Đú là cỏc mỏy gia tốc xyclụtron, synchrotron,... Mỏy gia tốc cho dũng hạt tớch điện với thụng lượng lớn. Cỏc hạt nhõn phúng xạđược tạo thành do phản ứng hạt nhõn xảy ra giữa hạt nhõn bia và cỏc hạt tớch điện gia tốc như p, d, α...
Phương phỏp dựng mỏy gia tốc hạt tớch điện để gõy phản ứng hạt nhõn cũng thường được ỏp dụng trong nghiờn cứu khoa học về cấu trỳc hạt nhõn, phản ứng hạt nhõn...
2.1.2. Chiếu xạ bởi nơtron trong lũ phản ứng
Cỏc đồng vị phúng xạ nhõn tạo được sản xuất với một lượng lớn bằng cỏch chiếu nơtron trong trong lũ phản ứng vào cỏc đồng vị bền. Núi chung, chủ yếu là ứng dụng cỏc phản ứng loại (n, γ).
Thớ dụ:
31P(n, γ) 32P, đồng vị nhõn tạo 32P phúng xạ bờta với T1/2=14,3 ngày.
59Co (n, γ) 60Co, đồng vị phúng xạ nhõn tạo 60Co phúng xạ bờta và gamma với T1/2=5,3 năm.
Cỏc phản ứng (n, p) cũng được sử dụng để tạo cỏc đồng vị
Thớ dụ: 14N(n,p)14C. 32S(n,p)32P.
Cả hai phương phỏp dựng mỏy gia tốc và chiếu xạ nơtron để chế tạo cỏc đồng vị phúng xạ nhõn tạo thường được gọi là phương phỏp kớch hoạt. Trong thời gian kớch hoạt cú 2 quỏ trỡnh xảy ra đồng thời: Quỏ trỡnh hạt nhõn được tạo thành do kớch hoạt và quỏ trỡnh hạt nhõn phõn ró phúng xạ.
Xột trong một đơn vị thời gian. Số hạt nhõn được tạo thành do kớch hoạt là Q, số hạt nhõn giảm đi do phõn ró phúng xạ là λN, trong đú λ là hằng số phõn ró và N là số hạt nhõn phúng xạđược tạo thành ở thời điểm t.
Như vậy trong thời gian dt chỉ cũn (Q - λN)dt hạt nhõn. Gọi số hạt nhõn này là dN, ta cú phương trỡnh dN Q N dt = − λ (2.1) dN dt Q N = − λ d(Q N) dt Q N − λ = −λ − λ t t 0 Q− λ =N (Q− λN)= e−λ (2.2) Nếu Nt=0 = 0 t Q N= (1 e− −λ) λ (2.3)
Hỡnh 2.1 mụ tả sự biến thiờn theo thời gian của số hạt nhõn đồng vị phúng xạ nhõn tạo trong thời gian kớch hoạt và sau khi ngừng kớch hoạt.
Theo hệ thức (2.3) cú thể chọn thời điểm ngừng kớch hoạt t1để nhận được hoạt độ phúng xạ nhõn tạo mong muốn.
Hạt nhõn phúng xạ sinh ra bởi phản ứng (n,p) cú tớnh chất hoỏ học khỏc hẳn hạt nhõn bia. Chỳng cú thể được tỏch ra khỏi bia bằng phương phỏp hoỏ học, do đú cú thể tạo được cỏc nguồn phúng xạ nhõn tạo với hoạt độ lớn.
Trong thực tế, người ta thường quan tõm đến hoạt độ của đồng vị phúng xạ được tạo thành do kớch hoạt.
t
A≡ λ =N Q(1 e )− −λ
Thường thường người ta tớnh hoạt độđú cho 1g của bia, theo đơn vị Ci/g. Biểu thức tớnh cho hoạt độđú như sau:
Gọi φ là thụng lượng chựm nơtron kớch hoạt, tớnh theo đơn vị nơtron/cm2/giõy.
f là độ phổ cập (abondance) của đồng vị chịu kớch hoạt, tớnh theo %.
M là khối lượng nguyờn tử của bia, tớnh theo g, như vậy trong 1g khối lượng bia cú
23
6,023.10
M hạt nhõn.
Khi đú, hoạt độ phúng xạ nhõn tạo của đồng vịđược tạo thành, tớnh cho 1g của bia được biểu thị theo hệ thức sau đõy:
1/ 2 0,693t 2 T 10 0,6. (n / cm / gy). (b).f A(Ci / g) 1 e 3,7.10 .M(g) − ⎛ ⎞ Φ σ = ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ ⎠
Phần đứng trước dấu ngoặc trong hệ thức trờn được gọi là hoạt độ bóo hũa, kớ hiệu là As
s 10 0,6. f A 3,7.10 M Φσ =
Hoạt độ này sẽ đạt được nếu thời gian kớch hoạt t rất lớn so với chu kỳ bỏn ró T1/2 của
đồng vị phúng xạ được tạo thành. Ta nhận thấy: Sẽ đạt được 1/4 hoạt độ bóo hũa nếu kớch hoạt bia trong thời gian bằng T1/2 của đồng vị phúng xạ hoặc đạt được 1/2 hoạt độ bóo hũa nếu kớch hoạt trong thời gian bằng 2 ìT1/2 .
Trong cỏc tớnh toỏn trờn ta đó giả sử là số hạt nhõn N của bia khụng thay đổi trong thời gian kớch hoạt: Đại lượng Q≡Nσφ,trong đú φ là thụng lượng chựm nơtron tớnh theo số
nơtron/cm2/giõy, σ là tiết diện hấp thụ nơtron của hạt nhõn bia tớnh theo cm2 và N là số hạt nhõn bia tớnh cho 1cm2 bề mặt của bia. N được hiểu là số hạt nhõn của bia khụng tớnh đến số
hạt nhõn đó trở thành phúng xạ do kớch hoạt.
Trong trường hợp, chẳng hạn tiết diện σ lớn và thời gian kớch hoạt đủ dài thỡ số hạt nhõn N giảm dần trong thời gian kớch hoạt theo quy luật:
t 0
N N e= −σΦ
Khi đú hoạt độ phúng xạ nhõn tạo tớnh cho 1g của bia sẽđược biểu thị theo hệ thức sau
đõy: 1/ 2 0,693t T t 10 0,6. f A(Ci / g) e e 3,7.10 M − −σΦ ⎛ ⎞ Φσ λ = ⎜⎜ − ⎟⎟ λ − σΦ ⎝ ⎠ 2.1.3. Từ cỏc sản phẩm phõn hạch
Rất nhiều ứng dụng trong cụng nghiệp yờu cầu phải cú nguồn phúng xạ với hoạt độ đủ
lớn. Khi đú, người ta phải dựng phương phỏp hoỏ học để tỏch đồng vị phúng xạ từ cỏc sản phẩm phõn hạch trong nhiờn liệu đó chỏy của lũ phản ứng. Hai đồng vị cú nhiều ứng dụng trong thực tếđó được tạo bằng phương phỏp này là 90Sr và 137Cs.
Để thuận tiện cho việc trỡnh bày cỏc ứng dụng rất đa dạng và phong phỳ của đồng vị
phúng xạ nhõn tạo, người ta chia cỏc ứng dụng ra thành cỏc loại sau đõy: Sử dụng bức xạ cú khả năng đõm xuyờn mạnh như bức xạ gamma, nơtron; bức xạ cú khả năng đõm xuyờn yếu như bức xạ bờta. Cũng cú thể phõn loại theo từng nhúm phương phỏp ỏp dụng cú nguyờn tắc gần giống nhau.
2.2. Ứng dụng cỏc nguồn bức xạ gamma, nơtron cú hoạt độ lớn
2.2.1. Chụp ảnh gamma (Gammagraphy)
Phương phỏp này thường được ỏp dụng để kiểm tra cỏc khuyết tật trong vật liệu. Cú thể
túm tắt nguyờn tắc của phương phỏp như sau:
Chiếu một chựm gamma vào vật liệu cần kiểm tra. Tuỳ theo tớnh chất, hỡnh dạng, vị trớ của khuyết tật mà cường độ chựm bức xạ gamma thứ cấp thay đổi. Bức xạ gamma thứ cấp
được ghi bằng phim giống như phim dựng trong kỹ thuật chụp ảnh thụng thường. Trong cụng nghiệp người ta thường dựng cỏc đồng vị sau đõy:
a) Cụban 60Co
Đồng vị này phỏt ra bức xạ gamma với năng lượng 1,17 và 1,33 MeV. Cỏc tia β- năng lượng 0,31 MeV cũng được phỏt ra từ đồng vị này khi nú phõn ró β- với chu kỳ bỏn ró 5,3 năm để trở thành 60Ni.
Để tạo được 60Co người ta đó thực hiện phản ứng 59Co(n,γ) 60Co trong lũ. Tiết diện phản
ứng chỉ bằng 30b. Do đú thời gian chiếu xạ nơtron trong lũ tương đối dài: Chẳng hạn, chiếu bởi nơtron thụng lượng 1011 n/cm2.s trong thời gian chừng 1 năm thỡ đạt được khoảng 1
8 hoạt
độ bóo hoà, tức là cỡ 0,1 Ci/g.
b) Đồng vị tantan 182Ta
Bằng cỏch chiếu xạ nơtron trong lũ, sử dụng phản ứng 181Ta(n,γ) 182Ta với tiết diện hiệu dụng là 21b, cú thể thu được đồng vị 182Ta. Đồng vị này cú chu kỳ bỏn ró là 112 ngày, phỏt bức xạ gamma 0,066 MeV và 1,223 MeV. Bức xạβ- năng lượng 0,525 MeV sinh ra trong quỏ trỡnh phõn ró β- của 182Ta. Sau 4 tuần chiếu xạ nơtron với thụng lượng 1011 n/cm2.s vào 181Ta thỡ thu được 182Ta với hoạt độ 0,033 Ci/g.
c) Đồng vị iridium 192Ir
Phản ứng 191Ir (n,γ) 192Ir cú tiết diện tương đối lớn, 269 b, đó được ứng dụng để chế tạo
192Ir. Đồng vị này cú chu kỳ bỏn ró 74 ngày, phỏt bức xạ gamma trong dải năng lượng từ
0,136 đến 0,613 MeV nhưng chủ yếu là 0,32 và 0,47 MeV và cỏc hạt β- với năng lượng 0,66 MeV. Chiếu xạ 191Ir trong lũ với thụng lượng 1011 n/cm2.s, sau 4 tuần thỡ đạt được 192Ir với hoạt độ 0,46 Ci/g.
Trong cỏc ứng dụng chụp ảnh gamma, ngoài cỏc đồng vị trờn người ta cũn thường hay sử
dụng 137Cs. Đồng vị137Cs được sản xuất bởi cụng nghệ tỏch bằng phương phỏp hoỏ học từ cỏc sản phẩm phõn hạch nhưđó núi ở trờn. 137Cs phỏt bức xạ gamma 662keV. Cỏc nguồn đồng vị
phúng xạ dựng trong chụp ảnh gamma cú hoạt độ từ một vài Ci đến một vài kCi. Chỳng được bảo vệ trong cỏc container bằng chỡ, cú cửa sổ và chỉ mở khi cần chụp ảnh.
Hai kiểu bố trớ hỡnh học cú thể ỏp dụng để chụp ảnh cỏc khuyết tật hoặc kiểm tra vật liệu cần nghiờn cứu: Hỡnh học truyền qua, trong đú bức xạ từ nguồn phúng xạ xuyờn qua vật liệu và tỏc dụng lờn phim đặt phớa sau vật liệu cần chụp ảnh. Hỡnh học tỏn xạ, trong đú cả nguồn phúng xạ và phim đều được bố trớ ở cựng một phớa của vật liệu cần nghiờn cứu.
2.2.2. Chiếu xạ gamma (Gamma Irradiation)
a) Diệt trựng để bảo quản thực phẩm
Phương phỏp diệt trựng thụng thường là dựng nhiệt, phải nõng nhiệt độ lờn tới hàng trăm
độ C và cần một năng lượng trung bỡnh khoảng 16 J/g. Trong phương phỏp chiếu xạ gamma cú thể diệt được cỏc vi trựng gõy hại mà chỉ làm tăng nhiệt độ lờn chừng 2oC.
Diệt trựng bằng chiếu xạ gamma khụng làm mất vitamin của thực phẩm, khụng làm thay
đổi mựi vị của thực phẩm như trong phương phỏp nhiệt. Người ta đó tỡm ra một tớnh chất quan trọng là: Nếu thực phẩm cần chiếu xạ gamma được làm lạnh xuống dưới 00C, thớ dụ thịt lợn
đụng lạnh, thỡ mựi vị, màu sắc của thực phẩm sau khi chiếu xạ gamma để diệt trựng, bảo quản, thực tế khụng bị thay đổi gỡ. Mỹ và nhiều nước khỏc đó bảo quản sữa, thịt, đồ hộp trờn quy mụ cụng nghiệp bằng phương phỏp chiếu xạ gamma. Để diệt trựng, cần chiếu một liều khoảng vài chục Mrad. Tuy nhiờn, nếu muốn phỏ huỷ cỏc enzym (thớ dụ enzym gốc phốt phỏt hoặc perooxyt) thỡ phải chiếu một liều lớn hơn hàng chục lần. Ở quy mụ cụng nghiệp, cần phải cú nguồn phúng xạ hoạt độ lớn, thớ dụ: cỏc nguồn 60Co, 182Ta, 137Cs cú hoạt độ từ vài chục đến vài trăm, cú khi tới hàng ngàn kCi.
Ở Việt Nam, Trung tõm Chiếu xạ thuộc Viện Năng lượng Nguyờn tử Việt Nam, đặt tại Cầu Diễn, Hà Nội và một số trung tõm khỏc ở thành phố Hồ Chớ Minh đó dựng nguồn 60Co để
diệt trựng thực phẩm, tăng thời gian bảo quản nụng sản, thực phẩm với quy mụ cụng nghiệp.
b) Diệt trừ cụn trựng, bảo quản ngũ cốc, rau quả
Cũng bằng phương phỏp chiếu xạ gamma, người ta đó diệt trừ được cỏc cụn trựng gõy hại, hạn chế nảy mầm một số ngũ cốc, tăng thời gian bảo quản. Xỏc định được liều thớch hợp cho từng đối tượng cần chiếu xạ là một yờu cầu quan trọng nhằm tăng tớnh hiệu quả và kinh tế
của phương phỏp này
Một vài số liệu đó nhận được của phương phỏp này: Cỏc cụn trựng gõy hại ngũ cốc bị hạn chế sinh sản khi bị chiếu một liều từ 16.000 đến 32.000 Rơnghen hoặc bị giết với liều cỡ trờn 60.000 Rơnghen. Liều chiếu chừng 5000 Rơnghen cú tỏc dụng hạn chế nảy mầm của hành. Khoai tõy sau khi được chiếu với liều 20.000 Rơnghen sẽ bảo quản được tới một năm rưỡi mà khụng bị nảy mầm.
c) Diệt trựng bảo quản dược liệu, vật liệu y tế
Cú rất nhiều dược liệu khụng thể diệt trựng bằng phương phỏp nhiệt để trỏnh bị phõn huỷ,
đú là trường hợp của cỏc thuốc khỏng sinh. Trong thực tế, người ta đó phải dựng cỏc bức xạ tử
ngoại để chiếu cỏc dược liệu ở dạng lỏng hoặc lớp mỏng.
Cụng nghệ chiếu xạ gamma hoặc chiếu xạ electron để diệt trựng dược phẩm đó thu được kết quả rất tốt tại nhiều nơi trờn thế giới. Cũng với mục đớch ứng dụng trong y tế, cụng nghệ
khử trựng dụng cụ y tế cũng đó phỏt triển rộng rói tại nhiều trung tõm chiếu xạ.
d) Diệt cỏc khối u
Hiện nay nhờ tiến bộ khoa học kỹ thuật, người ta đó sử dụng mỏy gia tốc electron hoặc cỏc hạt tớch điện khỏc như là một nguồn phúng xạ để diệt khối u trờn cơ thể người. Cỏc hạt tớch điện cú thể hội tụđược thành cỏc chựm tia rất mảnh, cỡ micrụn nờn cú thể diệt được khối u mà khụng gõy ảnh hưởng gỡ đối với cỏc mụ lành.
Trong thực tế, người ta vẫn dựng bức xạ gamma từ cỏc nguồn đồng vị phúng xạđể diệt khối u. Thụng thường nhất là bức xạ gamma năng lượng 1,17 và 1,13 MeV, trung bỡnh là 1,25 MeV của đồng vị60Co vẫn được sử dụng tại cỏc trung tõm điều trị ung thư.
Ngoài nguồn cobalt phúng xạ 60Co hoạt độ lớn, người ta cũn dựng cỏc “kim” phúng xạ
trong kỹ thuật xạ trị ỏp sỏt: Cỏc nguồn phúng xạ cú kớch thước nhỏ nhưng hoạt độđủ lớn để
diệt khối u ở cỏc vị trớ khụng thuận tiện cho việc sử dụng nguồn gamma kớch thước lớn. Năng lượng của bức xạ gamma từ cỏc nguồn phúng xạ kớch thước nhỏ như những chiếc kim này cú thể được lựa chọn thớch hợp tuỳ theo đồng vị phúng xạ nào sẽ được sử dụng, là một trong những ưu điểm quan trọng nhất của kỹ thuật xạ trị ỏp sỏt.
Thớ dụ:
Cỏc kim vàng phúng xạ 198Au được tạo thành trong cỏc kờnh nơtron từ phản ứng 197Au (n,γ) 198Au, cú chu kỳ bỏn ró 2,7 ngày và cho bức xạ gamma năng lượng 411 keV là một trong cỏc thớ dụđiển hỡnh về những ứng dụng thành cụng của xạ trị ỏp sỏt dựng bức xạ gamma của cỏc đồng vị phúng xạ nhõn tạo.
2.2.3. Ứng dụng cỏc hiệu ứng hoỏ học, vật lý của bức xạ
Phần này trỡnh bày riờng về những ứng dụng cỏc hiệu ứng vật lý, hoỏ học xảy ra trong vật liệu được chiếu xạ.
a) Tỏc dụng của bức xạ gamma lờn cỏc polyme đại phõn tử
Dưới tỏc dụng của bức xạ gamma, hai hiệu ứng đối ngược nhau cú thể xảy ra: đú là hiệu
ứng làm đứt góy hoặc tạo sai hỏng (damage) và hiệu ứng nối mạch (cross linking) đối với cỏc mạch phõn tử pụlyme.
Cỏc mạch liờn kết C - H, C - C hoặc C = C chịu tỏc dụng của cỏc bức xạ gamma. Nhỡn nhận dưới gúc độ ứng dụng trong cụng nghiệp người ta thấy rằng hiệu ứng nối mạch được quan tõm đến nhiều hơn.
Cỏc mạch liờn kết C - H bịđứt gẫy nhiều nhất. Chỳng tham gia quỏ trỡnh nối mạch bởi vỡ sẽ tỏi tạo dưới dạng cỏc liờn kết biờn C - C làm thành cầu nối giữa hai phõn tử khỏc nhau.
Do quỏ trỡnh nối mạch, cỏc pụlyme mới cú cỏc ưu điểm như: nhiệt độ núng chảy, độ bền và độ cứng sẽ cao hơn, độ trương phồng trong nước hoặc chất lỏng hữu cơ sẽ nhỏ hơn. Hơn nữa, một hiện tượng mới đó được tỡm thấy là: cú một số pụlyme bỡnh thường thỡ hoàn toàn tan trong một số dung mụi hữu cơ. Sau khi chiếu xạ một liều xỏc định nào đấy (điểm đụng lạnh - gel point, free point) thỡ trở thành khụng hoà tan được. Tuỳ theo liều chiếu mà độ hoà tan của pụlyme mới được nối mạch này sẽ thay đổi. Liều cỡ 106 Rơn-ghen bắt đầu cho ta những hiệu
ứng rất đỏng quan tõm.
Cú thể kể ra ởđõy một vài thớ dụ:
Do hiệu ứng nối mạch, khối lượng phõn tử của polystirol cú thể đạt tới từ 20.000 đến 300.000 đơn vị. Polyethylene sau chiếu xạ gamma chịu được nhiệt độ hơn 2000C mà vẫn chưa núng chảy trong khi bỡnh thường chỉ chịu được nhiệt độ khoảng 1160C, polyethylen này cứng hơn, khú hoà tan hơn.
Nếu xảy ra sự đứt gẫy liờn kết C - C hoặc - CXYZ, trong đú X, Y, Z là cỏc nguyờn tố
hoặc gốc khỏc hydro thỡ khụng dẫn tới quỏ trỡnh nối mạch mà dẫn tới sự thay đổi một số tớnh chất liờn quan tới sự phỏ vỡ cấu trỳc của pụlyme: điểm núng chảy giảm xuống, giảm độ nhớt, tăng độ hoà tan.
Một hiệu ứng rất đỏng được quan tõm là trường hợp vật liệu gồm hai chất pụlyme khỏc nhau: Bức xạ gamma gõy tỏc dụng ghộp nối giữa hai pụlyme làm cho pụlyme trở thành cú