Nâng cao độ chính xác, ổn định cho thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.4: Cấu trúc phổ lý tưởng của tia gamma theo các hiệu ứng: a quang Hình 1.5: Sơ đồ khối của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường 17 Hình 1.7: H

-

Nguyễn Thị Minh

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO

PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Đặng Quang Thiệu

Hà Nội - 2014

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này là kết quả của quá trình học tập trong suốt hai năm tại trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội và quá trình làm luận văn của bản thân tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân – Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Đặng Quang Thiệu - Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức chuyên ngành và hướng dẫn em hoàn thành bản luận văn này

Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Th.S Nguyễn Thị Bảo Mỹ - Viện

Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, đã nhiệt tình giúp đỡ và chỉ bảo thêm về kiến thức chuyên ngành trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài này

Em cũng xin cảm ơn các thầy cô đã giảng dạy lớp cao học khóa 2011

- 2013, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Vật lý hạt nhân - Trường Đại học Khoa học tự nhiên đã tận tình dạy dỗ, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại trường

Em cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã bên cạnh em, động viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề tài này

Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của thầy cô và bạn bè

Hà Nội, tháng 03 năm 2014

Học viên

Nguyễn Thị Minh

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG 8

1.1 Nhu cầu thực tiễn 8

1.2 Cơ sở lý thuyết 10

1.2.1 Hiệu ứng quang điện 10

1.2.2 Hiệu ứng Compton 12

1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp electron - positron 13

1.2.4 Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất 14

1.2.5 Cấu trúc phổ gamma 15

1.3 Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường 17

1.3.1 Đầu dò chứa khí 19

a) Buồng ion hóa 22

b) Ống đếm tỉ lệ 22

c) Ống đếm Geiger-Muller (G-M) 22

1.3.2 Đầu dò bán dẫn 23

1.3.3 Đầu dò nhấp nháy 25

CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) 26

2.1 Đầu dò nhấp nháy 26

2.1.1 Chất nhấp nháy vô cơ 26

2.1.2 Chất nhấp nháy hữu cơ 27

2.2 Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 29

2.2.1 Đặc điểm cấu tạo 29

2.2.2 Sự hình thành xung lối ra 33

2.3 Sử dụng phương pháp chuyển phổ thành liều với đầu dò NaI(Tl) 36 CHƯƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ40

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu dò NaI(Tl) 40

3.1.1 Ảnh hưởng của việc xác định đỉnh 40

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 40

3.2 Nâng cao độ chính xác 41

3.2.1 Làm trơn phổ 42

3.2.2 Xác định đỉnh 44

3.2.3 Chuyển phổ thành liều 49

3.3 Nâng cao độ ổn định 51

3.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đỉnh phổ K-40 51

3.3.2 Bù nhiệt độ cho thiết bị 53

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.4: Cấu trúc phổ lý tưởng của tia gamma theo các hiệu ứng: a) quang

Hình 1.5: Sơ đồ khối của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

17

Hình 1.7: Hình một thiết bị đo bức xạ đặt tại một trạm quan trắc của Nhật

Hình 1.8: Các hiện tượng xảy ra với cặp ion dương và điện tử trong một điện

cực hình trụ với cùng một cường độ bức xạ khi hiệu điện thế thay

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hệ số suy giảm của tinh thể NaI(Tl) vào năng

Hình 2.2: Lý thuyết và thực nghiệm phổ tia gamma gây ra bởi sự tương tác

Hình 3.1: Sơ đồ quá trình nâng cao độ chính xác cho thiết bị quan trắc và

Hình 3.4: Số liệu thu được biểu diễn theo thang log 47

MỞ ĐẦU

Ngày nay, năng lượng nguyên tử đang dần trở thành nguồn năng lượng chính thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt Không chỉ vậy, việc sử dụng nguồn năng lượng hạt nhân còn là cách để giảm thiểu lượng khí thải CO2, một trong những nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính và sự nóng lên của trái đất Không những vậy, các bức xạ hạt nhân còn

được sử dụng rộng dãi trong nhiều lĩnh vực khác như y tế, khoa học, quân

sự… đem lại lợi ích to lớn đối với đời sống của chúng ta

Tuy nhiên, năng lượng nguyên tử cũng tiềm ẩn những nguy hiểm đối với con người Thực tế, chúng ta cũng đã từng chứng kiến ảnh hưởng nghiêm trọng của chúng trong vụ nổ bom nguyên tử ở Tokyo và Hirosima, vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Chernobyl và gần đây là nhà máy điện hạt nhân Fukushima Chính vì vậy, yêu cầu đặt ra đối với các nhà môi trường và các nhà quản lý là phải kiểm soát được liều lượng phóng xạ trong môi trường để

có những biện pháp ứng phó kịp thời với các sự cố liên quan tới phóng xạ hạt nhân

Các thiết bị quan trắc môi trường và cảnh báo phóng xạ là công cụ chính để các nhà quản lý và các nhà môi trường theo dõi và kiểm soát ô nhiễm phóng xạ Vì thế hầu hết các nước đều quan tâm tới việc xây dựng các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường Hiện nay, Nhật Bản đã có

37 trạm quan trắc, Hàn Quốc có 13 trạm, Ấn Độ có 16 trạm,… Tại Việt Nam, chúng ta cũng đã có 3 trạm quan trắc phóng xạ môi trường tại Viện Khoa học

và kỹ thuật hạt nhân, Viện Nghiên cứu hạt nhân thuộc Viện Năng lượng nguyên tử, Trung tâm Công nghệ xử lý môi trường (Bộ Quốc phòng)

Qua thực tế hoạt động, các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường của nước ta đã bộc lộ nhiều hạn chế như: chưa đồng bộ, khả năng thu thập và phân tích chưa đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu về tính liên tục, độ nhạy theo tiêu chuẩn quốc tế Ngoài ra các trạm này chưa có chức năng cảnh báo trực tuyến về các sự cố rò rỉ để phục vụ cho việc ứng phó với các trường hợp khẩn cấp

Nắm được vai trò quan trọng của các trạm quan trắc và cảnh báo phóng

xạ môi trường, Viện Năng lượng nguyên tử đã giao cho Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân nghiên cứu và xây dựng thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng

xạ môi trường Qua quá trình nghiên cứu và triển khai đo đạc thực nghiệm, thì bài toán được đặt ra cho các nhà nghiên cứu là làm thế nào để có thể nâng cao

được độ chính xác và ổn định cho thiết bị hơn nữa khi đo đạc trong các điều

kiện môi trường khác nhau

Luận văn này được thực hiện với mục tiêu nâng cao độ chính xác, tính

ổn định của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường Trong đó sử

dụng phương pháp JAERI, phương pháp chuyển phổ thành liều dùng hàm G(E), và ổn định phổ bằng phương pháp bù nhiệt độ và ghim đỉnh K-40 Luận văn gồm 3 chương với nội dung chính như sau:

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò, nguyên lý và cấu tạo của thiết

bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

Chương 2 nghiên cứu về đầu dò nhấp nháy và các phương pháp đo số liệu sử dụng loại đầu dò này

Chương 3 đề xuất phương pháp nâng cao độ chính xác và tính ổn định cho thiết bị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN

TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG

1.1 Nhu cầu thực tiễn

Trong môi trường sống của chúng ta tồn tại rất nhiều các tác nhân phóng xạ Các chất này có thể được hình thành từ nguồn gốc tự nhiên trong quá trình hình thành trái đất hoặc do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất trên trái đất Ngoài ra còn có những tác nhân có nguồn gốc nhân tạo được sinh

ra khi con người bắt đầu sử dụng các phản ứng hạt nhân, tia phóng xạ để phục

vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như y tế, nghiên cứu, năng lượng,…

Theo thống kê, có khoảng hơn 60 các nhân phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên Các hạt nhân phóng xạ này chủ yếu nằm trong chuỗi phản ứng hạt nhân của các nhân tố chính như: Urani, Thori, Radi, Kali-40… Trong đó, các hạt nhân phóng xạ phổ biến là: Radi-226, Thori-232, Kali-40…

Các hạt nhân phóng xạ này thường tồn tại trong môi trường và tạo ra các tia phóng xạ tác động lên các sinh vật sống cũng như cơ thể con người gây ra những ảnh hưởng từ bên ngoài với cơ thể con người Ngoài ra, một số hạt nhân có thể đi vào cơ thể sinh vật sống thông qua đường thức ăn, nước uống, không khí và do đó tạo ra các tia phóng xạ từ bên trong, ảnh hưởng trực tiếp đến các bộ phận bên trong của cơ thể sinh vật cũng như con người [8]

Các tia phóng xạ này với liều lượng khác nhau có ảnh hưởng với mức

độ khác nhau Ngoài ra, các loại bức xạ khác nhau (α, β, γ) do có độ xuyên sâu khác nhau nên cũng có mức độ ảnh hưởng khác nhau Để đánh giá mức

độ ảnh hưởng của các tia phóng xạ lên cơ thể con người, người ta đưa ra khái

niệm suất liều phóng xạ (đơn vị là Sv/h) là liều bức xạ ion hóa (Sv) trên một

đơn vị thời gian

Xét trong một khoảng thời gian ngắn, khi ta bỏ qua yếu tố thời gian, thì

cơ thể con người sẽ có những biểu hiện khác nhau với các mức độ nhiễm xạ khác nhau như sau:

-Khoảng 0.2 Sv: Không có biểu hiện bệnh lý gì

-Khoảng 0.5 Sv: Giảm cầu lympho trong máu

-Khoảng 3 Sv: Rụng tóc

-Khoảng 10 Sv: Gần như 100% tử vong

Mặc dù, với các mức độ nhiễm xạ nhỏ không gây ra những biểu hiện bệnh lý ngay, nhưng do các tia phóng xạ có thể gây ra những biến đổi trong tế bào, dẫn đến đột biến gen là nguyên nhân gây ra ung thư ở tất cả các bộ phận trong cơ thể Vì thế, các tia phóng xạ có ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe và tính mạng của con người Điều này càng trở nên nghiêm trọng hơn khi các tế bào sinh sản bị tác động vào

Vì vậy, người ta đặt ra tiêu chuẩn an toàn bức xạ suất liều giới hạn cho phép để đảm bảo an toàn cho sức khỏe của người dân Theo tiêu chuẩn này thì mỗi suất liều cho phép với dân chúng là 1mSv/năm; suất liều cho phép đối với nhân viên làm việc với bức xạ là 20mSv/năm (lấy trung bình trong 5 năm)

Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới, các bức xạ hạt nhân được

sử dụng khá phổ biến trong y tế (chủ yếu là dưới dạng X quang) và trong các

ứng dụng kỹ thuật hạt nhân khác Ngoài ra, chúng ta còn sử dụng năng lượng

hạt nhân như là một nguồn năng lượng chính để thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt Do đó, nhu cầu đặt ra là phải có các thiết

bị đo suất liều phóng xạ để theo dõi, kiểm soát mức độ phóng xạ trong môi trường và đưa ra những cảnh báo để chúng ta có thể kịp thời xử lý các sự cố

liên quan tới rò rỉ bức xạ hạt nhân Thiết bị này còn được gọi là thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

Các thiết bị này đã được các nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, … nghiên cứu, chế tạo và sử dụng trong các cơ sở sử dụng bức xạ hạt nhân của họ từ lâu Tuy nhiên, bài toán nâng cao độ chính xác và

ổn định cho thiết bị vẫn là một vấn đề được các nhà khoa học trên thế giới

quan tâm

1.2 Cơ sở lý thuyết

Để hiểu rõ về nguyên tắc hoạt động của các thiết bị quan trắc và cảnh

báo phóng xạ môi trường, ta cần phải hiểu về tương tác của các tia phóng xạ với vật chất Từ đó ta có thể đưa ra các phương pháp khác nhau để xác định

được suất liều phóng xạ trong môi trường Nếu bỏ qua các tương tác hạt nhân

thì tia gamma tương tác với vật chất qua các hiệu ứng chính sau: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp electron - positron

1.2.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và

điện tử liên kết với hạt nhân, trong quá trình này toàn bộ năng lượng của

lượng tử gamma được truyền cho điện tử

Trong đó: Te là động năng của electron phát ra photo electron

Eγ là năng lượng của lượng tử gamma

Ii là năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i trong hạt nhân

Khi Eγ< IK thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, M và không thể xảy ra trên lớp vỏ K, khi Eγ< IL hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy

ra trên lớp vỏ M, N và không thể xảy ra trên lớp K, L, …

Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các điện tử tự do - các điện

tử không liên kết với hạt nhân Năng lượng liên kết của điện tử với nguyên tử càng nhỏ so với năng lượng của lượng tử gamma thì xác suất hiệu ứng quang

điện càng nhỏ

Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt quá năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp vỏ trong cùng Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm E-3 Xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo khi E ≥ EK với EK là năng lượng liên kết của electron trên lớp K, tuân theo quy luật E-7/2 Nhưng khi E >> EK thì xác suất tổng cộng lại tuân theo quy luật E-1 [2]

Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện phụ thuộc vào Z theo qui luật Z5 Như vậy tiết diện quang điện:

5

Z E

σ = (Khi≥ EK)

5 photon

Z E

σ = (Khi E >> EK)

(1.2)

Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay

cả ở vùng năng lượng cao còn đối với các nguyên tử nhẹ hiệu ứng quang điện chủ yếu chỉ xảy ra ở vùng năng lượng thấp

Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, một electron bị bứt ra khỏi một lớp nào đó của nguyên tử sẽ để lại một lỗ trống Lỗ trống này sẽ được một electron từ các lớp ngoài của nguyên tử chuyển xuống chiếm chỗ Quá trình này dẫn tới làm phát các tia X đặc trưng hay các electron Auger

1.2.2 Hiệu ứng Compton

Hình 1.1: Mô hình tán xạ Compton Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma tán xạ đàn hồi lên một electron quỹ đạo ngoài của nguyên tử Lượng tử gamma thay đổi phương bay

và bị mất một phần năng lượng, còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên

tử Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình tán xạ đàn hồi của gamma lên electron tự do Công thức tính năng lượng của lượng tử gamma bị tán xạ với góc θ như sau [2]:

,

2/ 1 hv 1 cos

lượng lớn nhất cho electron khi bay ra ở góc 1800, tương ứng với tán xạ

ngược Góc bay ra của gamma tán xạ có thể thay đổi từ 00 đến 1800, trong lúc electron chủ yếu bay về phía trước, nghĩa là góc bay của nó thay đổi từ 00 đến

Trong tán xạ thì electron sau tán xạ tiêu tán động năng của nó theo cơ chế kích thích, ion hoá môi trường một cách trực tiếp như hạt beta

1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp electron - positron

Khi tia gamma có năng lượng rất cao (Eγ> E0) cùng với hiệu ứng quang

điện và hiệu ứng Compton, trong quá trình tương tác của gamma với vật chất

còn xảy ra hiện tượng tạo cặp electron-positron [2] Quá trình tạo cặp không thể xảy ra trong chân không, mà đòi hỏi phải ở lân cận hạt nhân hoặc điện tử, khi không có mặt của hạt nhân hoặc electron, quá trình tạo cặp của lượng tử gamma không thể xảy ra

Hình 1.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ Như vậy, năng lượng ngưỡng

E0 để xảy ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối

lượng nghỉ của electron:

Tiết diện tạo cặp electron - positron trong trường Coulomb của điện tử

bé hơn tiết diện hình thành cặp trong trường của hạt nhân cỡ 103 lần Biểu thức cho tiết diện tạo cặp trong trường hạt nhân khá phức tạp Trong miền năng lượng 5mec2< E <50mec2, tiết diện tạo cặp có dạng: σpair ~ Z2.ln(E) Theo công thức, tiết diện tạo cặp electron - positron gần như tỉ lệ với Z2 nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ có số nguyên tử lớn

1.2.4 Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất

Như đã trình bày trên, khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng chính xảy ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron - positron Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá trình này bằng [11]:

σ = σphoton + σcompton + σpair (1.7) Trong đó tiết diện quá trình quang điện là σphoton ~

5 7/2

Từ sự phụ thuộc các tiết diện vào năng lượng E của tia gamma và điện tích Z của vật chất như trên, suy ra rằng ta có thể chia thành 3 miền năng lượng đặc trưng bởi các cơ chế tương tác khác nhau Trong miền năng lượng

E < E1, cơ chế cơ bản trong tương tác gamma với vật chất là quá trình quang

điện, trong miền năng lượng trung gian E1< E < E2 cơ chế chính là quá trình tán xạ Compton chiếm ưu thế, còn trong miền năng lượng cao E > E2 là quá trình tạo cặp electron - positron Các giá trị năng lượng phân giới E1 , E2 phụ thuộc vào từng môi trường vật chất

1.2.5 Cấu trúc phổ gamma

Hình 1.4: Cấu trúc phổ lý tưởng của tia gamma theo các hiệu ứng: a) quang điện; b)

tạo cặp; c) Compton, d) phổ thực [1]

Để đơn giản, ta xét trường hợp tia gamma đi đến đầu dò có giá trị năng

lượng E0 Theo hiệu ứng quang điện, năng lượng này biến thành động năng của photo electron hoặc các electron Auger và bị hấp thụ ngay trong đầu dò Kết quả là tất cả năng lượng E0 của photon bị hấp thụ trong đầu dò tạo nên xung điện, mà xung này có biên độ tỉ lệ với năng lượng E0 và tạo nên một

đỉnh trong phổ gamma Đỉnh này được gọi là đỉnh quang điện hay đỉnh hấp

thụ toàn phần Với phổ kế lí tưởng, phổ năng lượng tương ứng với đỉnh quang

điện được biểu diễn bằng một vạch thẳng đứng như hình vẽ Khi các tia

gamma đơn năng E0 gây nên tán xạ Compton với vật chất, thì các electron tán

xạ có động năng Ec phân bố liên tục từ giá trị 0 đến giá trị cực đại: Emax =

Giới hạn cực đại của phổ năng lượng liên tục gọi là mép Compton

Phần năng lượng E0 - Ec của các electron tán xạ có thể bị hấp thụ do các quá trình khác nhau và đóng góp vào sự hình thành xung điện Ngoài ra trên hình còn có thể xuất hiện một đỉnh rất nhỏ nằm ở vùng năng lượng thấp, do tán xạ

ngược của các lượng tử gamma với lớp bảo vệ hay môi trường xung quanh

đầu dò Năng lượng Eng của tán xạ ngược liên quan với năng lượng E0 của photon tới và góc tán xạθ theo công thức:

Khi θ = π thì 0

1 2

ng

E E

dương +1e) Positron khi dừng lại có thể kết hợp với 1 electron nào đó để tự

huỷ và sinh ra hai photon với năng lượng 0.511 MeV Các photon này có thể

bị hấp thụ trong đầu dò bởi các quá trình đã biết Do đó, trên phổ ứng với quá trình tạo cặp cũng xuất hiện một đỉnh hấp thụ toàn phần Ngoài ra có khả năng một hoặc hai photon thứ cấp bay khỏi đầu dò Vì thế trên phổ hình thành thêm hai đỉnh tương ứng với thoát đơn và thoát đôi ứng với năng lượng E0 - 0.511MeV và E0 - 1.022MeV

Ở trên ta đã xét riêng lẻ từng hiệu ứng của tia gamma khi đi vào đầu dò

tương ứng với các đường phổ hình thành, nhưng trong thực tế cả ba hiệu ứng nêu trên xảy ra một cách đồng thời, vì thế phổ năng lượng của gamma thu

được có dạng phức tạp hơn, là sự chồng chất của cả ba hiệu ứng Ngoài ra

trong thực tế chùm gamma là không đơn năng và hệ thống không phải là lí tưởng, do đó phổ năng lượng gamma thực tế có phân bố như hình d Độ rộng của đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với độ rộng nửa chiều cao của đỉnh (FWHM) gọi là độ phân giải của đầu dò

1.3 Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường được sử dụng với mục đích đo đạc, theo dõi, kiểm soát và cảnh báo về các sự cố liên quan tới rò

rỉ phóng xạ Qua đó đưa ra những biện pháp xử lý kịp thời nhằm hạn chế ảnh hưởng xấu đối với sức khỏe của người dân cũng như của các nhân viên làm việc trong các cơ quan nghiên cứu, ứng dụng liên quan tới kỹ thuật hạt nhân

Một thiết bị như vậy có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính: đầu dò, khối xử

lý trung tâm và khối hiển thị (Hình 1.5) Trong đó, đầu dò biến đổi các tín hiệu phóng xạ thành tín hiệu điện để đưa vào xử lý ở khối xử lý trung tâm rồi

đưa ra hiển thị để cho người sử dụng đọc số liệu

Hình 1.5: Sơ đồ khối của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

Đây là cấu tạo chung của một thiết bị đo vật lý Tuy nhiên, điểm khác

biệt giữa các loại thiết bị này là đầu dò và phương pháp tính toán xử lý số liệu

đối với mỗi đại lượng nhất định Không những vậy, đầu dò còn là bộ phận đóng vai trò quan trọng quyết định độ nhạy và khả năng thu nhận tín hiệu

Trong đó, có 3 loại đầu dò chính (phân loại dựa trên nguyên tắc hoạt động của chúng): đầu dò chứa khí, đầu dò bán dẫn, đầu dò nhấp nháy Mỗi loại đầu dò này có đặc điểm riêng, phù hợp với dải đo, yêu cầu khác nhau

Với cấu tạo như vậy, các thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường sử dụng trong những mục đích khác nhau có thể có kích thước khác nhau rất nhiều Ví dụ như các thiết bị quan trắc cá nhân, di động có kích thước rất nhỏ, có thể dễ dàng mang theo (Hình 1.6) trong khi một số trạm đo chuyên dụng lại có kích thước tương đối lớn (Hình 1.7) chứa nhiều thiết bị để

có thể phân tích chi tiết nhiều thông số khác nhau

Hình 1.6: Một số thiết bị đo bức xạ cầm tay

Hình 1.7: Hình một thiết bị đo bức xạ đặt tại một trạm quan trắc của Nhật Bản

Để hiểu sâu hơn về cấu tạo của thiết bị này và có thể chọn ra được các

loại đầu dò phù hợp cho từng mục đích sử dụng khác nhau, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về nguyên tắc của từng loại đầu dò

1.3.1 Đầu dò chứa khí

Đầu dò chứa khí thường là các tụ phẳng hoặc tụ hình trụ, có chất điện

môi là khí Giữa hai bản cực của tụ được nuôi bằng một hiệu điện thế cao tạo nên một cường độ điện trường giữa 2 bản cực, khi một hạt ion hóa (α, β, các hạt nặng) đi vào không gian của tụ thì nó sẽ ion hóa các phân tử khí tạo thành các ion dương và điện tử [10] Với số cặp ion dương và điện tử được xác định như sau:

abs i

E n E

Trong đó: + Eabs là năng lượng mà chất khí hấp thụ

+ Ei là năng lượng ion hóa của chất khí

Như đã biết, ở điều kiện bình thường các điện tích và phân tử khí chuyển động tự do Khi có tác động của điện trường, các điện tích này sẽ

đồng thời bị tác động bởi điện trường giữa 2 phía của điện cực Với giá trị độ

lớn của điện trường khác nhau thì các hiệu ứng khác nhau xảy ra như sau (Hình 1.8):

Hình 1.8: Các hiện tượng xảy ra với cặp ion dương và điện tử trong một điện cực

hình trụ với cùng một cường độ bức xạ khi hiệu điện thế thay đổi [9]

Nếu cường độ điện trường tăng lên, các ion dương và điện tử sẽ chuyển

động tới các điện cực tạo nên dòng điện giữa 2 bản điện cực Tuy nhiên, do

cường độ điện trường yếu, nên trong quá trình chuyển động, các điện tử và ion dương có thể tái hợp với nhau làm suy giảm tín hiệu Ngoài ra, dòng điện thu được trong vùng này rất nhỏ do đó khó thu nhận được

Nếu tăng cường độ điện trường tới một giá trị giới hạn nào đó thì tín hiệu lối ra sẽ không đổi (ion chamber region) Với cường độ dòng điện lúc đó

được xác định như sau:

ne QI= =

Nếu tiếp tục tăng cường độ điện trường thì các điện tử sẽ nhận được năng lượng lớn dần lên Khi năng lượng của các điện tử này đủ lớn thì trong quá trình chuyển động về phía các điện cực, nó sẽ va chạm với các nguyên tử, phân tử khác sinh ra thêm các điện tử thứ cấp Các điện tử này cũng tham gia vào quá trình ion hóa thứ cấp tiếp theo Do đó, tổng điện tích về các điện cực

sẽ được nhân thêm với một hệ số M phụ thuộc vào độ lớn của cường độ điện trường

Vùng mà M không phụ thuộc vào n và vị trí tương tác được gọi là vùng

ống đếm tỉ lệ (proportional counting region)

Nếu cường độ điện trường tiếp tục được tăng lên, thì hệ số nhân M cũng sẽ tăng theo Đến một giá trị nào đó khi số cặp điện tử thứ cấp tạo ra quá lớn sẽ tạo nên đám mây ion dương quanh anot gây ra sự suy giảm của cường

độ dòng điện Vùng này được gọi là vùng tỉ lệ giới hạn

Khi cường độ điện trường vượt qua ngưỡng của vùng tỉ lệ giới hạn thì mỗi một cặp điện tử và ion dương tạo ra sẽ gây ra hiện tượng tự phóng điện trong môi trường Vùng này được gọi là vùng Geiger (Geiger region)

Dựa trên ảnh hưởng của độ lớn cường độ điện trường lên các cặp điện

tử và ion dương mà ta có các loại đầu dò chứa khí khác nhau như sau:

a) Buồng ion hóa

Hình 1.9: Mô hình buồng ion hóa Như đã biết ở trên, trong vùng ion hóa thì giữa hai bản cực sẽ xuất hiện một dòng điện nhỏ tỉ lệ với số cặp điện tử và ion dương (hay chính là năng lượng của bức xạ bị hấp thụ) Bằng cách xác định cường độ dòng điện ta sẽ xác định được năng lượng bức xạ Tuy nhiên, cường độ dòng điện ở đây là tương đối nhỏ, nên việc xác định chính xác cũng là một vấn đề khó khăn Thông thường, tín hiệu lối ra thường được đo bằng mạch tích phân dòng lên

điện áp của một tụ điện Do đó, khả năng phân giải thời gian của đầu dò này

là không cao

b) Ống đếm tỉ lệ

Thông thường ống đếm tỉ lệ thường có dạng tụ hình trụ với catot là mặt ngoài của trụ và anot là một sợi dây mảnh ở trung tâm Khi đó thể tích không gian xung quanh anot sẽ rất nhỏ so với toàn thể tích không gian của buồng và tín hiệu lối ra sẽ không phụ thuộc vào vị trí của hạt

Do có hệ số nhân M nên tín hiệu lối ra của ống đếm tỉ lệ lớn hơn khá nhiều so với buồng ion hóa Tuy nhiên, hệ số nhân M lại phụ thuộc rất mạnh vào hiệu điện thế, năng lượng của hạt và áp suất chất khí trong buồng

c) Ống đếm Geiger-Muller (G-M)

Trong vùng Geiger-Muller, do cường độ điện trường bên trong là rất lớn nên mỗi sự ion hóa sơ cấp đều gây ra hiện tượng tự phóng điện dọc theo anot Ống đếm G-M sử dụng các chất khí đặc biệt để có thể dập tắt được quá trình tự phóng điện này Các loại khí thường được sử dụng là:

+Hỗn hợp 90% Argon và 10% hơi hữu cơ ethyl-alchol

+Hỗn hợp gồm 99.8% Neon, 0.1% Ar, 0.1% Br

Thông thường, người ta sử dụng thêm mạch RC nối tiếp để giảm thời gian dập tắt của ống đếm G-M Khi đó với mỗi xung điện tạo ra sẽ gây ra sự sụt áp làm giảm thời gian dập tắt Thời gian dập tắt của ống đếm G-M cũng chính là thời gian chết của đầu dò này Trong thời gian này, ống đếm G-M không thể thu nhận thêm các bức xạ khác

1.3.2 Đầu dò bán dẫn

Đầu dò bán dẫn (hay còn gọi là buồng ion hóa rắn) là những diot lớn Si

hoặc Ge, loại p-n hoặc p-i-n, hoạt động theo chế độ phân cực ngược Nguyên tắc hoạt động của đầu dò này giống với buồng ion hóa của đầu dò chứa khí Tuy nhiên, đầu dò bán dẫn có một số ưu điểm tốt hơn như sau:

+ Năng lượng ion hóa trung bình Ei thấp, chỉ bằng 1/10 năng lượng ion hóa trung bình của khí Ví dụ như năng lượng ion hóa trung bình của Si là 3.72 eV và của Ge là 2.96 eV ở 80K Do đó, ứng với cùng một năng lượng hấp thụ, đầu dò bán dẫn sẽ tạo ra được nhiều cặp điện tử và lỗ trống hơn

+ Độ phân giải năng lượng cao hơn (10 keV đối với hạt α và 1 keV đối với bức xạ gamma)

+ Do chất bán dẫn ở thể rắn nên có mật độ phân tử lớn hơn rất nhiều so với chất khí Và do đó, mật độ ion hóa trong chất bán dẫn lớn hơn rất nhiều so với buồng ion hóa chất khí

+ Cặp điện tử và lỗ trống trong chất bán dẫn có độ linh động lớn hơn gấp hai lần so với cặp điện tử và ion dương trong chất khí Do đó, thời gian thu thập điện tích ngắn hơn, độ phân giải thời gian tốt hơn

Có 2 loại đầu dò bán dẫn phổ biến là: đầu dò hàng rào mặt (Si) (Hình 1.10) và đầu dò Si và Ge-photon (Hình 1.11)

Hình 1.10: Đầu dò bề mặt

Hình 1.11: Đầu dò Si và Ge-photon Điểm hạn chế lớn nhất của đầu dò bán dẫn là phải sử dụng nitor lỏng để

làm lạnh khi sử dụng Ngoài ra, mặc dù dòng điện tử lớn hơn so với buồng ion hóa khí nhưng vẫn khá nhỏ, do đó chưa đảm bảo khả năng phân giải thời gian nhanh

1.3.3 Đầu dò nhấp nháy

Đầu dò nhấp nháy bao gồm tinh thể nhấp nháy và ống nhân quang điện

(PMT) Khi một hạt tương tác với tinh thể nhấp nháy thì sẽ sinh ra một chớp sáng tỉ lệ với cường độ và năng lượng của bức xạ đi vào, chớp sáng này đi vào trong ống nhân quang điện tạo ra một xung dòng lớn ở anot của ống Chất nhấp nháy đóng vai trò quan trọng quyết định khả năng thu nhận các bức xạ khác nhau Các chất nhấp nháy phổ biến là: NaI(Tl) để đo bức xạ có mật độ cao; ZnS(Ag) để đo α, β, …

Do dạng tín hiệu lối ra tỉ lệ với năng lượng của hạt đi vào và thời gian chết thấp nên đầu dò nhấp nháy có thể được sử dụng trong các ứng dụng cần

có độ chính xác cao Chi tiết về đầu dò nhấp nháy sẽ được trình bày kỹ hơn trong chương 2

CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl)

Chương này sẽ tìm hiểu kỹ về đặc điểm, cấu tạo, nguyên tắc của đầu dò nhấp nháy, đặc biệt là đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) Đồng thời đánh giá những yếu tố ảnh hưởng tới kết quả đo sử dụng đầu dò này

2.1 Đầu dò nhấp nháy

Khi bức xạ hạt nhân đi vào thể tích của bản nhấp nháy sẽ kích thích nguyên tử của môi trường vật chất, khi các nguyên tử và phân tử của bản nhấp nháy trở về trạng thái cơ bản sẽ phát ra các photon ánh sáng có bước sóng từ

3000 – 4000A0

Để có thể thu nhận được những photon ánh sáng này, ta phải dùng các ống nhân quang điện để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và khuếch đại nó lên Tuy nhiên, quá trình bị kích thích và phát photon ánh sáng của bản

nhấp nháy rất nhanh vì vậy để thu được các photon ánh sáng này thì đầu dò nhấp nháy phải có khả năng tác động nhanh Do đó, người ta dùng ống nhân quang điện đặt sát vào bản nhấp nháy sao cho sự truyền ánh sáng là tốt nhất

Như vậy, tinh thể nhấp nháy là phần quan trọng nhất của đầu dò nhấp nháy Nó quyết định dải đo, hiệu suất đo, cũng như độ chính xác của đầu dò Hiện nay, người ta sử dụng rất nhiều các chất khác nhau để làm đầu dò Tuy nhiên, về bản chất ta có thể chia các chất này thành: chất nhấp nháy hữu cơ và chất nhấp nháy vô cơ [10]

2.1.1 Chất nhấp nháy vô cơ

Chất nhấp nháy vô cơ bao gồm các hợp chất chính sau:

- CsI(Tl) và CsI(Na): Cesium iodide có hệ số hấp thụ gamma lớn hơn

so với Sodium iodide, được sử dụng trong các ứng dụng cần các đầu dò có kích thước nhỏ, khối lượng trung bình nhưng hiệu suất ghi lớn

- LiI(Eu): Được chế tạo với độ giàu Li cao và thường sử dụng để xác

định neutron dựa trên phản ứng 6

Li(n, α)

- Bismuth Germanate(BGO): Ưu điểm chính của loại vật liệu này là có mật độ rất cao (7.3g/cm3) và có số khối lớn (83) nên tiết diện của hiệu ứng quang điện rất lớn Tuy nhiên cường độ ánh sáng phát ra thấp và có độ phân giải không cao so với các loại tinh thể nhấp nháy khác

- Barium Fluoride(BaF2): Có Z cao, thời gian phân giải bé hơn 1 ns, thích hợp dùng cho các đầu dò nhấp nháy có hiệu suất cao, thời gian phân giải nhanh

- NaI(Tl): Đặc điểm nổi bật nhất là khả năng phát sáng rất tốt và giá thành rẻ Ánh sáng phát ra rất tuyến tính theo năng lượng của các bức xạ hạt nhân Tuy nhiên, tinh thể này có một số hạn chế là dễ bị vỡ do va đập hoặc sốc nhiệt Thời gian phân rã của xung nhấp nháy tương đối dài (vào khoảng

230 ns), nên không phù hợp với các ứng dụng cần phân giải thời gian hoặc yêu cầu tốc độ đếm cao

2.1.2 Chất nhấp nháy hữu cơ

Chất nhấp nháy hữu cơ bao gồm các dạng hợp chất chính sau:

- Dạng tinh thể tinh khiết: Anthrancene cho hiệu suất phát sáng cao nhất còn Stilbene cho dạng xung rõ ràng, chúng được sử dụng nhiều làm tinh thể nhấp nháy hữu cơ Cả hai vật liệu này đều dễ vỡ và khó chế tạo với kích thước lớn

- Dạng dung dịch: Các chất nhấp nháy hữu cơ được sử dụng dưới dạng dung dịch hòa tan Nhờ hiệu suất cao, các chất này được sử dụng phổ biến trong đo hoạt độ beta năng lượng thấp như C14 và Tritium Hoặc sử dụng ở những nơi đòi hỏi thể tích đầu dò lớn, trong trường hợp này, tỉ lệ ánh sáng phát ra phụ thuộc vào từng loại hạt (dù năng lượng như nhau) Các chất nhấp nháy này còn được sử dụng để đo neutron Đôi khi sự dịch chuyển bước sóng xảy ra tạo thành phần đuôi trong phổ bức xạ thu được từ ống nhân quang.

- Chất nhấp nháy dẻo: Là chất nhấp nháy hữu cơ được hoà tan trong dung môi, sau đó polyme hoá và tạo dạng cần thiết Các đầu dò này không

đắt, được cung cấp sẵn và có thể chế tạo dưới nhiều kích thước khác nhau như

hình trụ, tấm phẳng,… chúng khá thuận tiện để sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Các chất nhấp nháy dẻo có thời gian phân rã ngắn (vài nano giây)

do đó thuận lợi cho các thực nghiệm có tốc độ đếm cao hoặc trùng phùng nhanh

- Chất nhấp nháy pha tạp: Chất nhấp nháy hữu cơ thường thuận tiện cho việc xác định trực tiếp các hạt alpha hoặc beta Chúng cũng có thể được

sử dụng để xác định các notron nhanh thông qua các proton giật lùi Vì các chất nhấp nháy lỏng có Z thấp nên hầu như không xảy ra hiệu ứng quang điện với các tia gamma do đó làm tăng phân bố liên tục trong phổ biên độ Để cải thiện tiết diện tương tác quang điện, một số vật liệu có số Z cao được pha thêm vào trong chất nhấp nháy (~ 10% trọng lượng chì hoặc thiếc) Tuy nhiên

sự bổ sung này lại làm giảm cường độ sáng

So với các loại chất nhấp nháy khác, NaI(Tl) có ưu điểm về cường độ nháy sáng cao, giá thành rẻ, thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng đo suất liều thấp, không cần phân giải theo thời gian

2.2 Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)

Cấu tạo chủ yếu của chất nhấp nháy này là tinh thể NaI được thêm khoảng 0.1% Thalium (Tl) dưới dạng ion để tăng hiệu suất nhấp nháy Ở nhiệt độ phòng, chất nhấp nháy này phát ra bước sóng 4200A0 với cường độ tương đối mạnh phù hợp cho việc sử dụng để đo trong những ứng dụng cơ bản

2.2.1 Đặc điểm cấu tạo

Đầu dò NaI(Tl) có một số đặc điểm chính cần lưu ý như sau:

Tinh thể có mật độ cao (3.67g/cm3) cho việc hấp thụ tốt bức xạ gamma Iot cung cấp số nguyên tử cao cho hiệu suất đầu ra của ánh sáng trên một đơn

vị của hấp thụ bức xạ gamma

Hệ số hấp thụ gamma cho NaI được trình bày ở Hình 2.1 Hệ số hấp thụ do ảnh hưởng của hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton trở nên cân bằng tại năng lượng 0.3 MeV và tạo ra hiệu ứng tạo cặp không quan trọng cho tia gamma với năng lượng nhỏ hơn 2 MeV