túi mẫu phải cho Phiếu ghi mẫu vào. Phiếu ghi mẫu cần ghi rõ : Địa điểm lấy mẫu (Tỉnh, Huyện, Xã …). Số vị trí, độ sâu lấy mẫu, trọng lượng tươi, ngày tháng năm lấy mẫu, thời tiết, người lấy mẫu.
Mẫu đất sau khi đem về phòng thí nghiệm được băm nhỏ (< 1cm), nhặt rễ, rải đều trên khay men hoặc nhựa, phơi khô trong không khí trong nhà, hoặc sấy ở nhiệt độ khoảng 60oC đến khi có thể bóp vụn bằng tay mà không dính bết. Dùng chày sứ nghiền nhẹ, rây qua khe 2mm để loại tiếp rễ cây và đá vụn. Đất đã rây qua khe 2mm để khô hẳn (thường phơi đất trong không khí vài ngày là khô và có thể giã được) đem nghiền và rây tiếp qua khe 1mm (bằng máy).
2.3.2. Các thiết bị phân tích chủ yếu Hệ phổ kế gamma phông thấp
Dùng detector bán dẫn siêu tinh khiết (GX-3019) có thể tích nhạy cỡ 138cm3, hiệu suất ghi tương đối 30%, tỉ số peak/compton 56:1, độ phân giải 1.90 keV tại 1332 keV của 60Co.
Detector được đặt trong buồng giảm phông hình trụ, có đường kính trong bằng 30cm, đường kính ngoài bằng 40cm, cao 45cm : Với các lớp che chắn (tính từ trong), gồm 3mm Al, 3mm Cu và 10cm Pb siêu sạch phóng xạ, phông tích phân của hệ thống từ 100-2000keV cỡ 2.1 xung/giây.
Hệ phổ kế Anpha
Dùng detector bán dẫn Si-hàn rào mặt có diện tích bề mặt phần hoạt động là 600mm2, hiệu suất ghi là 23% và thiết bị thu nhận phổ Alpha Analyst 7200 có phông khá thấp, khoảng 0.001 số đếm/phút cho vùng rộng 300keV.
Hệ đếm tổng Anpha và bêta phông thấp