3.3.1 Nhiệt lượng kế
Phương phỏp đo nhiệt lượng là một phương phỏp đo trực tiếp năng lượng hấp thụ của một chất đối với bức xạ. Nhiệt lượng kế là thiết bị đo nhiệt độ trong khối vật liệu đặt trong trường bức xạ. Vật liệu sử dụng trong nhiệt lượng kế phải cú độ dẫn nhiệt tốt và đảm bảo sao cho toàn bộ năng lượng hấp thụ được biến thành nhiệt. Trong thực tế graphit hoặc kim loại là cỏc vật liệu thớch hợp cho nhiệt lượng kế. Nhiệt độ trong nhiệt lượng kế được đo bằng nhiệt điện trở. Liều lượng hấp thụ D được xỏc định theo cụng thức:
D = T.C/m (kg) [Gy] (3.1)
trong đú, T là nhiệt độ gia tăng tớnh theo đơn vị K, C là nhiệt dung của nhiệt lượng kế tớnh theo đơn vị [JK-1].
Đối với cỏc nguồn bức xạ cú cường độ nhỏ, nhiệt độ gia tăng khụng đỏng kể, do đú
phương phỏp nhiệt lượng kế khụng phải là phương phỏp đo liều thớch hợp cho trường hợp này.
3.3.2 Buồng ion hoỏ
Hiện tượng ion hoỏ trong chất khớ được sử dụng trong phộp đo liều lượng. Dụng cụ đo liều là buồng ion hoỏ, cú cấu tạo từ hai điện cực và giữa chỳng là chất khớ. Hai điện cực được nối với một điện thế cú tỏc dụng hỳt cỏc ion trỏi dấu khi cú hiện tượng ion hoỏ do bức xạ và tạo ra một dũng điện cú thể ghi nhận được. Liều hấp thụ cú thể tớnh theo cụng thức:
irr D w D
e
39 trong đú Dirr - liều chiếu theo đơn vị [Ckg-1]; w - năng lượng trung bỡnh để tạo ra một cặp ion trong chất khớ tớnh theo đơn vị [J]; e - điện tớch của electron tớnh theo đơn vị [C].
Buồng ion hoỏ cú thể sử dụng như cỏc liều lượng kế sơ cấp hoặc thứ cấp.
3.3.3 Cỏc loại liều lượng kế hoỏ học
Liều lượng kế hoỏ học thuộc nhúm liều lượng kế thứ cấp, trong đú liều lượng hấp thụ D
được xỏc định từ cỏc biến đổi hoỏ học do bức xạ gõy ra. 6
D 9,648 10
G
= ì ìhiệu suất sản phẩm (3.3)
trong đú hiệu suất sản phẩm tớnh bằng [molkg-1], cũn giỏ trị G được tớnh bằng số phõn tử kớch hoạt được đo khi hấp thụ 100 eV.
Để tăng độ nhạy, người ta thường bổ sung cỏc chất phụ gia vào thành phần chớnh của liều
lượng kế hoỏ học.
Liều kế hoỏ học rất đa dạng. Nhỡn chung đõy là loại liều kế đơn giản, cú thể chế tạo tại cỏc phũng thớ nghiệm và cơ sở chiếu xạ, thiết bị đo đạc khụng đắt tiền. Cú thể giới thiệu một số liều lượng kế hoỏ học tiờu biểu sau đõy.
3.3.3.1 Liều lượng kế pha khớ
Liều lượng kế pha khớ thường sử dụng cỏc dạng khớ như N2O, H2S và ethylen C2H2. Liều lượng được đỏnh giỏ theo ỏp suất đo được hoặc bằng phương phỏp sắc ký khớ đối với cỏc sản phẩm phõn tớch bức xạ. Loại liều lượng kế này ớt được sử dụng hơn so với liều lượng kế chất lỏng và chất rắn.
3.3.3.2 Liều lượng kế chất lỏng
Hai loại liều lượng kế chất lỏng sử dụng phổ biến nhất là sắt sulfate hay cũn gọi là liều lượng kế Fricke và xeri sulfate.
Liều lượng kế Fricke
Do cú độ chớnh xỏc cao khoảng ± 1%, liều lượng kế Fricke thường được sử dụng làm liều kế so sỏnh để chuẩn cỏc liều lượng kế thụng dụng.
Khi bị chiếu chiếu xạ, hoỏ trị sắt thay đổi (Fe2+-> Fe3+), phổ hấp thụ bức xạ cú bước súng đặc trưng ở 304 nm và cú thể đo bằng quang phổ kế. Liều lượng hấp thụ tỷ lệ với độ
thay đổi của mật độ quang ΔA
D = kΔA (3.4)
trong đú, k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mật độ của dung dịch, giỏ trị G, kớch thước của ampul
đựng mẫu, năng lượng và loại bức xạ.
Liều lượng kế xeri sulfate
40
Ngoài hai loại liều lượng kế chất lỏng trờn, người ta cũn sử dụng cỏc loại liều kế khỏc như dichromate, glucose, ethanol-chlorobenzene.v.v...
Bảng 3.3 giới thiệu cỏc đặc trưng cơ bản của cỏc liều lượng kế pha khớ và chất lỏng.
Bảng 3.3. Cỏc đặc trưng chủ yếu của cỏc liều kế hoỏ học thể khớ và thể lỏng
3.3.3.3 Liệu lượng kế thể rắn
Liều lượng kế thể rắn cú một số ưu điểm so với liều lượng kế thể lỏng và thể khớ như cú thể chế tạo dưới dạng cỏc tấm hoặc phim tiện lợi cho việc đo đạc và sử dụng, chỳng cú độ bền cơ học cao, dễ bảo quản, dễ vận chuyển và nhiều loại trong số đú cú thể sử dụng nhiều lần. Chỳng rất được ưa dựng dưới dạng cỏc liều lượng kế thụng dụng. Nhược điểm cú thể thường gặp trong một số loại liều lượng kế thể rắn là cú thể chịu tỏc động của một số tỏc nhõn như nhiệt độ, độ ẩm, suất liều trong quỏ trỡnh chiếu xạ và bảo quản, khi đú giỏ trị G của liều lượng kế cú thể thay đổi.
Đối với phộp xử lý bằng chựm electron nhanh, loại liều kế phim hay màng mỏng rất được ưa chuộng.
a) Liều lượng kế Polymethyl Methacrylate (PMMA)
Cú hai loại liều lượng kế được chế tạo từ chất PMMA, đú là PMMA trong suốt và
PMMA nhuộm màu.
i) Liều lượng kế PMMA trong suốt
PMMA là một chất polyme rắn thường được chế tạo dưới dạng thanh hoặc thẻ. Bước súng hấp thụ đặc trưng của PMMA ở gần 300 nm. Sự hấp thụ bước súng vựng tử ngoại của PMMA liờn quan đến sự hỡnh thành cỏc gốc tự do peroxy. Ngưỡng của loại liều kế này ở khoảng 1 kGy, dải liều từ 1ữ60 kGy. Hàm đặc trưng liều cú dạng hàm mũ bóo hồ; tuy nhiờn trong thực tế, dải tuyến tớnh từ 1ữ10 kGy thường được ưa chuộng để sử dụng.
Cỏc loại liều kế PMMA trong suốt thường được sử dụng là DRD – 0.4/4, HX Dosimetry Perxpex, Radix RN 15 …
ii) Liều lượng kế PMMA nhuộm màu
Liều lượng kế Biến đổi hoỏ học (và giỏ trị G)
Phương phỏp đo
(bước súng, nm) (và độ chớnh xỏc) Dải liều(Gy)
Fricke Xeri sulfate Dichromate Chlorobenzene Ethylene Hydrogen Sulfide Nitrous oxide Fe2+ -> Fe3+(15,5) Ce4+ -> Ce3+(2,41) Cr2O72- -> Cr3+(0,38) C6H5Cl -> HCl (4-7) C2H4 -> H2(1,35) H2S -> H2(7) N2O -> N2…(10) Quang phổ kế (304) Quang phổ kế (320) Quang phổ kờ (440) Điện trở kế Áp suất kế, sắc ký khớ Áp suất kế, sắc ký khớ Áp suất kế, sắc ký khớ 40 – 350 (± 1%) 102 – 105 (± 3%) (1-4).104 (± 1%) 50 - 106 (± 3%) 103 – 105 (± 5%) 3.103 – 105 (±7%) 5.102 – 4.104 (± 5%)
41 Liều lượng kế PMMA nhuộm màu thường được chế tạo với cỏc chất màu hổ phỏch hoặc
đỏ (chẳng hạn red perxpex 4034, amber perxpex 3042, GAMMACHROME YR, v.v… Loại
liều kế này thường bị sẫm màu khi chiếu xạ. Chỳng được chế tạo dưới dạng cỏc thẻ 10x4 mm2 với bề dày từ 1-3 mm. Độ hấp thụ được đo bằng quang phổ kế.
b) Liều lượng kế analine
Cú một số dạng analine, như dạng CH3CH(NH2)CO2H thường được sử dụng để đo liều lượng. Khi bị chiếu xạ, cỏc gốc tự do hỡnh thành thường bị giữ lại trong cỏc bẫy, tạo ra hiện tượng cộng hưởng spin của electron (EPS). Cỏc gốc tự do bị bắt giữ tồn tại rất lõu trong analine vỡ vậy loại liều lượng kế này thường được dựng làm liều lượng kế so sỏnh giữa cỏc phũng thớ nghiệm. Người ta thường dựng thiết bị đo EPS để xỏc định liều hấp thụ. Biờn độ của tớn hiệu EPS tỷ lệ với liều hấp thụ.
c) Liệu lượng kế phim đổi màu do bức xạ
Cỏc chất màu thay đổi do bức xạ thường được sử dụng để chế tạo cỏc liều lượng kế dạng phim dưới dạng hỗn hợp chất màu với polyme hoặc được phủ một lớp mỏng trờn giấy hoặc phim polyme (Cellulose, Cellulose triacetate, Nylon, Polyvinyl acetate, Polyvinyl Chloride, Polyvinyl Alcohol (PVA)…). Độ hấp thụ của bước súng đặc trưng được đo bằng quang phổ kế.
Cú thể sử dụng cỏc phim trộn với một hỗn hợp nhiều màu và sử dụng nhiều bước súng
đặc trưng để tăng độ nhạy của liều kế.
d) Cỏc liều lượng kế thể rắn khỏc
Một số chất rắn hữu cơ và vụ cơ cú thể phỏt sỏng khi được hoà tan trong nước sau khi bị chiếu xạ. Hiện tượng này được gọi là huỳnh quang dung mụi (lyoluminescence), chẳng hạn như amino acid glutamine, HO2CCH(NH2)CH2-CH2CONH2, phenylanaline, valine…
Đơn tinh thể LF khi hoà tan trong acid sulfuric cũng cú thể dựng để đo liều trong dải 1-10
MGy.
Một trong cỏc dạng liều lượng kế hay được dựng là liều lượng kế thuỷ tinh như thuỷ tinh cobalt, thuỷ tinh bạc, thuỷ tinh Mn2O3-V2O5-Cr2O3 .v.v…
Cỏc chất nhiệt huỳnh quang sử dụng rộng rói trong lĩnh vực an toàn bức xạ như CaF2:Mn, Li2B4O7:Mn cũng được sử dụng để đo liều trong lĩnh vực xử lý bức xạ ở dải liều thấp. Khi bị chiếu xạ, trong cỏc chất nhiệt huỳnh quang xuất hiện cỏc khuyết tật, đú là cỏc lỗ trống và electron bị bắt giữ trong cỏc bẫy. Năng lượng dưới dạng huỳnh quang của chỳng
được giải phúng khi bị nung núng, cú mối tương quan xỏc định với liều hấp thụ.
42
Bảng 3.4
Cỏc đặc trưng chủ yếu của một số liều lượng kế thể rắn Liều lượng kế Hiệu ứng
chiếu xạ Phương phỏp đo (bước súng, nm) Dải liều, Gy (độ chớnh xỏc) Liều lượng kế nền polyme - PMMA trong - PMMA nhuộm màu - PVC - CTA
Liều lượng kế hữu cơ - Analine - Athracene - Glutamin lyo- luminescene Liều kế vụ cơ
- Thuỷ tinh cobalt - Thuỷ tinh nikel
- LiF - CaMg
Tạo và phỏ huỷ tõm màu Thay đổi màu Tạo và phỏ huỷ tõm màu
Tạo tõm màu
Tạo gốc tự do bị bẫy Phỏ huỷ tõm màu
Tạo gốc tự do, electron, lỗ trống bị bẫy Tạo tõm màu Tạo tõm màu Tạo e- và lỗ trống bị bẫy Tạo e- và lỗ trống bị bẫy Quang phổ kế (310) Quang phổ kế (360 – 640) Quang phổ kế (278 – 600) Quang phổ kế (360 – 640) Phổ kế EPS Quang phổ kế (440) Huỳnh quang kế Quang phổ kế Quang phổ kế (360 – 745) Đo tớn hiệu TLD Đo tớn hiệu TLD 103- 6.104 ± (2 – 5)% 103- 105 (± 3%) 5.103- 6.104 (± 10%) 103- 105 (± 3%) 10 – 105 5.103- 5.105 103- 104 (± 3%) 102- 2.104 (± 2%) 102- 104 10-5- 103 ± (1 - 3%) 10-5- 3.103 ± (2 – 5 %)
43
Chương 4
Quỏ trỡnh truyền năng lượng và cơ sở lý thuyết của cụng nghệ bức xạ