Chương 7: PHƯƠNG PHÁP GAMMA XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ
7.2. Xác định mật độ bằng gamma tán xạ
Hình 7.2 trình bày các hình học khác nhau thường được áp dụng trong phương pháp gamma tán xạ xác định mật độ.
Hình 7.2. Các hình học của phương pháp gamma tán xạ xác định mật độ
Phóng xạ nhân tạo và ứng dụng GVHD: Hoàng Xuân Dinh
Cùng với phương pháp gamma truyền qua, phương pháp gamma tán xạ thường được áp dụng để xác định mật độ của đất, đá, nền móng của các công trình xây dựng.
Sự phụ thuộc cường độ chùm tia gamma tán xạ Iγ’, phụ thuộc vào mật độ ρ của đất thường có dạng điển hình như trên hình 7.3.
Hình 7.3.Cường độ bức xạ gamma tán xạ phụ thuộc mật độ của đất.
Biểu thức giải tích mô tả quy luật của sự phụ thuộc đó như sau:
trong đó k, C là các hằng số có giá trị phụ thuộc vào detector, hình học đo và hoạt độ của nguồn phóng xạ.
Thừa số ρ1/2 đặc trưng cho quá trình tán xạ của các lượng tử gamma, còn đặc trưng cho quá trình hấp thụ của các lượng tử gamma tán xạ trên đường đi từ nơi sinh bức xạ gamma tán xạ đến detector.
Phóng xạ nhân tạo và ứng dụng GVHD: Hoàng Xuân Dinh
Hai quá trình tán xạ và hấp thụ xảy ra đồng thời: trong môi trường đất có mật độ ρ nhỏ, thừa số thứ nhất chiếm ưu thế và đồ thị tăng khi ρ tăng. Nếu ρ lớn thì thừa số thứ 2 chiếm ưu thế và giảm khi ρ tăng.
Đồ thị phụ thuộc ρ có một cực đại, giá trị của mật độ ứng với cực đại này được xác định như sau:
Cho Suy ra
Vị trí của cực đại này sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào kích thước thiết bị (khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến đềtectơ) đối với một nguồn đồng vị xác định. Khi tăng khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến detector, tức là dùng thiết bị kích thước lớn thì xác suất để bức xạ gamma trước khi được ghi đã chịu tán xạ nhiều lần rồi bị hấp thụ sẽ tăng.
Nghĩa là vai trò của quá trình hấp thụ tăng khi tăng kích thước thiết bị, kết quả là vị trí cực đại dịch sang vùng ρ nhỏ hơn. Cũng lập luận tương tự ta thấy khi giảm khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến đềtectơ, tức là thiết bị kích thước nhỏ, thì cực đại dịch sang vùng ρ lớn hơn.
Đối với một thiết bị xác định, tức là khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến đềtectơ xác định, vị trí của điểm cực đại của đồ thị cũng thay đổi tuỳ thuộc vào năng lượng nguồn bức xạ gamma phóng xạ: năng lượng càng nhỏ thì vai trò của quá trình hấp thụ càng trội, tức là hằng số C lớn lên, do đó ρ0 giảm. Nghĩa là điểm cực đại dịch về phía mật độ nhỏ hơn. Các kết quả trên đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm.
Thực tế áp dụng phương pháp gamma tán xạ xác định mật độ của đất cho thấy:
để sử dụng nhánh bên phải của đồ thị trên hình 7.3, người ta thường dùng các đồng vị cho bức xạ gamma năng lượng nhỏ và thiết bị có kích thước lớn. Còn để sử dụng nhánh bên trái, thường dùng các đồng vị cho bức xạ gamma cứng hơn và thiết bị kích thước nhỏ. Tuy nhiên khoảng cách giữa nguồn phóng xạ và đềtectơ không thể giảm tuỳ ý, lớp chì dùng để ngăn không cho các tia gamma năng lượng 1,170 và 1,330 MeV của đồng vị 60Co tới trực tiếp đềtectơ thường phải có bề dày tối thiểu là vào khoảng 15 cm.
Phóng xạ nhân tạo và ứng dụng GVHD: Hoàng Xuân Dinh
Chương 8: MỘT VÀI ỨNG DỤNG ĐẶC BIỆT 8.1. Pin hạt nhân
Các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn đã được người ta chú ý, một khả năng rất đáng quan tâm là có thể chế tạo ra một nguồn năng lượng có thể duy trùy trong khoảng thời gian dài khi các đồng vị đó hoàn toàn bị cô lập. Những nguồn năng lượng như thế sẽ thích hợp một cách lý tưởng với một số ứng dụng trong đó ta cần có năng lượng ở những nơi xa xôi. Các thiết bị vệ tinh, đồng hồ hàng hải, trạm khí tượng xa... cần các nguồn năng lượng như vậy.
Vấn đề chính là ở chỗ biến đổi năng lượng hạt nhân giải phóng trong các quá trình phân rã phóng xạ thành dạng năng lượng mong muốn, thường là điện năng, với hiệu suất chấp nhận được như thế nào.
Người ta đã có những cố gắng lớn để nghiên cứu chế tạo các pin đồng vị phóng xạ, hay thường gọi là pin hạt nhân, đặc biệt là trong lĩnh vực không gian vũ trụ. Ở Mỹ, đó là một trong những nội dung của chương trình SNAP.
Có nhiều phương pháp khác nhau có thể biến đổi năng lượng hạt nhân thành điện năng. Phương pháp có ý nghĩa thực tế nhất hiện nay là phương pháp nhiệt điện.
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc đã được sử dụng trong việc chế tạo các cặp nhiệt điện: giữa 2 mối nối của 2 kim loại khác nhau sẽ xuất hiện một thế hiệu nếu 2 mối nối được giữ ở 2 nhiệt độ khác nhau. Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ một cách chính xác trong phòng thí nghiệm. Ta đều biết rằng các thế hiệu xuất hiện trong cặp nhiệt điện thường rất nhỏ, do vậy sẽ phải có nhiều cặp nhiệt điện mắc nối tiếp nhau.
Pin hạt nhân phải có cấu tạo sao cho tạo ra được sự hấp thụ bức xạ trong nguồn để làm nó nóng lên, nhiệt độ sẽ dùng để giữ một mối nối của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ cao, mối nối kia phải đặt cách li với nguồn để có thể giữ nó ở nhiệt độ thấp hơn nhiều.
Để thấy rõ khả năng của phương pháp trên, ta hãy tìm hiểu một trong những pin hạt nhân đầu tiên đã được chế tạo để sử dụng trong không gian vũ trụ, có tên là SNAP-1A.
Phóng xạ nhân tạo và ứng dụng GVHD: Hoàng Xuân Dinh
Theo thiết kế, công suất ra là 125W, có thể hoạt động trong thời gian một năm.
Nguồn nhiệt ở trung tâm, tức là đồng vị dự trữ, là 880.000Ci của đồng vị144Ce, đó là loại đồng vị có thể dễ dàng thu được với số lượng lớn từ nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng. Đồng vị144Ce có chu kỳ bán rã là 285 ngày, chu kỳ đó thích hợp với thời gian mong muốn 1 năm đối với bộ pin. 144Ce phát ra hầu hết năng lượng của nó dưới dạng các tia β. Các tia này dễ dàng bị hấp thụ trong nguồn và gây ra quá trình "nung nóng" mong muốn: thành trong (tức là mối nối nóng của cặp nhiệt điện) được giữ ở nhiệt độ 1050oF. Các mối nối nguội được gắn vào thành ngoài và được giữ ở nhiệt độ 335oF nhờ làm nguội bằng cách cho bức xạ vào không gian vũ trụ. Hệ pin hạt nhân này gồm 277 cặp nhiệt điện, cho hiệu điện thế 28V, dòng một chiều 4,46A, hiệu suất biến đổi nhiệt - điện là 6,75%. Trọng lượng khi bay là 90kg, đây là trọng lượng cuối cùng đi theo tên lửa, còn khi đặt trên mặt đất thì phải có cả một cái "hốc" chứa gần 2 tấn thuỷ ngân để che chắn, bảo đảm an toàn phóng xạ. Hệ che chắn này được tháo ra đúng lúc tên lửa được phóng lên.