báo cáo tiểu luận phân tích hạt nhân phóng xạ

Phương pháp tuyệt đối Dùng xác định tốc độ phân rã của hạt nhân phóng xạ bằng cách tính toán giá trị hiệu suất thực tế , thông qua việc đánh giá các thông số của nó.. Tổng số đếm Sự gia

Phân tích hạt nhân

phóng xạ

clove r

Phần cuối cùng của một phân tích hóa học phóng xạ là xác định hoạt

độ phóng xạ của một hạt cô lập Sự xác định này bao gồm 3 lý do:

3

Xác định xem liệu các sản phẩm hóa học riêng biệt có thuộc tính nào của sản phẩm

dự kiến không?

4

74As hay 76As

Xác định xem liệu các sản phẩm hóa học riêng biệt của Asen có thuộc tính nào của hai sản phẩm dự kiến là 74As hay

76As không?

1 Phân tích định tính

5

Việc lựa chọn một phản ứng hạt nhân có thể sinh ra một hạt nhân phóng xạ dễ dàng hơn, hoặc làm giảm sự can thiệp của các yếu tố khác.

• Phản ứng (n,γ) cho sản phẩm tương ứng là 76As chu kì bán rã 26.5 giờ (bị phân rã bởi sự phát xạ của các hạt β-

và tia γ)

• Phản ứng (γ,n) cho sản phẩm 74As chu kì bán rã 18 ngày (bị phân rã bởi sự phát xạ của các hạt β+ , β- và bức xạ γ)

1 Phân tích định tính

6

Các thuộc tính của hạt nhân phóng xạ xác định danh tính của nó trong phân tích hóa học phóng xạ :

1 Phương pháp sản xuất của nó

2 Tính chất hóa học của một đồng vị trong mẫu mà ta quan tâm

3 Chu kì bán rã của nguyên tố ấy

4 Các loại bức xạ nguyên tố đó có thể phát ra

5 Năng lượng của các tia phóng xạ

6 Phân chia tia phóng xạ theo loại và theo năng lượng

1 Phân tích định tính

7

 Phân tích phổ tia gamma (phương pháp này được áp dụng cho cả trường

hợp mẫu không tách biệt về mặt hóa học)

2 Hiệu chuẩn định lượng

vị thời gian :

( 46 )

 Việc xác định định lượng hạt nhân phóng xạ trở thành việc xác định tốc độ phân rã D của hạt nhân từ tốc độ ghi nhận bởi detector và hiệu suất ghi є:

A = є D (47)

dN

9

Phương pháp tương đối

2 Hiệu chuẩn định lượng

10

2.1 Phương pháp tương đối

+ Phương pháp tương đối đòi hỏi một nguồn phóng xạ chuẩn, tức là ta đã biết chính xác tốc độ phân rã

+ Nếu mẫu không rõ (u) được thực hiện với các điều kiện giống hệt với nguồn chuẩn (s) thì tỷ số các tốc độ phân rã bằng với tỷ số các tốc độ đếm vì hiệu suất cho hai nguồn giống nhau.

( 48 ) Hoặc

4π, trong đó hai nguồn bằng nhau

theo tỷ lệ được đặt trên một bộ

phim siêu mỏng đạt được hiệu suất

lên tới > 99.5%, do đó tốc độ phân

rã bằng tốc độ đếm

Với những hạt nhân phóng xạ phát nhiều loại bức xạ.Trong máy đếm trùng phùng, hai detector được sử dụng, độ nhạy của detector khác nhau với các hạt bức xạ khác nhau, vd, ống đếm tỷ lệ dùng ghi nhận tia β, detector nhấp nháy dùng ghi nhận tia γ

2.1 Phương pháp tương đối

12

Phân rã điện tử chuyển đổi

Thời gian hao phí

Một số điều chỉnh là cần thiết :

2.1 Phương pháp tương đối

13

Hình 6.5: Biểu đồ sơ lược của hệ thống đếm hiện tượng trùng phùng

Bêta-Gamma2.1 Phương pháp tương đối

14

2.1 Phương pháp tương đối

2.2 Phương pháp tuyệt đối

Dùng xác định tốc độ phân rã của hạt nhân phóng xạ bằng cách tính toán giá trị hiệu suất thực tế , thông qua việc đánh giá các thông số của nó

Fc là yếu tố cho hiệu lực của bất kì tài liệu nào, gồm các mẫu với bộ phim

mỏng bảo vệ (ví dụ, giấy bóng kính…)Fđếm của các vật liệu hỗ trợ nguồn.b là các yếu tố hiệu dụng tán xạ ngược của electron di chuyển ra khỏi ống

Fn là yếu tố cho hiệu quả của các máy đếm hỗ trợ và lá chắn tán xạ electron

từ bên ngoài vào các góc hình học rắn trong máy đếmFs là yếu tố cho sự tự hấp thụ hay tự tán xạ của nguồn

16

3 Sự nhấp nháy quang phổ tia gamma

tử, mỗi số đếm chỉ những xung trong dải thu hẹp chiều cao xung

Đo bức xạ gamma có thể thực hiện bằng 3 cách :

Chỉ đếm những đỉnh cao xung rơi giữa 2 giá trị quy định được đếm

Máy đếm đơn kênh

Quang phổ tia gamma được sử dụng để giải quyết các tia gamma phát ra

Tổng số đếm

Sự gia tăng tốc độ đếm với tăng hiệu điện thế đặt vào trong ống đếm chứa khí xác định vùng plateau, trong detector nhấp nháy được gọi là “phổ tích phân” đó là một đặc tính của những nguồn phóng xạ phát ra tia gamma

Hình 6.6: Tích phân phổ của 85 Sr

18

Tổng số đếm

Tại điện 900V, hiệu suất cho tổng số đếm của một số hạt nhân phóng xạ được thể hiện trong hình 6.7 Hiệu suất toàn phần cho ống đếm NaI (Tl) 3x3 in khoảng 80% trở lên ở năng lượng 0,2 MeV và khoảng 40% ở năng lượng lớn hơn 2MeV

Hình 6.7: Hiệu suất đếm của detector nhấp nháy NaI (Tl) 3 x3 in

(a): Tổng số đếm với thiết lập cơ

sở ở 0,51 Mev.

(b): Việc đếm đỉnh phổ

19

Máy phân tích đơn kênh

Máy phân tích đơn kênh là ống đếm tia gamma cho tách hóa học hoặc đánh dấu nguồn phóng xạ Đặc điểm của máy phân tích đơn kênh:

được

cao tối đa xung chấp nhận được

Hình 6.8: Phổ khác nhau

của 85Sr trong một detector

nhấp nháy NaI (Tl)

3x3inchs được chế tạo với

cửa sổ phân tích xung cao

đơn năng 0,2 V

20

Nguồn Thời gian bán rã Năng lượng Gamma

(Mev)

Số Gamma trên một phân rã

Năng lượng Bêta (Mev) Cách xác định tốc độ phân rã

Máy phân tích đa kênh

• Máy phân tích đa kênh được sử dụng để xác định phổ (năng lượng

và cường độ của các tia gamma phát ra từ một hỗn hợp của hạt nhân phóng xạ)

• Mỗi hạt nhân phóng xạ phát ra tia gamma tạo thành một phổ

gamma đặc trưng trong một hệ thống detector nhấp nháy

Phổ đặc trưng

Bảng 6.8: Độ giảm photon và nguồn gốc của đỉnh trong phổ xung cao.

Độ giảm năng lượng

0,51MeV Quá trình tạo cặp và giảm một photon E – 0,51 Đỉnh tạo cặp đầu tiên1.02 MeV Quá trình tạo cặp và giảm hai photon E – 1,02 Đỉnh tạo cặp thứ haiE’ = E/(1+2) Tán xạ Compton (180 0 ) Ece = E/(1+1/2) Giới hạn Compton

E’ tới E Tán xạ Compton một lần Ece tới 0 Một phân bố

Compton

0 tới E Tán xạ Compton nhiều lần E tới 0 Nhiều phân bố Compton

Ek = 29 keV Tia X vạch K của Iot E – Ek Đỉnh giảm của

Iot

E, với E’ giật lùi Tán xạ Compton ngoài (1800) E’ = E/(1+2) Đỉnh tán xạ ngược

23

Phổ đặc trưng

Hình 6.9: Phổ Gamma của 24Na thời gian bán rã 15 giờ

24

25

Phổ đặc trưng

Hiệu ứng trùng phùng của các tương tác

Sự hủy của quá trình tạo cặp positron

Sự hấp thụ bức xạ beta Tán xạ từ detector và vật liệu che chắn

Sự mất mát của tia X đặc trưng

Phổ có thể bị nhiễu loạn bởi các hiệu ứng từ môi trường phát hiện :

26

Đỉnh thoát tia X khỏi vạch K của Iot

• Các tia gamma với năng lượng khoảng dưới 150 keV tương tác với NaI (Tl) chủ yếu là hiệu ứng quang điện

• Tia X đặc trưng vạch K của Iốt với năng lượng 29 keV Nếu tương tác xảy ra gần bề mặt của tinh thể, các tia X có thể thoát ra ngoài

mà không có tương tác trong tinh thể → tia gamma bị hấp thụ, nhưng năng lượng còn lại trong detector là (Eγ – 29 keV)

• Do đó, kết quả đỉnh giảm năng lượng tia gamma trong phổ gamma.

• Hiệu ứng này được minh họa trong phổ của 61Co (thời gian bán rã

99 phút) (Eγ = 0,068 MeV)

27

Hình 6.10: Tia X vạch K của Iot trong phổ xung cao của 61Co

(thời gian bán rã 99 phút)

Đỉnh thoát tia X khỏi vạch K của Iot

28

Tán xạ ngược

Hình 6.11: Hiệu ứng che chắn detector của thành phần tán xạ trong phổ

xung cao với tia Gamma thu được có năng lượng 0.835 MeV

29

Miền liên tục của tia Bêta Trong thành phần phổ Bêta có các đỉnh của phổ gamma bị che khuất

Hình 6.12: Phổ xung cao của 92Y

Một số đỉnh quan sát được trong phổ tia gamma bởi :

Tốc độ đếm của đỉnh tổng hợp Ns được xác định bởi công thức:

Hiệu ứng chồng chất

Hình 6.13: Tác dụng của tốc độ đếm trong sự

tăng cường của đỉnh hỗn hợp32

Hiệu ứng chồng chất

• Một số hạt nhân phóng xạ phát ra hai hay nhiều tia gamma trong

từng phân rã bêta Nếu các tia gamma phát ra đồng thời, toàn bộ năng lượng của chúng sẽ xuất hiện như một đỉnh tổng hợp trong phổ

• Tốc độ đếm của đỉnh tổng hợp được xác định bởi công thức sau:

0 1 2W

C

N  N  

Trong đó: + N0 là tốc độ đếm tia gamma phát ra từ nguồn

+ 1 và 2 là hiệu suất phát hiện tương đối của hai tia gamma

+ W là hệ số hiệu chỉnh

( 56 )

33

Hiệu ứng chồng chất

Hình 6.14: Phổ của nhiều hiện tượng trùng phùng thu được trong phổ xung cao của 94Nb (thời gian bán rã 2.104 năm)

34

+ Hiệu điện thế đặt vào

Với máy phân tích đa kênh, việc xác định định lượng phổ gamma cho nhiều kết quả với hiệu suất khác nhau

( 57 )

35

Xác định định lượng phổ gamma

• Hiệu suất phát hiện T(E) được xác định là thương số của tia gamma phát ra từ

nguồn (cái mà tương tác với detector) và giá trị đã biết của tiết diện hấp thụ tia gamma τ (E) của detector nhấp nháy (NaI).

• Một nguồn điểm phóng xạ nằm trên trục của detector, hiệu suất của detector là:

Xác định định lượng phổ gamma

Hình 6.15: Hiệu suất của detector được tính cho một nguồn điểm

và một nguồn đĩa của bức xạ và một detector hình trụ

37

Xác định định lượng phổ gamma

+ Hiệu suất của đỉnh phổ p được xác định là xác suất mà năng lượng E của tia gamma phát ra từ nguồn

sẽ xuất hiện trong đỉnh phổ của phổ xung cao được quan sát

+ Phương pháp gián tiếp để đo hiệu suất của đỉnh phổ dựa vào công thức :

Xác định định lượng phổ gamma

Hình 6.16: Việc xác định NP trong phương pháp tỷ số cho việc đánh giá

hiệu suất đỉnh phổ của 54Mn (thời gian bán rã 300 ngày)

39

Hình 6.17: Không gian ba chiều của đường đặc trưng bức xạ

gamma đơn năng khi dùng detector NaI 3 x 3 in

Xác định định lượng phổ gamma

40

4 Electron biến hoán và phổ tia gamma trong chất bán dẫn

• Thành phần sử dụng đầu tiên trong vùng nghèo của detector bán đẫn là các hạt mang điện nặng như mảnh phân hạch hay hạt alpha có độ ion hóa riêng.

• Detector Li với vùng nhạy rộng hơn 1 cm được dùng cho electron biến hoán và phổ tia gamma.

• Phổ năng lượng liên tục của tia beta là phổ tia beta được xác định và đo từ hỗn hợp hạt nhân phát beta với

độ phân giải của detector bán dẫn

• Khả năng phân giải năng lượng của chất bán dẫn cho phép electron biến hoán từ hạt nhân cho trước.

41

Hình 6.18: Phổ electron biến hoán của 207 Bi, sử dụng

detector Ge (Li) p-i-n ở nhiệt độ Nitơ lỏng

4 Electron biến hoán và phổ tia gamma trong chất bán dẫn

42

Hình 6.19: Hệ số hấp thụ riêng và hiệu suất hấp thụ

toàn phần của tia gamma trong Ge

4 Electron biến hoán và phổ tia gamma trong chất bán dẫn

43

Hình 6.20: Phổ Gamma của 137Cs khi sử dụng detector bán dẫn Ge (Li)

đường kính 2,5 cm và sâu 3,5 mm

4 Electron biến hoán và phổ tia gamma trong chất bán dẫn

44

Hình 6.21: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần cho hai kích thước của

detector Ge (Li)

4 Electron biến hoán và phổ tia gamma trong chất bán dẫn

45

5 Đặc điểm phổ tia X

Tia X đặc trưng

Hiệu ứng chuyển tiếp của các lớp vỏ điện tử phía ngoài

Quá trình biến hoán nội Quá trình

Bảng 6.9: Sản phẩm kích hoạt neutron phát ra tia X.

Nguyên tố Sản phẩm EC (%) E (tia X) (kev)

Bảng 6.9: Sản phẩm kích hoạt neutron phát ra tia X.

Hình 6.22: Phổ tia X tỷ lệ với thời gian chiếu xạ khoảng 7 đến 10 phút của (a)

0,5 μg Br; (b) 100 μg Na; (c) 100 μg Na + 0,5 μg Br

5 Đặc điểm phổ tia X

49

50