Khảo sát sự suy giảm của bức xạ theo độ cao của mẫu chuẩn trên hệ Gamma phông thấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  LƯ ÁNH HƯỜNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2009 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, cùng sự nổ lực của bản thân, em đã nhận được sự giúp đỡ, động viên của thầy cô, bạn bè và gia đình. Em xin gửi lời cảm ơn đến: Thầy trưởng khoa, TS Thái Khắc Định, và các thầy ở phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi để em thực hiện tốt luận vă

pdf53 trang | Chia sẻ: huyen82 | Lượt xem: 1500 | Lượt tải: 1download
Tóm tắt tài liệu Khảo sát sự suy giảm của bức xạ theo độ cao của mẫu chuẩn trên hệ Gamma phông thấp, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
n này. Thầy Hoàng Đức Tâm đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn. Các bạn lớp Lý cử nhân K31, đã giúp đỡ và động viên mình trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Gia đình đã quan tâm, động viên tinh thần giúp con thực hiện tốt luận văn này. Sau cùng em xin kính chúc quý thầy cô luôn mạnh khỏe và thành công trong sự nghiệp giáo dục. MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Đồng vị phóng xạ có mặt ở khắp mọi nơi từ khi Trái Đất sinh ra, chúng có những ảnh hưởng nhất định đến con người. Ngay trong mỗi bộ phận cơ thể con người cũng chứa những hạt nhân phóng xạ. Ai cũng biết, nhờ đồng vị Cacbon phóng xạ 14C tồn tại trong xương người mới có phương pháp 14C để xác định tuổi người tiền sử. Xung quanh chúng ta, đồng vị phóng xạ có trong đất đá, cây cỏ, nước, không khí... Tuy vậy, sự phân bố của chúng không đều giữa nơi này và nơi khác. Vì hàm lượng phóng xạ trong môi trường phụ thuộc vào vị trí địa lý, kiến tạo địa chất, loại cây cỏ, tình trạng sinh sống của con người, vào cả vật liệu xây dựng và kiến trúc ngôi nhà ở v.v... Phổ biến nhất là đồng vị phóng xạ Kali (14K) và các hạt nhân trong dãy phóng xạ Urani và Thori. Riêng trong dãy phóng xạ Urani, một sản phẩm rất đáng lưu ý là khí phóng xạ Radon (222Rn). Khí Radon là tác nhân gây nguy cơ ung thư hàng đầu trong các chất gây ung thư phổi mà hiện nay thế giới đang cảnh báo. Qua phân tích trên, việc xác định hoạt độ các chất phóng xạ trong các mẫu môi trường là rất cần thiết. Có hai phương pháp xác định hoạt độ của mẫu môi trường như sau:  Phương pháp tuyệt đối: là phương pháp đo mẫu trực tiếp mà không thông qua mẫu chuẩn.  Phương pháp tương đối: là phương pháp đo hoạt độ của mẫu thông qua hoạt độ của mẫu chuẩn. Hiện nay, phương pháp tương đối được áp dụng phổ biến, đo họat độ của mẫu cần phân tích thông qua mẫu chuẩn. Nên việc khảo sát mẫu chuẩn là rất cần thiết. Do đó, đề tài : “ Khảo sát sự suy giảm của bức xạ theo độ cao của mẫu chuẩn trên hệ gamma phông thấp” được thực hiện nhằm xây dựng được đường cong của diện tích đỉnh của một số đỉnh theo độ cao của mẫu chuẩn. Luận văn được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Việc khảo sát dựa vào các mẫu chuẩn của Trung tâm hạt nhân TP.Hồ Chí Minh và hộp có đường kính 2pi. Hình 1: Các đối tượng nghiên cứu. 2. Bố cục luận văn Luận văn được trình bày theo ba phần chính:  Phần mở đầu trình bày mục đích, đối tượng và phương pháp nghiên cứu.  Phần nội dung được chia làm ba chương: Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề cần nghiên cứu: Nguồn gốc phóng xạ, Radon và sức khỏe con người, các phương pháp phân tích hạt nhân và các tương tác của tia gamma với vật chất. Chương 2 là phần thực nghiệm trình bày về hệ phổ kế gamma phông thấp của phòng thí nghiệm thuộc Trường Đại học sư phạm TP.HCM và một số đồng vị phóng xạ cần quan tâm. Chương 3 là phần kết quả nghiên cứu: xử lý phổ gamma và khảo sát sự pụ thuộc của diện tích đỉnh theo độ cao.  Phần kết luận, tổng kết quá trình nghiên cứu, hạn chế của đề tài. Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 1.1. Nguồn gốc phóng xạ Nguồn phóng xạ được chia thành hai loại gồm nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo. Nguồn phóng xạ nhân tạo do người chế tạo ra bằng cách chiếu các chất trong các lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc. Nguồn phóng xạ tự nhiên là các đồng vị phóng xạ có mặt ở khắp mọi nơi trong môi trường sống như đất, nước và không khí. 1.1.1. Nguồn phóng xạ tự nhiên Gồm các nhân phóng xạ có từ khi hình thành nên Trái Đất, còn gọi là các nhân phóng xạ nguyên thủy và các nhân phóng xạ được hình thành do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất của Trái Đất. 1.1.1.1. Các nhân phóng xạ nguyên thủy Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất gồm các họ phóng xạ Uranium, Thorium và các hạt nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, 87Rb,….Đến nay người ta biết ba họ phóng xạ tự nhiên là họ Thorium (232Th), Uranium (238U), và Actinium (235U). Tất cả các thành viên của các họ này, trừ thành viên cuối cùng, đều là các đồng vị phóng xạ. Uranium gồm ba đồng vị khác nhau: khoảng 99,3% là 238U, khoảng 0,7% là 235U và khoảng 5.10-3 là 234U. 238U và 234U thuộc cùng một họ gọi là họ Uranium, còn 235U là thành viên đầu tiên của một họ khác, gọi là họ Actinium. 232Th là thành viên đầut iên của họ Thorium. Họ phóng xạ thứ tư là họ phóng xạ nhân tạo, được gọi là họ Neptunium (237Np).  Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung: - Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. - Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố Radon. Trong trường hợp họ Uranium, khí 22286 Rn được gọi là Radon, trong họ Thorium, khí 220 86 Rn được gọi là thoron còn trong họ Actinium khí 21986 Rn được gọi là action. Chú ý rằng trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xạ. Trong ba loại khí phóng xạ thì Radon đóng vai trò quan trọng nhất vì nó có thời gian bán rã 3,825 ngày lớn hơn nhiều so với thời gian bán rã của thoron (52s) và actinon(3,92s). - Sản phẩm cuối cùng của mỗi họ đều là chì : 206Pb trong họ Uranium, 207Pb trong họ Actinium và 208Pb trong họ Thorium. Trong khi đó thành viên cuối cùng trong họ Neptunium là 209Bi.[3] Hình 2: Họ phóng xạ Thorium (4n)       35.94%       232Th 1.4 x1010y 228Ra 5.76 y 228Th 1.913 y 228Ac 6.13 h 224Ra 3.665 d 220Rn 55.6 s 216Po 0.145 s 212Pb 10.64 h 212Po 0.296 s 212Bi 60.6 m 208Pb Bền 208Tl 3.05 m Hình 3: Họ phóng xạ Uranium (4n+2) 206Pb Bền 238U 4.8 x109y 234Th 24.1 d 234mPa 1.18m 234U 2.5 x105y 230Th 7.5 x104y 226Ra 1600y 222Rn 3.82 d 218Po 3.1 m 214Pb 26.8 m 214Bi 19.7 m 214Po 164 s 210Pb 22.3 y 210Bi 5.01 d 210Po 138 d              Hình 4: Họ phóng xạ Actinium ( 4n+3) Trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ khác , ví dụ như 40K rất phổ biến trong môi trường ( hàm lượng potassium trung bình trong đất đá là 27g/kg và trong đại dương khoảng 380mg/lít), trong thực vật, động vật và cơ thể người ( hàm lượng potassium trung bình trong cơ thể người là khoảng 1,7g/kg). Đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là 14C, thời gian bán rã là 5600năm. 14C là kết quả của quá trình biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân 14N. Trước khi xuất hiện bom hạt nhân hàm lượng tổng cộng của 14C trong khí quyển vào khoảng 1,5.1011MBq(4MCi), trong thực vật 223Ra 11.44 d 207Tl 4.79 m  223Fr 21.8 m 219Rn 3.96 s 215Po 1.78 ms 211Pb 36.1 m 211Bi 2.14 m 211Po 0.516 s 207Pb Bền 99.7% 235U 7.0x108y 231Th 25.5 h 231Pa 3.28x104y 227Ac 21.77 y 227Th 18.72 d           vào khoảng 4,8.1011MBq(13MCi) và trong đại dương vào khoảng 9.1012MBq( 240MCi). Việc thử nghi khí hạt nhân làm tăng đáng kể lượng 14C. Tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân cho đến nă ã thải ra khí q n khoảng 1,1.1011MBq(3MCi). Carbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí CO2, do đó chúng được các con vật hít vào và cây cối hấp thụ trong quá trình quang hợp. Vì chỉ có các thực vật còn sống mới hấp thụ C ng với carbon không phóng xạ nên có thể xác định tuổi ật bằng cách đo hoạt độ riêng của carbon hiện tại. Đồng thời đánh giá được tuổi mẫ khảo cổ vật liệu hữu cơ theo các số liệu đo hoạt độ riêng 14C của chúng.[2] 1.1.1.2. Các nhân phó nguồn gốc t trụ  Nhân phóng xạ từ vũ trụ: Các bức xạ vũ tr ều trong không gian, chúng tồn tại chủ yếu ngoài hệ mặt trời. Chúng có nhiều dạng khác nhau, từ những hạt nặng c tốc rất lớn đến các photon năng lượng cao. Tầng trên của khí quyển Trái Đất tác dụng với nhiều ũ trụ và làm sinh ra các nhân phóng x Phần lớn các nhân phóng xạ này có thời gian bán rã ngắn hơn các nhân phóng xạ tự nhiên có trên Trái ất. Bảng 1 ệm vũ m 1960 đ uyể 14 cù thực v u ng xạ có ừ vũ ụ có rất nhi ó vận loại tia v ạ. Đ : Các nhân phóng xạ bắt nguồn từ vũ trụ Nhân phóng xạ Thời gian bán rã Nguồn gốc Ho tự nhiên ạt độ 14C 5600 y Các tươ vũ trụ, 14N (n,p) 14C 0,22 Bq/g ng tác 3H 12,3 y Các tương tác vũ trụ với N hay O, phản ứng tóe từ các trụ, 6 tia vũ Li(n, ) H 3 1,2.10-3 Bq/kg 7Be 53,28 d Các tương tác vũ trụ với N và O 0,01 Bq/kg  Bức xạ vũ trụ: g lượng lớn hơn. Phần lớn các tia vũ trụ sơ cấp đến từ bên ngoài hệ mặt trời còn một phần đến từ mặt trời do quá trình cháy sáng. Bức xạ vũ trụ được chia làm hai loại là bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp. Bức xạ vũ trụ sơ cấp được tạo nên bởi những hạt năng lượng cực kỳ cao (khoảng 1018 eV) và chủ yếu là các proton cùng với một số hạt khác có năn Một số nhỏ bức xạ vũ trụ sơ cấp xuyên xuống bề mặt Trái Đất còn phần lớn chúng tương tác với khí quyển, sinh ra các bức xạ vũ trụ thứ cấp hoặc ánh sáng mà ta có thể nhìn thấy được trên mặt đất. Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ năng lượng thấp hơn, bao gồm việc hình thành các photon ánh sáng, các electron và các hạt muyon rơi xuống mặt Trái Đất. Lớp khí quyển và từ trường Trái Đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che chắn các tia vũ trụ. Như vậy liều bức xạ con người nhận được sẽ phụ thuộc vào độ cao mà người đó đang ở. Từ bức xạ vũ trụ, hàng năm con người có thể nhận một liều cỡ 0,27 mSv và con số này sẽ tăng lên gấp đôi cứ một lần tăng độ cao lên 2.000m Suất liều điển hình của bức xạ vũ trụ: 0,04 Gy trên bề mặt Trái Đất; 0,2 /Gy h ở độ cao / h 5.000m; 3 /Gy h ở độ cao 20.000m. [2] 1.1.2. .1.2.1. Vũ khí hạt nhân Là loại vũ khí mà năng lượng của nó do các phản ứng phân hạch hoặc phản ứng nhiệt hạch gây ột vũ nhân phá lớn hơn bất kỳ vũ khí ũ khí hạt nhân đơn g y n ng từ quá trình phân hạch (còn gọi là quá trình phân rã hạt nhân). Các loại vũ khí cao cấp hơn ăng l ạch tổng hợp hạt nhân). Tron ại vũ khí c xạ ng nóng và nén đầu mang tritium, deuterium, hoặc lithium, t g lượng được giải thoát lớn hơn rất nhiều. Nó có thể giải thoát m ng lượng lớn hơn hàng ngàn lần so với bom nguyên tử. từ vụ nổ vũ khí hạt nhân thoát ra ở bốn loại sau đây: tổng năng lượng. [7] 1.1. Nguồn phóng xạ nhân tạo Chỉ chiếm một lượng rất nhỏ so với lượng phóng xạ tự nhiên . Tuy nhiên, một phần lượng phóng xạ này đã bị phát tán vào trong môi trường của thế giới chúng ta. Một số chất đã được thải vào khí quyển do các vụ thử vũ khí hạt nhân và phần nhỏ hơn nhiều là các nhà máy điện hạt nhân. 1 ra. M khí hạt iản nhất lấ nhỏ nhất cũng ăng lượ có sức công quy ước nào. V thì lấy n ượng nhiều hơn từ quá trình nhiệt h (còn gọi là g lo này, bứ nhiệt từ vụ nổ phân rã hạt nhân được dù ừ đó xảy ra phản ứng nhiệt hạch ột nă ng để nu với năn Năng lượng  Áp lực – 40-60% tổng năng lượng.  Bức xạ nhiệt – 30-50% tổng năng lượng.  Bức xạ ion – 5% tổng năng lượng.  Bức xạ dư (bụi phóng xạ) – 5-10% 2.2. Điện hạt nhân Điện hạt nhân đã có lịch sử 50 năm, đóng góp to lớn cho sự phát triển kinh tế - xã hội của nhiều quốc gia. Theo thống kê của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), vào cuối năm 2002, toàn thế 0/12/1951 tại lò thử nghiệm EBR-1 của Mỹ và thắp sáng đượ u thế ninh năng lượng có ý nghĩa quyết định và công nghệ điện hạt ướng phát triển điện hạt nhân đã có những thay đổi tích cực. T m nhìn 2020 của Mỹ về phát triển điện hạt nhân đề nghị tăng 10.000MW cho 104 nhà máy điện hạt nhân h ặc đang xây hoặc đã đưa vào kế hoạch xây dựng. Khoảng 200 lò khác đang xem xét đưa vào kế hoạch xây 8] Dự kiế Tại Việt Nam thì việc đầu tư nhà máy điện hạt nhân đã được nêu rõ trong Quyết định của Thủ tướng Chính phủ về “Phê duyệt quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét đến năm 2 nhà máy điện nguyên tử với ự kiến đến năm 2020 tổ máy điện hạt nhân đầu tiên sẽ đư n quốc gia sẽ được bổ sung 11.000MW công suất đ áy thủy điện Hòa Bình hiện nay), tăng tỷ trọng điện hạt nhâ . Hy vọng đúng mốc thời gian đó, năm 2020, Việt Nam sẽ không lỡ hẹn và sẽ chính thức đi vào lịch sử như là một trong những quốc gia có điện hạt nhân.[8] 1.1.2.3. Tai nạn hạt nhân giới có 441 nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động. Những nhà máy này cung cấp 16% tổng sản lượng điện toàn cầu năm 2002, hay 2.574 tỷ kWh. Giai đoạn khởi đầu, khi công nghệ chưa được thương mại hoá thì điện lần đầu tiên được sản xuất bằng năng lượng hạt nhân vào ngày 2 c bốn bóng đèn Từ đầ kỷ XXI tới nay, khi an nhân ngày càng được nâng cao thì xu h ầ iện có. Anh quay trở lại phát triển điện hạt nhân do thiếu hụt năng lượng, trong khi Indonesia đã lập dự án khả thi và dự kiến sẽ đưa tổ máy điện hạt nhân đầu tiên vào vận hành năm 2015. Trên toàn thế giới, dự kiến trong thập niên tới sẽ tăng khoảng 100 lò phản ứng năng lượng, các lò này ho dựng trong 20-30 năm tới.[ n từ nay đến giữa thế kỷ, công suất điện hạt nhân toàn cầu sẽ tăng từ 372.000 MW hiện nay lên đến 1.000.000 MW, và tỷ trọng sản lượng điện hạt nhân sẽ đạt đến con số 19% tổng sản lượng điện toàn cầu. Trong đó, tỷ lệ điện hạt nhân tương ứng ở một số nước, theo ước tính, sẽ là: Mỹ: 50%; Pháp: 85%; Nhật Bản: 60%; Hàn Quốc: 70%; Trung Quốc: 30%; Indonesia:40% và Thái Lan, Philipin, Malaysia, Việt Nam: 20%. Đến giữa thế kỷ, công suất điện hạt nhân toàn cầu sẽ tăng từ 372.000 MW hiện nay lên 1.000.000 MW... 025. Chính phủ đang chỉ đạo EVN lập dự án đầu tư xây dựng 2 công suất tổng cộng 4.000MW. Về thời hạn, d a vào hoạt động, và đến năm 2025, mạng lưới điệ iện hạt nhân (bằng 5,5 lần công suất của nhà m n, trong toàn bộ hệ thống điện quốc gia, lên đến con số 20-30% đầu tiên ở Đông Nam Á Ngành vật lý hạt nhân đã xảy ra nhiều tai nạn hạt nhân lớn nhỏ khác nhau, như: Pakistan vừa hứng chịu vụ tai nạn chết người đầu tiên tại các cơ sở hạt nhân, khi xảy ra rò rỉ khí gas tại nhà máy nước n i đầu tiên tại một cơ sở hạt nhân của nước này. ường chắn, đám mây bụi phóng xạ tung lên từ nhà máy lan rộng ra. Thảm hoạ này phát ra lượng phóng xạ lớn gấp bốn trăm lần so với quả bom nguyên tử được ném xuống Hiroshima. Ước tí à Radon-119 của chuỗi Uranium-235, thường được gọi là các Radon và các Thoron. Trong đó, mức độ nguy hiểm của Radon-222 là rất cao do chu kỳ bán hủy bởi phân rã các hạt nhân con của nó, một số phân rã phóng xạ sẽ xảy ra trong phổi chúng ta. Các hạt alpha được sinh ra có năng lượng rất cao sẽ bắn phá nhân tế bào phế nang, gây ra các sai hỏn òng đất được thông khí kém. ặng Khushab ở tỉnh Punjab, khiến hai người thiệt mạng. Ủy ban năng lượng nguyên tử Pakistan khẳng định, tình hình tại nhà máy Khushab đã được kiểm soát và không có mối đe dọa nào đối với cuộc sống của cộng đồng. Đây là tai nạn chết ngườ Thảm họa nguyên tử Chernobyl xảy ra vào ngày 26 tháng 4 năm 1986 khi nhà máy điện nguyên tử Chernobyl bị nổ. Đây được coi là vụ tai nạn hạt nhân trầm trọng nhất trong lịch sử năng lượng hạt nhân. Do không có t nh cỡ 56 người chết ngay lập tức; 47 công nhân và 9 trẻ em vì ung thư tuyến giáp, và ước tính rằng có khoảng 9.000 người, trong số gần 6.6 triệu, cuối cùng sẽ chết vì một loại bệnh ung thư nào đó.[7] 1.2. Radon và sức khỏe con người Radon là một loại khí có tính phóng xạ tự nhiên. Radon-222 của chuỗi Uranium-238, Radon- 220 của chuỗi Thorium-232 v phóng xạ là 3,5 ngày. Radon, có tính trơ hoá học, không liên kết với các nguyên tử vật chất chủ của nó, và thoát qua các vết rạn và lỗ trống rất nhỏ trong mặt đất, rồi khuếch tán vào không khí , từ đó chúng ta có thể hít phải. Đó là hiện tượng tự nhiên trong cuộc sống. Các hạt nhân con của Radon cũng có tính phóng xạ. Khi chúng ta hít phải Radon và g nhiễm sắc thể, tác động tiêu cực đến cơ chế phân chia tế bào. Một phần năng lượng phân rã hạt nhân truyền cho hạt nhân phân rã, làm các hạt nhân này bị giật lùi. Năng lượng giật lùi của các hạt nhân Radon có thể đủ để phá vỡ các phân tử protein trong tế bào phế nang. Kết quả là xác suất gây ung thư do Radon rất cao. Từ khi bệnh ung thư bắt đầu xuất hiện do phóng xạ, cho đến khi nó phát triển tới mức có thể quan sát được các biểu hiện lâm sàng, phải mất một khoảng thời gian trễ nhiều năm. Nguy cơ ung thư phổi phát triển do sự chiếu xạ của Radon tuỳ thuộc vào lượng khí Radon mà chúng ta hít phải.Càng có nhiều Radon trong không khí, nguy cơ càng lớn. Hàm lượng Radon trong không khí còn tuỳ thuộc vào mức độ thông gió. Có một số nơi mà ở đó các mức Radon có thể rất cao: trong một số hang động hoặc trong một mỏ Uranium dưới l Việc đánh giá nguy cơ ảnh hưởng sức khoẻ phần lớn dựa trên bằng chứng về tỷ lệ mắc phải ung thư phổi trong số các công nhân mỏ Uranium trong quá khứ. Các mỏ hiện đại được thông khí tốt để giữ cho nồng độ Radon thấp, nhưng những thời kỳ trước đây, các công nhân mỏ Uranium đã nhận những liều phóng xạ rất cao từ Radon mà họ đã hít vào. Dựa trên bằng chứng đó, các hệ số rủi ro được ước tính. Ngoài trời, nồng độ Radon thường vào khoảng 10 Bq/ m3 0,148 Bq/năm, hay 148 Bq/m3/năm. Theo tiêu chuẩn an toàn bức xạ của Cơ quan Năng lượng í Radon trong nhà ở của dân chúng không được vượt quá dải từ 200 đến 600 Bq/m /năm, nghĩa là từ 0,6 đến 1,7 Bq/m3/ngày.[9] ân tích huỳnh quang tia X, phương pháp phân tích Urani… Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X, có thể phân tích nhanh với độ chính xác cao (5 phút bề mặt và khó phân tích được nguyên tố nhẹ. a để đo các photon gamma phát ra từ các nhân phóng xạ trong một mẫu mà không cần tách các nhân phóng xạ ra khỏi chất nền . Trong nhà, nồng độ Radon có thể từ 20 đến 10.000 Bq/ m3, hoặc nhiều hơn nữa. Hiện nay, Việt Nam chưa khuyến cáo mức nồng độ Radon trong nhà bao nhiêu là mức can thiệp. Nhưng, nhiều nước đã khuyến cáo rằng, nồng độ Radon trung bình hằng năm trong một ngôi nhà không nên vượt quá 200 Bq/ m3 (mức can thiệp). Theo Luật môi trường của Mỹ, mức cho phép khí Radon trong nhà ở là <4pCi/1năm, tương đương Nguyên tử Quốc tế (IAEA), nồng độ kh 3 1.3. Các phương pháp phân tích hạt nhân Hiện nay có khá nhiều phương pháp phân tích hạt nhân. Mỗi phương pháp có khả năng đáp ứng được những yêu cầu khác nhau. Sau đây là một số phương pháp như phương pháp phân tích kích hoạt (neutron, photon…), phương pháp đo phổ alpha, bêta, phương pháp đo phổ gamma phông thấp, phương pháp ph Phương pháp phân tích kích hoạt được sử dụng rất rộng rãi vì nó có khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố với độ nhạy và độ chính xác cao, mẫu phân tích không bị phá hủy và không bị nhiễm bẩn trong quá trình phân tích (phân tích các mẫu vật quý hiếm). Nhưng phương pháp này có sự chồng chập phổ.[6] Phương pháp đo phổ alpha cũng cho phép xác định hoạt độ của các hạt nhân đồng vị trong dãy uranium và thorium nhưng quá trình xử lý mẫu thì rất phức tạp. đến 30 phút), ít tốn kém và đặc biệt là không hủy mẫu. Nhưng phương pháp này thì chỉ phân tích được Phương pháp đo phổ gamma mô tả việc sử dụng phép đo phổ gamm của m ối với một máy phân tích đa kênh (MCA) bao gồm tối thiểu 4096 kênh và một hệ thống ghi nhận và kết xuất dữ liệu liên quan. Việc xử lý tự đ có nguồn gốc động v xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. ẫu. Sự phát hiện đồng thời nhiều chất phát tia gamma trong mẫu được thực hiện bằng một detector bán dẫn germanium được che chắn có độ phân giải cao n ộng số liệu phổ ghi nhận được có thể được điều khiển một cách thuận lợi bằng một hệ thống máy tính với một phần mềm được chọn lọc và là một phương tiện tiện lợi trong việc xử lý số liệu. Phương pháp này có thể được áp dụng cho phần lớn các mẫu sinh học và môi trường như là (không khí, nước, đất, trầm tích, rau , cỏ khô,…) và đặc biệt là các thực phẩm về rau cải và các mẫu ật. Phương pháp này là phù hợp để theo dõi và giám sát họat độ phóng xạ bắt nguồn từ sự họat động của các nhà máy hạt nhân, việc thử các vũ khí hạt nhân và việc thải từ các tai nạn hạt nhân. 1.4. Tương tác của tia gamma với vật chất Tương tác của lượng tử gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện . Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron-positron, rồi các electron này gây ion hóa môi trường. Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, tán 1.4.1. Hiệu ứng quang điện Lượng tử  va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao toàn bộ năng lượng của mình cho electron liên kết của nguyên tử. Một phần năng lượng này giúp electron thắng lực liên kết, phần còn lại trở thành động năng của electron. Theo định luật bảo toàn năng lượng: 0e E T I  Với 0I : năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Động lượng của hệ được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên tử. Do điều kiện bảo toàn năng lượng e T  : động năng của electron. và động lượng electron tự do không thể hấp thụ hay bức xạ một photon. Do đó, hiệu ứng quang điện xảy ra mạnh nhất đối với lượng tử  có năng lượng cùng bậc với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Đối với các electron nằm ở các lớp vỏ nguyên tử sâu và với nguyên tử có bậc số nguyên tử Z lớn, năng lượng củ ớn. Vì vậy, với khoảng năng lượng của bức xạa electron càng l  cao hơn tia X, hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở lớp K(30%). Mặt khác, hiệu ứng quang điện tăng mạnh đối với môi trường vật chất có bậc số nguyên tử lớn. Tiết diện hấp thụ của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng của lượng tử  và loại nguyên tử. Cụ thể là tiết diện hấp thụ tỷ lệ với Z5, nghĩa là nó tăng rất nhanh đối với các nguyên tố nặng. Nếu năng lượng của bức xạ  tới chỉ lớn hơn năng lượng liên kết của e thì tiết diện hấp thụ ( )f E tỷ lệ với 1/ E3,5, nghĩa là nó giảm rất nhanh khi tăng năng lượng. Khi năng lượng bức xạ  tới lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết, ( )f E giảm chậm hơn theo quy luật E-1. Trong khoảng năng lượng liên kết của electron, tiết diện hấp thụ thay đổi gián đoạn, nghĩa là xuất hiện các đỉnh hấp thụ tại các giá trị năng lượng hơi cao hơn năng lượng liên kết của electron trong các lớp. Bởi vì, theo định luật bảo toàn năng lượng , ở năng lượng thấp hơn năng lượng liên kết của electron lượng tử  không thể tham gia hiệu ứng quang điện.[1] Hình 5: a. Hiệu ứng quang điện - b. Tiế ng quang điện phụ thuộc năng l kế a electron trong nguyên tử, tiết diện hấ ụ t di t c ệ ủ n hiệu ứ ượ p th ng gamma E. Trong khoảng năng lượng liên ( )f E rất lớn hơn so với tiết diện của các quá trình khác. Khi t ăng lượng, tiết diện hấp thụăng n ( ) giảm mạnh, Ef vì khi đó electron trong nguyên tử được xe nh ự do. Ví dụ, với Al ta có: 2 cm2 ở m ư electron t 18 cm ở E=1 keV. 6.10f  E=0,1 Mev. 256.10f  Hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ chủ yếu ở vùng năng lượng thấp, vai trò của nó trở nên không đáng kể ở vùng năng lượng cao.[1] 1.4.2. Hiệu ứng Compton Hiệu ứng Compton là hiện tượng lượng tử  tán xạ trên electron của nguyên tử và lệch khỏi hướng đi đầu. Năng lượng của lượng tử ban  ban đầu được truyền cho electron và lượng tử  tán xạ. Do năng lượng của lượng tử  lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử nên ctron được xem là electron tự do. Photon tán xạ có năng lượng nhỏ hơn năng lượng của photon tới ' h ele ( h  ) 'h h W T    trong đó T là động năng của electron bắn ra ei e Hình 6: a. Hiệu ứng Compton - b. Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do. Liên quan giữa động năng của photon tán xạ và góc tán xạ cho bởi hệ thức:   ' 2 0 h h m c 1 1 cos h       Với 'h năng lượng của lượng tử  tán xạ. h năng lượng của lượng tử  ban đầu. là khối tron (=0,511 Mev). ng Compton có thể xảy ra đối với electron “tự do”(liên kết lectron liên kết chặt với nguyên tử vì ở đây nhờ có photon tán xạ mà có thể thỏa mãn đồ hời cả hai định luật bảo toàn xung lượng và năng lựợng.[1] lượng nghỉ của elec20m c Hiệu ứng Compton là quá trình tương tác photon – vật chất chủ yếu trong khoảng năng lượng một vài trăm keV đến một vài Mev. Hiệu ứ yếu với nguyên tử) hay với e ng t 1.4.3. Hiệu ứng tạo cặp Trong quá trình này photon biến thành một cặp electron- positron. Cặp sinh ra trong trường điện từ của nhân và năng lượng của nó truyền hết cho cặp ,e e  ,e e  và nhân giậ ối lượng nghỉ của lượng t t lùi. Do kh ử  bằng 0 nên nó chỉ có thể tạo cặp nếu năng lượng của nó lớn h ng năng lượng nghỉ củ ev ơn tổ a electron và positron ( 1.022 )h M  . Hình 7: Hiệu ứng sinh cặp electron-positron i bằng 0 vì photon không có điện tích. Quá trình tạo cặp xảy ra chủ yếu gần trường Coulomb của hạt nhân, hạt nhân này cũng hấp thụ một phần xung lượ a photon ban đầu. Tiết diện hiệu dụng tỉ lệ với Z2, nghĩa là hiệu ứng xảy ra chủ yếu đối vớ ố nặng (Z lớn). Các positron được tạo ra cuối cùng cũng i bi a nguyên tử: Theo định luật bảo toàn điện tích thì tổng điện tích các hạt tạo thành phả ,e e  ng củ i các nguyên t sẽ lạ ến mất do bị hủy cặp với electron củ 2e e    Quá trình tạo cặp đóng vai trò quan trọng đối với các photon năng lượng từ khoảng 5Mev trở lên.[4]  S 4] Các ự hình thành các đặc trưng của phổ gamma:[ quá trình tương tác nói trên dẫn đến sự hình thành các đặc trưng của phổ gamma: Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng của photon tới  hE  trên detector, do đó trong phổ gamma xuất hiện đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với năng  . E lượng Trong quá trình tán xạ Compton, photon tới chỉ mất một phần năng lượng, phần còn lại chuyển thành năng lượng của photon tán xạ. Sự phân bố giữa hai phần này tùy thuộc vào góc tán xạ. Do đó trên phổ xuất hiện nền liên tục ( nền Compton) trải dài từ giá trị E trở xuống. Tia  sau àn t x ctor. Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành hai lượng tử khi tán xạ lần đầu có thể tiếp tục bị tán xạ nhiều lần, cuối cùng bị hấp thụ hoàn to rong detector do hiệu ứng quang điện. Quá trình tán ạ Compton nhiều lần này cũng đóng góp vào đỉnh hấp thụ toàn phần, mức độ đóng góp tùy thuộc vào thể tích dete  năng lượng 0,511Mev. Tùy theo trường hợp cả hai lượng tử này bị hấp thụ hoặc một hoặc cả hai lượng tử này bay ra khỏi detector mà ta thấy xuất hiện các đỉnh sau đây:  Cả hai lượng tử  hủy cặp đều bị hấp thụ hoàn toàn trong thể tích nhạy của detector: ta được đỉnh hấp thụ ần .  Một trong hai lượng tử toàn ph E  hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của detector : ta được đỉnh thoát đơn:  Cả hai lượng tử )(511,0 MevE  .  hủy cặp thoát khỏi detector, ta được đỉnh thoát đôi ứng với năng lượng )(022,1 MevE  . Chương 2. THỰC NGHI M 2.1. Giới thiệu về hệ phổ kế Gamma 2.1.1. Các loại detector thường dùng cho phổ kế Gamma Ệ Để ghi phổ gamma hiện nay ta thường dùng hai loại detector: ẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe) hơ  Detector nhấp nháy với tinh thể NaI (Tl).  Detector bán d Loại detector bán dẫn Ge cho phổ chất lượng cao hơn nhưng giá thành cao hơn và yêu cầu cao n về thiết bị đi kèm. Hình 8: Sơ đồ hệ phổ kế gamma phông thấp. 2.1.1.1. Detector nhấp nháy với tinh thể NaI (Tl) Bao gồm: - Tinh thể nhấp nháy bằng chất NaI có pha thêm hoạt chất hóa Tl : Khi lượng tử gamma tương tác với chất nhấp nháy, nó sẽ tạo ra electron tự do có động năng lớn qua một trong ba cơ chế. Electron này sẽ kích thích các phân t trở về trạng thái cơ bản sẽ phát tỉ trọng 3,67g/cm3 chiết suất 1,85 hiệu suất gần 100%, bước sóng ánh sáng có xác suất lớn nhất là 410 nm, cường độ sáng phân rã với hằng số thời gian phân rã ử của chất nhấp nháy và khi các phân tử này ra chớp sáng. Chất nhấp nháy có NaI, có chính bằng khoảng 30 ns. - Ống nhân quang điện: bao gồm photocatot, một anot và một hệ các điện cực trung gian gọi là , các đynot được cung cấp một phần điện áp cao bởi ác photoelectron này được gia tốc bởi điện trường giữa cac đynot và mỗi lần đập vào một đynot lại tạo ra electron thứ cấp, sau mỗi lần đập vào một đynot thì số electron được nhân lên 2-5 lần (a = 2-5). Kết quả là sau khi đập vào n đynot chùm electron được tăng lên M lần. M=(aV)n , M gọi là hệ số nhân của ống nhân quang điện.[4] 2.1.1.2. Detector bán dẫn Germanium siêu tinh khiết Để ghi phổ gamma với chất lượng cao hiện nay ta thường dùng detector bán dẫn làm bằng Ge siêu tinh khiết. Khi lượng tử gamma bay vào chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên các electron tự do thông qua ba hiệu ứng chủ yếu. Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại lỗ trống. Như vậy thông qua các hiệu ứng tương tác, bức xạ gamma đã tạo nên một loạt các electron và lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Dưới tác động của điện trường các electron sẽ chuyển động về cực dương, các lỗ trống sẽ chuyển động về cực âm, kết quả ta có một xung dòng điện ở lối ra. Năng lượng cần th e là 2,96 eV.[4] Nếu năng lượng của tia gamma là E thì số cặp electron-lỗ trống mà nó tạo ra được trong Ge là đynot. Một điện áp cao được đặt giữa catot va anot một bộ chia thế. Tia sáng phát ra từ tinh thể nhấp nháy đập vào photocatot sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện và cho ra các photoelectron. C iết để tạo ra một cặp electron- lỗ trống trong G /E  với 2,96eV  .  Phân loại:[4] a. Detector HPGe loại P kiểu đồng trục: Khi sử dụng phải đặt điện áp cao, dương khoảng 2-5 để kéo các cặp electron- lỗ trống tạo ra. Loại này hiệu suất giảm nhiều ở năng lượng tia gamma thấp (<100keV). KV b. Detector HPGe loại n kiểu đồng trục. Khi sử dụng cần đặt cao áp âm. Loại này hiệu suất ít bị giảm hơn ở năng lượng thấp. c. Detector HPGe hình giếng: Loại này có hiệu suất hình học cao nên thích hợp cho các phép đo hoạt độ nhỏ. Độ phân giải năng lượng có kém đôi chút do đặc điểm cấu tạo. d. Detector phẳng (plana): Có độ phân giải tốt nhưng hiệu suất giảm nhanh ở năng lượng cao nên chỉ thích hợp để đo ở vùng năng lượng thấp. 2.1.2. Độ phân giải năng lượng của detector là tỷ số của (FWHM) và vị trí đỉnh H0. Độ phân giải năng lượng ại bỏ. Các đặ._.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfLA7408.pdf