Buồng đo khí phóng xạ bên trong RAD7 có hình bán cầu, đư c phủ phía trong một lớp dẫn điện. Buồng đo có thể chứa đầy khí nhờ một ống bơm nhỏ đưa khí bên ngoài vào mỗi khi bơm hoạt động. Bộ phận thu nhận tín hiệu (detector) làm bằng
33
tấm silicon phẳng và đư c đặt ở tâm bán cầu. Mạch điện cung cấp điện áp (2000 ÷ 2500) V, tạo nên điện trường trong toàn bộ buồng đo. Điện trường đẩy các hạt tích điện đến detector.
RAD7 xác định nồng độ radon dựa vào việc đo phổ năng lư ng của tia alpha. Khi khởi động quá trình đo, máy bơm đưa không khí chứa radon (đã làm khô) vào buồng. Đầu lọc khí chỉ cho khí hiếm đi qua và ngăn cản các đồng vị con cháu gây ảnh hưởng đến kết quả đo. 222Rn là nguyên tử khí trung hòa về điện nên không đư c hệ đo ghi nhận cho đến khi phân rã, tạo thành 218
Po, tồn tại dạng ion dương. Điện trường trong buồng đo đưa các hạt tích điện dương đến detector. 218Po nhanh chóng phân rã ngay trên bề mặt detector. Hạt alpha tạo ra có 50% khả năng đập vào detector và tạo nên xung điện có độ lớn tỷ lệ thuận với năng lư ng. Các quá trình phân rã tiếp tục diễn ra tạo thành các tia alpha có năng lư ng khác nhau, sinh ra các tín hiệu có biên độ khác nhau, đư c khuếch đại và chuyển thành tín hiệu số nhờ các mạch điện. Bộ xử lý thu nhận các tín hiệu, lưu trữ trong bộ nhớ theo năng lư ng của từng hạt alpha và xây dựng các đỉnh phổ năng lư ng riêng biệt để tính nồng độ radon. Số đếm ở các cửa sổ A (218Po), C (214Po) để xác định nồng độ 222
Rn vì chúng ghi nhận alpha từ phân rã của các con cháu 222
Rn. Số đếm ở cửa sổ B (216Po), D (212Po) để xác định nồng độ 220Rn vì chúng ghi nhận alpha từ phân rã của các con cháu 220Rn. Số đếm từ các cửa sổ O, E, F… không đư c cộng vào kết quả đo. Ưu điểm lớn nhất của RAD7 là khả năng xác định riêng biệt năng lư ng mỗi hạt alpha. Điều này giúp detector nhận diện đư c các đồng vị con cháu 222Rn, 220Rn nhằm phân biệt 222
Rn và 220Rn, 222Rn mới và 222Rn cũ, tín hiệu cần đo và tín hiệu nhiễu.
2.1.3. Ph năng lư ng alpha của RAD7
Dải phổ năng lư ng alpha trong RAD7 kéo dài từ 0 đến 10 MeV, đư c chia thành hai trăm khoảng đều nhau, mỗi khoảng có độ rộng 0,05 MeV. Khi một hạt alpha đập vào detector, RAD7 sẽ cộng thêm 1 vào dãy phổ đó. Kết thúc chu kỳ đo, bộ xử lý trong RAD7 sẽ tính toán số liệu, đưa ra máy in, lưu vào bộ nhớ và đưa số đếm trong dãy phổ trở về 0.
34
Phổ lý tưởng của hạt alpha từ phân rã 218Po có dạng một vạch thẳng đúng ngay vị trí 6 MeV. Mặc dù RAD7 gần đạt đư c kết quả lý tưởng, nhưng thực tế cho thấy, do có nhiễu, do sự va đập không trực diện của hạt alpha vào detector,... nên phổ alpha thu đư c bị mở rộng và có xu thế lệch về vùng năng lư ng thấp hơn. Nhiệt độ cao cũng làm phổ mở rộng.
Bộ xử lý trong RAD7 gộp hai trăm khoảng chia phổ năng lư ng alpha thành tám nhóm, ứng với tám khoảng năng lư ng. Ví dụ, cửa sổ A có khoảng năng lư ng từ 5,4 đến 6,4 MeV; vì vậy, cửa sổ này chứa tín hiệu alpha từ phân rã 218Po, có năng lư ng 6 MeV. Để chuyển số liệu đo phổ sang kết quả nồng độ radon, đầu tiên hệ máy sẽ cộng số đếm ở tất cả các cửa sổ, sau đó chia cho thời gian đo thực tế. RAD7 gộp các cửa sổ E, F, G, H thành cửa sổ O (Others) trước khi lưu vào bộ nhớ. Phổ in ra ghi rõ số đếm riêng biệt của bốn cửa sổ A, B, C, D và số đếm tổng cửa sổ O.
Hình 2.2: Phổ alpha lấy từ RAD7
- Cửa sổ A: Cửa sổ 222Rn số 1. Ghi nhận tổng số hạt alpha từ phân rã 218Po, có năng lư ng 6 MeV (222
Rn mới). - Cửa sổ C: Cửa sổ 222
Rn số 2. Ghi tổng số hạt alpha từ phân rã 214Po, có năng lư ng 7,69 MeV (222Rn cũ).
- Cửa sổ B: Cửa sổ 220
Rn số 1. Ghi tổng số hạt alpha từ phân rã 216Po, có năng lư ng 6,78 MeV. Cửa sổ này nằm giữa cửa sổ A và C nên có thể nhận một phần tín hiệu nhiễu từ hai cửa sổ này.
Phổ hiển thị
35
- Cửa sổ D: Cửa sổ 220Rn số 2. Ghi tổng số hạt alpha từ phân rã 212Po, có năng lư ng 8,78 MeV.
- Cửa sổ E: Cửa sổ nhiễu năng lư ng cao. Cửa sổ này thường có giá trị nhỏ; nếu nó ghi đư c giá trị khá lớn so với cửa sổ A, B, C, D, chắc chắn RAD7 đã làm việc không tốt.
- Cửa sổ F: Cửa sổ nhiễu năng lư ng thấp. Ghi các tín hiệu alpha có năng lư ng thấp (<0,5 MeV). Cửa sổ này có thể có số đếm cao nếu RAD7 làm việc ở nhiệt độ cao.
- Cửa sổ G: Cửa sổ nhiễu năng lư ng trung bình. Ghi các tín hiệu alpha có năng lư ng từ 1,5 đến 2,0 MeV. Cửa sổ này thường có số đếm thấp.
- Cửa sổ H: Cửa sổ nhiễu năng lư ng cao. Ghi các tín hiệu alpha có năng lư ng 5,31 MeV từ phân rã 210Po. 210Pb là sản phẩm con cháu của 222Rn, 210Pb có chu kỳ bán rã lớn, thường đư c giữ lại ở bề mặt detector khi đo ở vị trí có nồng độ 222
Rn cao, hoặc đư c tích lũy khi máy đư c sử dụng một thời gian dài. Cửa sổ này không đư c dùng để tính nồng độ 222Rn và RAD7 thực hiện tốt chức năng này, kể cả khi có mặt đồng vị 210
Pb và phông máy cao, kết quả đo vẫn không bị ảnh hưởng.
- Cửa sổ O: Bao gồm kết quả của bốn cửa sổ E, F, G, H (tức là phần còn lại của bốn cửa sổ chính A, B, C, D). Nếu cửa sổ O chiếm khoảng từ 30% trở lên trên tổng số đếm ghi nhận đư c thì kết quả phổ đo đã không tốt, cần xem lại. Trong các phép đo nồng độ 222Rn, khoảng 5 phút đầu của quá trình đo, số đếm tăng dần, sau đó dần dần ổn định. Sau khoảng 10 phút, 218Po đã cân bằng với 222
Rn. Lúc đầu, trong phổ chỉ xuất hiện đỉnh cửa sổ A với tốc độ đếm tăng dần. Sau đó, tốc độ đếm tăng rất chậm, số đếm ở cửa sổ C bắt đầu xuất hiện. Sau khoảng 3 giờ, 218Po và 214Po gần như đạt đư c trạng thái cân bằng. Khi đó, các đồng vị trong dãy phân rã phóng xạ từ 222Rn đạt trạng thái cân bằng ổn định. Phổ sẽ đư c đặc trưng bởi hai đỉnh A và C có diện tích gần bằng nhau. Sau 3 giờ, tín hiệu ở cửa sổ A giảm nhanh chóng. Ở cửa sổ C, độ lớn của tín hiệu vẫn còn duy trì ở mức khá cao. Nguyên nhân do 214Po đư c sinh ra từ phân rã 214Pb và 214Bi có chu kỳ bán rã lần lư t 26,8 phút
36
và 19,8 phút. Sau khoảng 3 giờ, tín hiệu ở cửa sổ C mới thực sự hết. Ta gọi cửa sổ C là cửa sổ 222
Rn cũ vì số đếm xuất hiện sau khoảng 1 giờ từ lúc đưa khí vào. Cửa sổ B và D dùng để xác định nồng độ 220
Rn. Tuy nhiên, cần chú ý, 212Bi có hai khả năng phân rã, tạo thành 212Po (66%) và 208Tl (34%). 208Tl phát alpha năng lư ng 6,05 MeV, sẽ đư c ghi nhận ở cửa sổ A. Nếu có 66 tín hiệu ở cửa sổ D, sẽ có 34 tín hiệu ở cửa sổ A. Vì vậy, khi tính nồng độ 222Rn, RAD7 hiệu chỉnh số đếm ở cửa sổ A, căn cứ vào số đếm ở cửa sổ D.
Sau khi ghi đư c các tín hiệu ứng với các cửa sổ năng lư ng nêu trên, bộ xử lý trong RAD7 sẽ tự động tính toán, hiệu chỉnh, cho ra kết quả nồng độ 222Rn, 220Rn.
Kết quả đo đư c lưu vào bộ nhớ và hiển thị lên màn hình máy. Người sử dụng chỉ cần làm đúng thao tác sẽ có kết quả nồng độ 222
Rn, 220Rn mà không cần phải tính toán, giúp tiết kiệm thời gian xử lý số liệu và đảm bảo độ tin cậy cao hơn.
Hình 2.3: Kết quả đo hiển thị trong phần mềm CAPTURE
Các kết quả đo đạc từ RAD7 đư c hiển thị và xử lý bằng phần mềm CAPTURE. Phần mềm này cho phép truyền tải dữ liệu từ RAD7 sang máy tính. Trong phần mềm CAPTURE, tất cả các kết quả đư c hiển thị trên một đồ thị. Trục hoành là trục thời gian, trục tung biểu hiện nồng độ 222Rn hoặc 220Rn. Khoảng chia của trục tung tự động điều chỉnh tùy theo vùng giá trị hiển thị. Đơn vị có thể là Bq/L, Bq/m3,
Hiệu chỉnh độ ẩm, tràn đỉnh Các cửa sổ số đếm A, B, C, D, O
Nồng độ 222
Rn, 220Rn và một số thông số Phổ nồng độ 222
37
dpm/L, pCi/L. Nếu nồng độ 220Rn đư c hiển thị, khoảng chia nồng độ 220Rn có thể khác khoảng chia nồng độ 222
Rn và đư c đặt bên phải của đồ thị. Đây là một dạng đồ thị đường nối các kết quả trong mỗi chu kỳ đo lại với nhau. Nồng độ 222
Rn đư c biểu diễn bởi đường màu đen, nồng độ 220Rn biểu diễn bởi đường màu xanh lá. Các giá trị nồng độ đo đư c có thể đư c hiệu chỉnh độ ẩm, sự tràn đỉnh,…bằng chính phần mềm CAPTURE. Góc phải màn hình hiển thị nồng độ 222Rn, 220Rn trung bình, nhiệt độ, độ ẩm trung bình, tốc độ bơm, …trong quá trình đo. Nếu độ ẩm tương đối trên 14%, đường biểu diễn nồng độ 222Rn đổi thành màu đỏ.
2.1.4. Các phím chức năng
Các thao tác đo trên RAD7 chủ yếu dựa vào bốn phím cơ bản: Menu, Enter, mũi tên trái (), mũi tên phải (). Trong đó phím Menu chứa tất cả các tùy chọn cho việc thiết lập, đo và xem dữ liệu. Phím Enter dùng để chọn các tùy chọn trong Menu. Phím và cho phép di chuyển giữa các Menu. Nội dung các Menu đư c trình bày trong phần phụ lục 1.
2.1.5. Các giao thức đo của RAD7
Bảng 2.1: Một số giao thức đo mặc định trong RAD7
Protocol Cycle Recycle Mode Thoron Pump
Sniff 00:05 0 Sniff Off Auto
1-day 00:30 48 Auto Off Auto
2-day 01:00 48 Auto Off Auto
Weeks 02:00 0 Auto Off Auto
Grab 00:05 4 Sniff Off Grab
Wat-40 00:05 4 Wat-40 Off Grab
Wat-250 00:05 4 Wat-250 Off Grab
Thoron 00:05 0 Sniff On Auto
User xxx xxx xxx xxx xxx
Bảng 2.1 thể hiện một số giao thức, chế độ thường đi k m với nhau. Tuy nhiên, tùy theo mục đích, người sử dụng có thể thay đổi các chế độ này.
38
Protocol: chọn giao thức đo. RAD7 có một số giao thức để người dùng chọn tùy theo mục đích đo.
- Sniff: đo phát hiện, kiểm tra nhanh môi trường có 222
Rn, 220Rn hay không - 1-day: Đo trong 1 ngày.
- 2-day: Đo trong 2 ngày. - Weeks: Đo trong nhiều tuần. - Grab: Đo kiểm tra.
- Wat-40: Đo nồng độ 222Rn, 220Rn trong nước sử dụng lọ 40 mL. - Wat-250: Đo nồng độ 222Rn, 220Rn trong nước sử dụng lọ 250 mL. - Thoron: Đo nồng độ 220Rn.
- User: Giao thức do người sử dụng lựa chọn. Ứng với giao thức này, người sử dụng có thể chọn các tùy chọn tiếp đó tùy ý.
Cycle: chọn thời gian cho mỗi chu kỳ đo. Khi cần đo nồng độ 222Rn, 220Rn (tại một điểm đo), cần phải đo lặp lại nhiều lần, mỗi lần đó gọi là một chu kỳ đo. Phạm vi đặt chu kỳ đo từ 2 phút đến 24 giờ. Kết quả đo nồng độ sẽ đư c xuất ra sau mỗi chu kỳ. Hai chữ số đầu thể hiện đơn vị giờ, hai chữ số cuối thể hiện đơn vị phút.
Recycle: Việc chọn chu kỳ và số chu kỳ lặp lại là chọn thời gian đo. Thời gian đo là tích của số chu kỳ với thời gian của một chu kỳ.
Ta thường phải đo nhiều chu kỳ trong một lần đo vì:
- Khi bắt đầu đo, máy bơm lấy khí vào buồng, đồng thời detector bắt đầu nhận tín hiệu. Kết quả ở chu kỳ thứ nhất thường có sự biến đổi lớn do lư ng mẫu khí cần đo chưa đư c lấy hết và hệ đo chưa ổn định. Các kết quả đo ở các chu kỳ sau có độ tin cậy cao hơn.
- Khai báo thời gian trong một chu kỳ và số lư ng chu kỳ đo một cách h p lý sẽ cho phép đo gián đoạn (đo từng điểm), đo liên tục theo thời gian (quan trắc) hoặc đo nhanh để phát hiện 222Rn, 220Rn,...
Đó là một trong các ưu điểm của RAD7 so với nhiều loại máy khác.
Mode: Chọn các chế độ đo phù h p với mục đích người sử dụng. RAD7 có một số chế độ hoạt động.
39
- Sniff: Đo phát hiện, kiểm tra nhanh nồng độ 222Rn, 220Rn trong môi trường. Ở chế độ này, RAD7 tính nồng độ 222
Rn, 220Rn lần lư t dựa vào đỉnh phổ alpha của 218
Po và 216Po.
- Nomal: Trên thực tế, nồng độ 222Rn, 220Rn trong không khí không hẳn sẽ thay đổi liên tục nên chế độ Sniff đôi khi đư c thay thế bằng chế độ Normal. Chế độ Normal xác định nồng độ 222Rn, 220Rn với độ chính xác cao hơn vì RAD7 dựa vào số đếm cả hai đồng vị con cháu 218Po và 214Po (đối với 222Rn), 216Po và 212Po (đối với 220
Rn).
- Auto: Chế độ sử dụng tốt nhất thay thế cho Sniff và Normal là Auto. Ở chế độ này, RAD7 tự động chuyển từ chế độ Sniff sang Nomal sau 3 giờ đo liên tục (trong một lần đo). Chế độ đo này có những thuận l i sau:
Trước 3 giờ, máy chỉ lấy số đếm ở cửa sổ A, điều này giúp người đo có thể thực hiện các phép đo liên tục mà không bị ảnh hưởng bởi lư ng 222Rn cũ ở cửa sổ C.
Từ 3 giờ trở đi, số đếm ở cửa sổ C đã góp phần đáng kể, việc tính nồng độ 222
Rn dựa vào tổng số đếm hai cửa sổ A và C mang lại kết quả chính xác. - Wat-40: Chế độ đo nồng độ 222Rn, 220Rn trong nước sử dụng lọ 40 mL. Số
đếm đư c lấy ở cửa sổ A (đối với 222Rn) và cửa sổ B (đối với 220 Rn).
- Wat-250: Chế độ đo nồng độ 222Rn, 220Rn trong nước sử dụng lọ 250 mL. Số đếm đư c lấy ở cửa sổ A (đối với 222Rn) và cửa sổ B (đối với 220Rn).
Thoron: Chọn chế độ đo hoặc không đo nồng độ 220Rn. - On: Đo nồng độ 220
Rn.
- Off: Không đo nồng độ 220Rn.
Giao thức Thoron chỉ khác Sniff ở chỗ tùy chọn Thoron là On.
Pump: Chọn chế độ hoạt động của bơm. Máy bơm có bốn chế độ hoạt động. - Auto: RAD7 tự động tắt hoặc mở máy bơm khi đã lấy đủ khí, nhằm bảo vệ
máy bơm và nguồn pin. Khi bắt đầu mỗi chu kỳ đo, máy bơm sẽ hoạt động trong 4 phút (hoặc cho đến khi độ ẩm trong buồng thấp hơn 10%), sau đó, bơm tự tắt. Trong vòng một chu kỳ, cứ 5 phút, máy bơm hoạt động trong 1
40
phút, cho đến khi kết thúc chu kỳ đo (lưu ý máy bơm có thể hoạt động trong suốt thời gian đo cho đến khi độ ẩm nhỏ hơn 10%).
- Grab: Bơm chỉ hoạt động 5 phút đầu tiên của quá trình đo để lấy khí cũ ra khỏi máy và lấy khí mới từ ngoài vào buồng đo, sau đó dừng lại hoàn toàn.
- On: Bơm hoạt động liên tục trong quá trình đo.
- Off: Bơm luôn tắt trong quá trình đo. Chế độ này thường không đư c dùng ngay khi bắt đầu đo mà có thể chuyển sang chế độ Off khi đã lấy hết 222Rn.
2.2. Bộ phụ kiện RAD-H2O [2], [11]