Khai thác và vận hành hệ đo tổng alpha, beta umf 2000 tại phòng thí nghiệm hạt nhân đại học sư phạm thành phố hồ chí minh

Do vậy “Khai thác và vận hành hệ đo tổng alpha, beta UMF-2000 tại phòng thí nghiệm hạt nhân trường Đại học Sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh” được thực hiện với mục đích xác định hiệu suất c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2010

Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô phụ trách phòng thí nghiệm, các bạn lớp Lý 06 ngành Vật lý Hạt nhân trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.Hồ Chí Minh đã giúp đỡ cơ sở vật chất và hướng dẫn nhiệt tình trong quá trình tạo mẫu

Và nhất là em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Công Hảo, thầy đã trực tiếp hướng dẫn em thực hiện bài luận, giúp em những kiến thức chuyên môn cũng như kiến thức thực tế trong quá trình thực hiện khóa luận

Em cũng xin cảm ơn đến thầy phản biện đã dành thời gian đọc và đóng góp ý kiến cho bài luận văn này được hoàn thành tốt hơn

Cảm ơn các bạn đã quan tâm chia sẻ trong thời gian qua

Cuối cùng, xin cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ cùng toàn thể gia đình đã luôn bên con trong thời gian qua, ủng hộ động viên con trong quá trình thực hiện luận văn

LỜI MỞ ĐẦU

Các tia phóng xạ luôn tồn tại tràn ngập trong thế giới của chúng ta từ bức xạ tự nhiên alpha, beta, gamma, các tia vũ trụ,… cho đến bức xạ nhân tạo của các vụ nổ hạt nhân, các cuộc thử nghiệm,… Trong các loại bức xạ đó thì bức xạ alpha, beta là những loại bức xạ cần quan tâm vì đặc tính không tác hại khi bị chiếu ngoài nhưng lại gây nguy hiểm khi chúng được phát ra từ bên trong

cơ thể Cụ thể như sau:

- Trong không gian, bức xạ alpha không truyền xa và bị cản lại toàn bộ bởi một tờ giấy hoặc màng ngoài của da Tuy nhiên nếu một chất phát tia alpha được đưa vào trong cơ thể nó sẽ làm ion hóa mạnh các tế bào tạo ra liều chiếu trong đối với các mô nhạy cảm mà các mô này không

có lớp bảo vệ bên ngoài như da

- Bức xạ beta bao gồm các electron có điện tích nhỏ hơn so với hạt alpha và có khả năng xuyên sâu hơn, beta có khả năng cản lại bởi tấm kim loại, kính hay quần áo bình thường, nó có thể xuyên qua lớp ngoài của da và làm tổn thương lớp da bảo vệ Nếu các bức xạ beta phát ra trong cơ thể nó có thể chiếu xạ các mô bên trong

Trong đó, với tính chất đặc trưng quan trọng là quãng chạy ngắn nên việc khảo sát các vấn đề alpha, beta thường hay gặp khó khăn từ quá trình làm mẫu cho đến thiết bị mà việc xác định hiệu suất của máy một cách chính xác là một vấn đề thiết yếu ảnh hưởng lớn đến kết quả đo đạc Do vậy

“Khai thác và vận hành hệ đo tổng alpha, beta UMF-2000 tại phòng thí nghiệm hạt nhân trường Đại học Sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh” được thực hiện với mục đích xác định hiệu suất của máy, cùng với 10 mẫu điện phân khác nhau được tạo ra nhằm xác định hoạt độ của các mẫu dựa trên ưu điểm nổi bật của máy là có thể xác định đồng thời tổng hoạt độ bức xạ alpha và tổng hoạt độ bức xạ beta phát ra từ mẫu Qua đó đánh giá về độ chính xác của máy khi so sánh hoạt độ của các mẫu trên hệ máy này với hoạt độ của các mẫu khi đo trên hệ Alpha Analyst của phòng thí nghiệm hạt nhân Đại học Khoa học Tự nhiên Từ kết quả khởi đầu này có thể tiến hành đo mẫu môi trường với những hiệu chỉnh thích hợp để đạt được kết quả chính xác

Với mục đích như trên thì bố cục của bài luận gồm 3 chương về cơ sở lý thuyết và quá trình thực nghiệm như sau:

Chương 1: Các tính chất của bức xạ alpha, beta Trong chương này trình bày về các quá trình phân rã alpha, beta cũng như tính chất của các quá trình phân rã đó và tương tác của bức xạ alpha, beta với vật chất

Chương 2: Giới thiệu hệ đo tổng alpha, beta UMF -2000 tại phòng thí nghiệm hạt nhân trường Đại học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh Phần này giúp cho việc khai thác vận hành hệ máy dễ

dàng với việc mô tả các thiết bị, nguyên tắc hoạt động, các đặc trưng và dữ liệu cần thiết cho quá trình chuẩn hóa

Chương 3: Thực nghiệm trình bày quá trình chuẩn bị mẫu, quá trình đo đạc, xử lí kết quả Phần kết luận

Đưa ra kết quả và những nhận xét trong quá trình tiến hành thí nghiệm, từ đó có những đề xuất giúp cho hệ máy có những ứng dụng rộng rãi

CHƯƠNG 1: CÁC TÍNH CHẤT CỦA BỨC XẠ

ALPHA, BETA

1.1 Cơ sở lý thuyết về bức xạ alpha, beta [1]

1.1.1 Phân rã alpha

Hạt alpha gồm hai proton và hai neutron liên kết với nhau giống như hạt nhân helium, do đó

có thể viết là 2He4, có điện tích bằng +2e và có khối lượng gần bằng 4 lần khối lượng nucleon Hạt alpha xuất hiện trong quá trình phân rã của hạt nhân phóng xạ nặng như uranium, radium,…đôi khi quá trình phân rã alpha làm hạt nhân ở trạng thái khích thích do đó sẽ kèm theo phân rã gamma để giải phóng năng lượng

Phân rã alpha xảy ra khi hạt nhân phóng xạ có tỉ số N/Z quá thấp Khi phân rã alpha, hạt nhân ban đầu ZXA chuyển thành hạt nhân Z-2YA-4 và phát ra hạt alpha

Q là khối lượng tương đương với năng lượng tổng cộng giải phóng khi phân rã bằng tổng động năng của hạt nhân con và hạt alpha Hai hạt electron quỹ đạo bị mất đi khi hạt nhân mẹ phân rã ra hạt nhân con có số nguyên tử thấp hơn

Hạt alpha phát ra với năng lượng xác định và suất ra cố định, có năng lượng là dạng phổ vạch Theo sau quá trình phân rã alpha thường kèm theo sự phân rã gamma Hình 1.2 là sơ đồ phân rã

alpha và gamma của hạt nhân 88Ra226 với 94,3% hạt alpha có động năng 4,8 MeV và 5,7% có động năng 4,6 MeV Ở nhánh phát alpha năng lượng thấp 4,6 MeV hạt nhân con vẫn ở trạng thái kích thích và phát tiếp bức xạ gamma bằng 0,2 MeV trở về trạng thái cơ bản

Hình 1.2 Sơ đồ phân rã alpha của 88Ra226 Hiện nay có hơn 200 hạt nhân phân rã alpha, chủ yếu xảy ra đối với các hạt nhân nặng với Z>83 Ngoài ra có một số nhỏ hạt nhân vùng đất hiếm cũng phân rã alpha với A = 140 đến 160 1.1.2 Các tính chất của phân rã alpha

1.1.2.1 Các đặc trưng của phân rã alpha

Các đặc trưng quan trọng của phân rã alpha là thời gian bán rã T1/2 của hạt nhân trước phân rã, động năng E và quãng chạy R của hạt alpha

- Thời gian bán rã T1/2 được xác định trực tiếp nhờ phép đo độ suy giảm hoạt độ theo thời gian hoặc được xác định theo số phân rã trong một đơn vị thời gian hay từ quy luật cân bằng thế kỷ Thời gian bán rã của các hạt nhân phân rã alpha thay đổi trong một dãy rất rộng từ vài giây đến vài tỉ năm như 82Pb204 có T1/2=1,4.107 năm còn 86Rn215 có T1/2=10-6 s

- Năng lượng hạt alpha có thể xác định bằng phổ kế từ hay buồng ion hóa Năng lượng các hạt bay ra thay đổi trong một dãy rất hẹp, đối với các hạt nhân nặng thì năng lượng thay đổi từ 4 đến 9 MeV, đối với nhóm đất hiếm từ 2 đến 4,5 MeV

- Quãng chạy của hạt alpha được xác định bằng buồng bọt Wilson hay nhũ tương ảnh Dựa vào

hệ thức liên hệ giữa năng lượng và quãng chạy, ta có công thức tính quãng chạy trong không khí 3 – 7 cm là Rkk 0,318E3/ 2, còn trong môi trường với hạt nhân A thì tính theo công thức

1/3 kk



0,186

0

4,785 94,4%



86Rn222

Tính chất quan trọng nhất của các hạt nhân phân rã alpha là sự phụ thuộc của thời gian bán rã

T1/2 vào năng lượng E của hạt alpha bay ra Chẳng hạn như nếu giảm 1% năng lượng thì có thể làm tăng thời gian bán rã lên một bậc, nếu giảm 10% năng lượng thì T1/2 thay đổi từ 2 đến 3 bậc

Sự phụ thuộc của T1/2 vào E tuân theo định luật Geiger- Nuttall như sau:

Với C và D là hằng số không phụ thuộc vào số khối A

1.1.2.2 Cấu trúc tinh tế của phổ năng lượng alpha

Dựa vào việc năng lượng giảm đều đặn khi tăng số khối cho phép ta xác định được năng lượng các hạt alpha đối với đồng vị khác của một nguyên tố nào đó

Các hạt alpha phát ra từ cùng một đồng vị sẽ có năng lượng như nhau, tức là phổ năng lượng đơn sắc Nhưng thí nghiệm chính xác chứng tỏ phổ năng lượng alpha thường có cấu trúc tinh tế, tức

là có các vạch năng lượng nằm sít nhau Nên trong thực tế có một số hạt nhân chỉ có một nhóm ứng với một giá trị năng lượng nhưng cũng có một số hạt nhân phát ra nhiều hạt alpha với năng lượng khác nhau Đó chính là cấu trúc tinh tế của phổ alpha

1.1.2.3 Điều kiện về năng lượng đối với phân rã alpha

Xét quá trình phân rã alpha theo công thức (1.1) Để phân rã alpha xảy ra thì năng lượng liên kết của hạt nhân mẹ EA,Z phải nhỏ hơn tổng năng lượng liên kết của hạt nhân con EA-4,Z-2 và hạt alpha Eα Tức là:

lk,A 4,Z 2 lk , lk,A,Z

E E   E  E

    >0 (1.4) Hạt nhân mẹ có năng lượng liên kết là 28 MeV do đó năng lượng liên kết riên trên một nucleon là 7 MeV, như vậy để phân rã alpha xảy ra thì năng lượng liên kết riêng của hạt nhân mẹ phải nhỏ hơn 7 MeV Vì vậy các hạt nhân nhẹ không thể phân rã alpha vì năng lượng liên kết riêng của chúng cỡ 8 MeV

1.1.2.4 Cơ chế phân rã alpha

Ba yếu tố cần tính đến trong cơ chế phân rã alpha là trường thế Coulomb quanh hạt nhân, lực

ly tâm và cấu trúc hạt nhân

- Trường thế Coulomb và hiệu ứng đường ngầm

Để giải thích sự phụ thuộc mạnh của thời gian bán rã hạt nhân vào năng lượng hạt alpha thì cần phải xem xét cơ chế để hạt alpha thoát ra khỏi hạt nhân Giả thuyết gần đúng nhất được xem xét

là coi hạt alpha hình thành và tồn tại trong hạt nhân trước khi thoát khỏi hạt nhân Hạt alpha là hạt mang điện nên ngoài lực tương tác hạt nhân còn chịu tác dụng của lực Coulomb

Để giải bài toán tương tác này ta giả sử hạt alpha đi từ ngoài vào Thế Coulomb do hạt nhân tương tác lên tỉ lệ nghịch với khoảng cách r theo biểu thức:

2 Coulomb

2ZeU

r

Hàm này được thể hiện qua hình

Hình 1.3 Thế tương tác hạt nhân và thế Coulomb đối với hạt alpha Thế tăng dần trong miền ngoài bán kính hạt nhân, tại đó lực hạt nhân bằng 0 Đến biên hạt nhân r = R thì lực hạt nhân đóng vai trò quan trọng và đường biểu diễn tăng giảm đột ngột theo đường thẳng đứng Dạng bên trong hạt nhân r < R chưa được biết tường tận, ở đây giả thuyết thế có dạng hố hình chữ nhật với thế không đổi bên trong hạt nhân, chiều cao bờ thế Coulomb tại r = R =

10-12 cm với Z=100 là

2 r

Giải bài toán về hiệu ứng đường ngầm ta thu được hệ số truyền qua D

2

2m

Dexp (UE)dr

    (1.7) Nếu hạt alpha trong hạt nhân có vận tốc v thì nó đi đến bờ thế trung bình v/R lần trong 1 giây Như vậy hằng số phân rã alpha bằng:

 , do đó thời gian bán rã phụ thuộc rất mạnh vào bán kính hạt nhân R

Để đánh giá bậc của thời gian bán rã ta coi U0 – E = 20 MeV, d = 2.10-12 cm, khi đó 84 36

De 10

Do đó T1/ 2  1 10 s16 

9 năm Thời gian này là hợp lý vì cùng cỡ thời gian bán rã của 238U

1.1.2.5 Vai trò của bờ thế ly tâm

Trong các tính toán trên ta coi hạt alpha bay ra với moment quỹ đạo l = 0, nếu hạt alpha bay ra với l thì nó phải vượt qua bờ thế ly tâm bổ sung ngoài thế Coulomb: 0

2

l(l 1)U

2mr



 

(1.9)

Bờ thế ly tâm này không lớn lắm do giảm theo hàm 12

r trong lúc bờ thế Coulomb giảm chậm

Hình 1.4 Phân rã beta Quá trình trên là kết quả của phân rã neutron thừa trong hạt nhân để biến thành proton

-n p e   (1.11)

Hình 1.5 Sơ đồ phân rã beta của Cs-137

Sơ đồ phân rã cho thấy hạt nhân con trong quá trình phân rã beta có số nguyên tử nhỏ hơn 1 so với hạt nhân mẹ

1.1.3.2 Phân rã positron

Hạt positron là hạt có khối lượng bằng khối lượng hạt electron song có điện tích dương +1e Phân rã positron xảy ra khi hạt nhân có tỉ số N/Z quá thấp và phân rã alpha không xảy ra do không thỏa mãn điều kiện về năng lượng Khi phân rã positron hạt nhân ban đầu ZXA chuyển thành hạt nhân Z-1 YA, phát hạt positron và hạt neutrino

p  n e  (1.12) Quá trình phân rã giống với quá trình tương tác của neutrino với hạt nhân

Khác với electron, hạt positron không tồn tại lâu trong tự nhiên Positron gặp electron trong nguyên tử và hai hạt huỷ nhau cho ra hai tia gamma có năng lượng bằng năng lượng tĩnh của electron 0,511 MeV

1.1.4 Các tính chất của phân rã beta

- Lực tương tác: đặc điểm chính của quá trình phân rã beta là chung được gây bởi lực tương tác yếu

- Bản chất của quá trình phân rã: phân rã beta là quá trình biến đổi bên trong hạt nucleon Đó chính là các quá trình phân rã neutron thành proton hay hay quá trình phân rã proton thành neutron

- Nguồn gốc các hạt bay ra từ phân rã beta: theo quan điểm lí thuyết các hạt electron, neutrino

và các hạt khác sinh ra trong quá trình phân rã do sự tương tác của các hạt cơ bản

- Dãy các nguyên tố phân rã beta: dãy các nguyên tố phân rã rất rộng, từ neutron tự do đến các nguyên tố nặng nhất

- Năng lượng giải phóng khi phân rã beta: biến thiên từ 0,02 MeV đến 13,4 MeV

1.1.4.1 Cân bằng năng lượng trong phân rã beta

Để xảy ra quá trình phân rã beta phải thỏa mãn các điều kiện về khối lượng như sau:

- Phân rã β –

Phân rã β – phải thỏa mãn quan hệ khối lượng như sau:

M(Z, A)M(Z 1, A) m (1.14) Trong đó M(Z,A) và M(Z+1,A) là khối lượng hạt nhân ZXA và Z+1YA bỏ đi khối lượng các electron quỹ đạo, m là khối lượng electron

Tuy nhiên trong thực tế người ta không đo khối lượng hạt nhân mà đo khối lượng nguyên tử trước phân rã Mi và khối lượng sau phân rã Mf như sau

Mi = M(Z,A) + Zm và Mf = M(Z+1,A) + (Z+1)m (1.15) Khi đó điều kiện phân rã beta là Mi > Mf

- Phân rã β +

Đối với phân rã β + thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là

M(Z,A) > M(Z-1,A) + m (1.16) Còn điều kiện về khối lượng nguyên tử là

Mi > Mf + 2m (1.17) Trong đó Mi = M(Z,A) + Zm và Mf = M(Z - 1,A) + (Z - 1)m

1.1.4.2 Phổ năng lượng hạt beta

Khác với phân rã alpha, phân rã beta có hai hạt bay ra là electron và phản neutrino Do đó phân bố năng lượng trong phân rã beta không chỉ quan tâm đến năng lượng tổng cộng mà cả phân

bố năng lượng giữa hai hạt bay ra đó, ở đây ta bỏ qua năng lượng giật lùi rất bé của hạt nhân con

Do tính chất thống kê của quá trình phân rã nên sự phân chia năng lượng giữa electron và phản neutrino trong một phân rã là ngẫu nhiên, và năng lượng electron có thể có giá trị bất kì từ 0 đến năng lượng cực đại khả dĩ Emax Tuy nhiên đối với một số lớn phân rã beta thì phân bố năng lượng của electron không phải là ngẫu nhiên mà có dạng xác định Phân bố năng lượng này gọi là phổ electron của phân rã beta

1.1.5 Các họ phóng xạ tự nhiên phát alpha và beta

Có 3 họ phóng xạ tự nhiên là họ Thorium (Th-232), Uranium (U-238) và Actinium (U-235) Chuỗi phân rã uranium chứa vài đồng vị phóng xạ, các tính chất địa hóa khác nhau của dãy đồng vị này làm cho các hạt nhân trong chuỗi bị cắt phân đoạn trong môi trường địa chất khác nhau

Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau: khoảng 99,3% uranium thiên nhiên là U238, khoảng 0,7%

là U235 và khoảng 0,0005% là 234U 238U và 234Uthuộc cùng một họ uranium, còn 235Ulà thành viên đầu tiên của họ actinium 232Thlà thành viên đầu tiên của họ thorium

Hình 1.6 Họ Thorium [10]

Hình 1.7 Họ Uranium [10]

Hình 1.8 Họ Actinium [10]

Các họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là:

- Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, thời gian bán rã được tính theo đơn vị địa chất

- Mỗi họ đều có một thành viên tồn tại dưới dạng khí phóng xạ, chúng là đồng vị khác nhau của nguyên tố Radon: trong họ uranium là 222Rn (radon), trong họ thorium là 220Rn (thoron), trong

đi 4 đơn vị còn số điện tích giảm 2 đơn vị, do đó số phần trăm của các hạt neutron tăng Theo tính chất các hạt nhân bền đối với phân rã β khi A bé cần chứa số neutron với phần trăm không lớn vì vậy đối với hạt nhân nặng sau một vài phân rã α trở thành không bền đối với phân rã β Do đó trong

họ phóng xạ, các quá trình phân rã α và β xen kẽ nhau

1.2 Tương tác của bức xạ với vật chất

Khi chùm tia bức xạ đi qua một môi trường vật chất thì sẽ tương tác với môi trường vật chất và truyền năng lượng của chúng cho electron quỹ đạo hoặc hạt nhân nguyên tử Điều này phụ thuộc vào loại bức xạ, năng lượng của bức xạ và đặc tính của môi trường vật chất Phần lớn các hạt sẽ tham gia tương tác Coulomb với nguyên tử là chủ yếu, tương tác gây ra theo 2 hiệu ứng sau:

- Tán xạ Coulomb đàn hồi trên các hạt nhân nguyên tử: các hạt mang điện với năng lượng thấp

có thể bị có thể bị tán xạ do lực Coulomb hạt nhân còn các hạt mang điện nặng có năng lượng cao bị tán xạ do lực hạt nhân Quá trình trên làm cho chùm hạt tới bị lệch đi so với hướng chuyển động ban đầu, do có khối lượng lớn hơn nhiều so với electron nên hướng chuyển động của các hạt nặng khi va chạm thay đổi không đáng kể Sự mất năng lượng của hạt do hiệu ứng này là nhỏ hơn nhiều so với tiêu hao năng lượng ion hóa

- Ion hóa và kích thích các nguyên tử của môi trường: đây là kết quả của quá trình va chạm không đàn hồi của hạt mang điện với các electron trên lớp vỏ nguyên tử Năng lượng của hạt mang điện đã bị tiêu tốn để ion hóa và kích thích các nguyên tử của vật chất được gọi là độ mất năng lượng riêng Đối với hạt mang điện ion hóa là nguyên nhân cơ bản làm tiêu hao năng lượng của hạt

1.2.1 Tương tác của bức xạ alpha với vật chất [11]

1.1.2.6 Độ mất năng lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử

Tương tác chủ yếu của hạt nặng có điện tích với môi trường là va chạm không đàn hồi với nguyên tử và phân tử của môi trường Một trong các đại lượng vật lý đặc trưng cho sự truyền qua môi trường của các hạt mang điện là độ mất năng lượng Theo định nghĩa độ mất năng lượng riêng

là năng lượng bị mất trên một độ dài quãng đường đi qua của hạt

Nếu hạt alpha chuyển động với tốc độ chuyển động gần bằng tốc độ của ánh sáng, ta có công thức tính độ mất năng lượng riêng do ion hóa chính xác như sau:

2

2 4

2 e e

β=v/c, c là vận tốc ánh sáng

z điện tích hạt nặng

e điện tích của electron

me khối lượng của electron

Ne mật độ electron

v vận tốc hạt mang điện

I năng lượng ion hóa trung bình Trong trường hợp β<<1 (v<<c nghĩa là động năng của hạt không quá lớn) thì ta có công thức Borh tính độ mất năng lượng ion hóa sau

2

2 4

e e

2 ion e

chỉ phụ thuộc vào đặc trưng vật lý của chất thông qua tỉ số

Z/A, nhưng vì Z/A=1/2 nên giá trị

 

dE -

Công thức (1.19) cho thấy độ mất năng lượng riêng tỉ lệ với mật độ electron của chất hấp thụ,

tỉ lệ với bình phương điện tích của hạt Z2 và tỉ lệ với 1/v2 (hay tỉ lệ nghịch với động năng hạt) và độ mất năng lượng riêng (-dE/dx) phụ thuộc rất mạnh vào điện tích và tốc độ hạt tới

Do hạt tích điện truyền năng lượng cho các electron nên nó ion hóa môi trường tức là tạo nên các cặp ion dọc theo đường đi của mình Độ ion hóa riêng là số cặp ion tạo ra trên một quãng đường

đi đơn vị của hạt tích điện Do hạt alpha có điện tích +2e và khối lượng lớn dẫn đến vận tốc của nó tương đối thấp nên độ ion hóa riêng của nó rất cao khoảng vài chục nghìn cặp ion trên 1cm không khí Dọc theo đường đi do bị mất năng lượng nên hạt alpha đi chậm dần và độ ion hóa riêng tăng dần Đến khi sắp hết năng lượng, độ ion hóa tăng nhanh và sau đó giảm đến 0 khi hạt alpha dừng chuyển động, được minh họa trên đường cong Bragg, hình 1.10

Hình 1.9 Đường cong Bragg đối với độ ion hóa riêng của hạt alpha 1.1.2.7 Độ mất năng lượng trong tán xạ Coulomb

Khi các hạt nặng mang điện có năng lượng nhỏ đi vào môi trường vật chất, ngoài hiện tượng tương tác với các electron của nguyên tử (ion hóa) chúng còn bị tán xạ đàn hồi do lực Coulomb của hạt nhân gây ra (tương tác với hạt nhân) Tương tác này có thể làm cho hạt tới thay đổi năng lượng

và hướng chuyển động so với ban đầu

Sự tiêu hao năng lượng của hạt năng mang điện do tán xạ đàn hồi trên hạt nhân nguyên tử được tính

2

2 e

0,6

0,4 0,2

N là mật độ nguyên tử môi trường

Z là điện tích hạt nhân môi trường

Mhn khối lượng hạt nhân môi trường

A số khối hạt nhân môi trường

Mp khối lượng proton

1.1.2.8 Quãng chạy của hạt tích điện trong vật chất

Khi hạt đi vào môi trường sẽ mất dần động năng trên đường đi và đến khi động năng của hạt bằng 0 thì hạt dừng lại Như vậy quãng chạy của hạt là chính là quãng đường hạt đi được trong môi trường vật chất Quãng chạy phụ thuộc vào động năng ban đầu, khối lượng và điện tích của hạt Quãng chạy được kí hiệu là R và được tính bằng công thức

dE - dx

 (1.23) Thay (-dE/dx) từ công thức (1.18) vào (1.23)

2

M

R f (v)z

2 quãng chạy của hạt alpha là quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy

Trên hình 1.10: đường cong hấp thụ của hạt alpha có dạng phẳng vì nó là hạt đơn năng lượng

Ở cuối quãng chạy số đếm của hạt alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất hấp thụ Quãng chạy trung bình được xác định ở nữa chiều cao đường hấp thụ còn quãng chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0

Hình 1.10 Đường cong hấp thụ của hạt alpha 1.1.2.9 Năng lượng ion hóa trung bình và mật độ ion hóa

Một hạt mang điện khi chuyển động trong môi trường sẽ làm ion hóa và kích thích nguyên tử dọc theo quãng chạy của nó Năng lượng để tạo ra một cặp ion w lớn hơn năng lượng ion hóa Iion Năng lượng w được xác định bởi bản chất của môi trường và ít phụ thuộc vào loại và năng lượng phần tử bức xạ tới tương tác với môi trường, do năng lượng ion hóa và năng lượng kích thích nguyên tử cũng như tỉ số của xác suất ion hóa và xác suất kích thích là những đặc trưng của môi trường hãm và không phụ thuộc vào hạt tới

Bảng 1.2 Năng lượng tạo ra một cặp ion-electron của một số loại khí với bức xạ alpha và năng

lượng ion hóa của một số loại khí

Khí Ar O2 N2 He H2 CO2 w(eV) 26,3 32,3 37 42 36,5 33

Iion(eV) 15,7 12,5 15,6 24,4 15,6 13,7

Mật độ ion hóa là số cặp ion-electron được tạo ra trên 1cm quãng chạy của hạt mang điện

1 dEdxw

 

   

  (1.25) Như vậy khi hạt đi vào môi trường hãm thì mật độ ion hóa cũng thay đổi giống như độ tiêu hao năng lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử

Khi biết được giá trị năng lượng trung bình tạo ra một cặp ion-electron w đối với từng loại khí ứng với mỗi loại bức xạ tới có năng lượng là Ebx thì ta tính được số cặp ion - electron được tạo thành khi hạt mang điện tương tác với vật chất

Quãng chạy trung bình

Quãng chạy ngoại suy

EbxNw

 (1.26)

1.2.2 Tương tác của bức xạ beta với vật chất [1]

Các tia beta và positron được phân loại theo năng lượng và tương tác mạnh với vật chất do lực tĩnh điện của điện tích chúng mang Tia beta gây ion hóa môi trường vật chất trong suốt quãng đường mà chúng đi qua Chúng bị tán xạ và làm lệch hướng do các lực va chạm, mất năng lượng và dần bị làm chậm, khi bị làm chậm chúng phát ra các photon Bremsstrahlung

Các positron có sự khác nhau quan trọng là chúng cũng tương tác và ion hóa vật chất mạnh như beta nhưng khi bị làm chậm chúng lại kết hợp với electron tạo ra sự huỷ cặp và phát ra 2 photon

1.2.2.1 Ion hóa [2]

Tương tự như hạt alpha, hạt beta cũng là hạt mang điện nên cơ chế tương tác của nó với vật chất cũng là tương tác tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hóa các nguyên tử môi trường

Trong trường hợp nguyên tử môi trường bị ion hóa, hạt beta mất một phần năng lượng Et để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài Động năng Ek của electron bị bắn ra liên hệ với năng lượng ion hóa của nguyên tử E và độ mất năng lượng Et như sau:

Ek = Et – E (1.27) trong đó năng lượng ion hóa được xác định theo công thức

1E=Rh -1 =-Rh



  (1.28) Trong nhiều trường hợp electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hóa nguyên tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp (delta electron)

Do hạt beta chỉ mất một phần năng lượng Et để ion hóa nguyên tử nên dọc theo đường đi của mình nó có thể gây ra thêm một số lớn cặp ion Năng lượng trung bình để sinh ra một cặp ion thường gấp 2, 3 lần năng lượng ion hóa bởi vì ngoài quá trình ion hóa hạt beta còn mất năng lượng

do kích thích nguyên tử

Do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu Vì vậy hạt beta chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm và dừng lại khi mất hết năng lượng

1.2.1.1 Độ ion hóa riêng

Độ ion hóa riêng là số cặp ion tạo ra trên quãng đường đi đơn vị của hạt beta Độ ion hóa riêng khá cao đối với hạt beta năng lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta, đạt cực tiểu ở năng lượng khoảng 1 MeV, rồi sau đó tăng chậm

Hình 1.11 Độ ion hóa riêng đối với không khí phụ thuộc vào năng lượng hạt beta

Độ ion hóa riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta do ion hóa

và kích thích Tốc độ mất năng lượng tuyến tính tuân theo công thức

dE (eV / cm)dx

sw(eV / c.i)

1.2.1.3 Quãng chạy của hạt beta trong vật chất

Hạt beta gây ion hóa môi trường vật chất nên bị mất năng lượng dọc theo đường đi, vì vậy nó chỉ đi được một quãng đường hữu hạn Với năng lượng của hạt không lớn thì đường đi của hạt không phải là đường thẳng do khối lượng của nó bằng khối lượng electron trong nguyên tử Như vậy quãng chạy của hạt beta là quãng đường mà chùm tia bị dừng lại sau 1 khoảng đường đi nào đó khi nó đi qua một bản vật chất, phụ thuộc vào năng lượng tia beta và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ

Hình 1.12 Sự phụ thuộc cường độ electron vào bề dày lớp vật chất Trên hình số electron giảm đơn điệu theo bề dày và đạt đến 0 tại giá trị Rmax Đối với electron

ta có 2 đại lượng về quãng chạy là quãng chạy cực đại và quãng chạy trung bình Quãng chạy cực đại là độ dày tối thiểu của lớp vật chất giữ lại toàn bộ electron Đây chính là quãng đường đi toàn phần của hạt electron trong vật chất Quãng chạy trung bình là độ dày lớp vật chất mà electron truyền qua khi tính trung bình Trong thực tế thường dùng quãng chạy cực đại hơn, nhưng việc tính toán gặp khó khăn nên người ta thường sử dụng công thức bán thực nghiệm

max

R 0,526E - 0, 24 (1.32) trong đó E tính theo đơn vị MeV và Rmax theo đơn vị g/cm2

Quãng chạy trung bình của electron năng lượng E bằng

1,38

2 0, 407E 0,15 E 0,8 MeVR(g / cm )

Hình 1.13 Các đường cong quãng chạy cực đại- năng lượng của electron đối với một số chất hấp

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MÁY ĐO TỔNG HOẠT ĐỘ

ALPHA, BETA UMF - 2000

2.1 Mô tả và thao tác [5]

2.1.1 Giới thiệu

Máy đo hoạt độ phóng xạ alpha, beta dùng để đo tổng hoạt độ của hạt nhân phóng xạ phát alpha, tổng hoạt độ của hạt nhân phóng xạ phát beta trong mẫu thực phẩm, mẫu đất, mẫu nước, không khí và chất hấp thụ sau khi chiết xuất hóa chất phóng xạ

Máy đo tổng hoạt độ phóng xạ UMF 2000 là thiết bị được dùng trong phòng thí nghiệm là chủ yếu, để đo lường nhân phóng xạ phát alpha, beta

Hình 2.1 Máy đo alpha, beta phông thấp UMF-2000 tại phòng thí nghiệm hạt nhân trường Đại học

Sư Phạm TP Hồ Chí Minh 2.1.2 Đặc điểm kỹ thuật [7]

 Năng lượng bức xạ beta ghi nhận được trong khoảng từ 50 đến 3500KeV

 Năng lượng bức xạ alpha ghi nhận được trong khoảng từ 3500 đến 8000KeV

 Phạm vi hoạt độ đo lường đối với

 Bức xạ beta từ 0,1 đến 3.103 Bq

 Bức xạ alpha từ 0,01 đến 3.103 Bq

 Phạm vi của sai số tương đối chấp nhận được trong đo lường hoạt độ phóng xạ alpha beta với hệ số tin cậy 0,95 là không quá ±15%

 Tốc độ đếm phông trong kênh ghi nhận

 Của bức xạ alpha không quá 0,001 c-1

 Của bức xạ beta không quá 0,025 c-1

 Thời gian đếm được ấn định trước từ 1 đến 9999s

 Sai số thời gian đếm 0,0001s

 Ảnh hưởng của kênh đo alpha lên kênh đo beta với nguồn alpha mỏng không quá ±0,8%

 Thời gian khấu hao không vượt quá 30 phút

 Khoảng thời gian hoạt động liên tục không quá 24 giờ

 Tính không ổn định của số chỉ trong suốt 8h hoạt động liên tục ±5%

 Nguồn cung cấp: nguồn xoay chiều 22

33

220 V, tần số 1

1

50 Hz

 Công suất tiêu hao không quá 40 Watt

 Các hệ số ổn định của môi trường liên quan đến điều kiện làm việc, đặc trưng của máy đo là:

 Nhiệt độ trong khoảng từ 10 đến 350C

 Độ ẩm không khí 70% ở 300C

 Áp suất khí quyển từ 84 kPa đến 2 MPa

 Trong suốt quá trình thao tác, máy đo bức xạ không bị dao động sốc và không bị va chạm với những thiết bị khác

 Thời gian sử dụng hơn 5 năm

 Kích thước: 350x300x190 mm

 Trọng lượng không quá 30 kg

 Điều kiện vận chuyển:

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo của máy UMF 2000 Trong đó:

(1) giá đựng mẫu đo (2) mẫu đo

(3) thiết bị dò phóng xạ (4) phần bảo vệ hoạt động (5) tiền khuếch đại

(6) bộ phận phân biệt xung (7) mạch rẽ

(8) đồng hồ đếm (9) bộ phận nguồn cung cấp (10) cao thế

Mặt trước của máy có nút ấn Start và Stop, đèn báo số, công tắc đếm và 2 đèn Led để hiển thị liên quan giữa máy đo bức xạ đến mạng lưới và quy trình đếm Phía sau máy là cầu chì và công tắc mạng lưới

2.1.4 Nguyên lí và chức năng hoạt động

Khi bức xạ alpha, beta đi vào môi trường vật chất bên trong detector, các tương tác vật lý xuất hiện Kết quả là lối ra detector xuất hiện một tín hiệu xung điện, do biên độ xung điện quá nhỏ nên phải làm lớn hơn nhiều lần bằng các mạch khuếch đại Thường trong hệ thống thì ngay sau detector

là bộ tiền khuếch đại không những chỉ đảm bảo một phần khuếch đại yêu cầu mà còn nhiệm vụ phối hợp trở kháng với hệ điện tử phía sau Để loại bỏ những xung điện có biên độ nhỏ hơn một mức ngưỡng cho trước thì cần có bộ phân biệt xung Trong một hệ đếm đơn giản tất cả các xung điện có biên độ lớn hơn một giá trị ngưỡng ấn định trước sẽ được đếm trong một khoảng thời gian xác định Một bộ nguồn cao thế cung cấp từ vài trăm đến vài ngàn volt để phân cực cho detector gọi là nguồn nuôi detector và cao thế để cung cấp điện thế cho các mạch điện tử trong hệ đo

 Thiết bị đo phóng xạ gồm có:

 Detector bán dẫn được làm từ hợp kim silic với nhôm, có kích thước 20x20 mm được đặt trên một giá bằng đồng có mạ crom

 Ngoài ra còn có giá đựng mẫu

Hình 2.3 Hình lát cắt của giá đựng mẫu Detector bán dẫn biến đổi năng lượng hạt alpha, beta thành tín hiệu điện thông qua hệ tiền khuếch đại Detector có khả năng ghi nhận hạt beta có năng lượng từ 50 keV, trong trường hợp bức

xạ alpha thì detector có thể ghi nhận dưới tín hiệu phổ

Giá đựng mẫu có 4 khay đếm để đặt mẫu với đường kính 45 mm Khay có 4 vị trí cố định, di chuyển dễ dàng bằng khóa nhỏ của khay khi quay nó Tại đó, để mẫu đo phù hợp với vị trí cố định trong det, khay được xoay đến vị trí tiếp

 Bộ phận điều khiển gồm có nguồn cung cấp, cao thế và phần bảo vệ mạch điện

 Bộ phận bảo vệ hoạt động bao gồm ống đếm phóng điện đặt vào dưới thiết bị cung cấp của mẫu cần đo lường Thiết bị bảo vệ chủ yếu để giảm ảnh hưởng của phông từ bức xạ vũ trụ có năng lượng cao Khi hạt tích điện rơi vào thể tích làm việc của detector, tín hiệu ở dạng xung điện

thế từ detector được cố định và truyền qua mạch đếm trong thời gian chờ mà không có xung nào trong thiết bị bảo vệ hoặc hệ thống nguồn bảo vệ Nói cách khác xung từ detector được bỏ qua

 Bộ phận điện tử được làm từ những phần riêng biệt: tiền khuếch đại, khối tạo dạng xung, nguồn cung cấp, mạch điều khiển bộ đếm và hai mạch báo số

 Tiền khuếch đại làm từ mạch điện trở “cổ điển”, mà nhờ đó dòng điện chậm lại, cho phép cung cấp mức độ sự tự giao thoa 5-15 keV Tín hiệu khuếch đại đầu tiên này cung cấp đầu vào cho khuếch đại chính Khuếch đại chính cung cấp biên độ tín hiệu ra của hạt beta

từ 20 mV đến 1V

 Tín hiệu khuếch đại cung cấp mạch lọc trong phần điện làm thành cơ sở của mạch tích phân Ngưỡng của mạch được thiết lập sẵn vì vậy mạch trigo thứ nhất trong suốt quá trình truyền qua của xung chỉ thu được từ hạt alpha và hạt beta, và mạch thứ hai chỉ từ hạt alpha Tín hiệu của mạch cung cấp mạch phản trùng phùng mà chỉ cho phép đếm hạt beta Trong suốt quá trình đếm alpha chỉ tín hiệu từ mạch thứ 2 được đếm

 Phần điện tử kết hợp với nguồn cung cấp và cao thế

 Bộ phận đếm gộp hai kênh cùng với thời gian cho phép làm việc với 2 chế độ “alpha và beta”, “beta và thời gian” Thời gian thực hiện được xác định bởi 4 ô chứa số Vị trí nút ngắt điện được đặt ở trước bảng cho phép bắt đầu đo lường đồng thời với việc lặp lại kết quả của lần đo trước và ngừng đo lường ở bất kì thời điểm nào

 Xung từ hạt alpha được đếm ở kênh đầu tiên, hạt beta được đếm ở kênh thứ hai Các nút “alpha, beta”, “beta, thời gian” có thể thay đổi Trong cách đo “alpha, beta” bộ chỉ thị

số hiển thị kết quả đếm ở kênh alpha và kênh beta, trong cách đo “beta, thời gian”, kết quả đếm hiện ra ở kênh beta và kênh thời gian

 Khi hết thời gian cài đặt số đếm ngừng lại bởi kí hiệu âm thanh Tín hiệu này có thể ngắt bởi nút Stop hoặc bằng cách bắt đầu phép đo mới

2.2 Cách vận hành

2.2.1 Thao tác chuẩn bị

Trước khi bắt đầu thí nghiệm cần đảm bảo rằng nguồn cung cấp kết nối phù hợp và không gây nguy hiểm, để tránh hư hỏng cần kiểm tra dây nối đất Sau đó, cắm phích của máy đo bức xạ vào ổ điện, nhấn nút On, tiếp theo đèn Led sẽ sáng lên

Sau khi đã có năng lượng, máy có thể hoạt động Ở tại đó, bộ chỉ thị số phía trên sẽ hiển thị số bên trong máy đo bức xạ, bộ chỉ thị số phía dưới hiển thị thời gian Ấn và đẩy nút cầu dao, bộ lọc thời gian sẽ hiển thị giá trị thời gian thiết lập ở phía trên bộ chỉ thị Bằng cách thay đổi bộ chọn lọc

thời gian với nút ấn xuống, nó có thể kiểm tra sự phù hợp của giá trị của bộ lọc thời gian với hệ thời gian đếm thật sự Ấn nút Start để bắt đầu tiến hành thí nghiệm

Máy có thể hiển thị qua màn hình thông qua cổng RS-232

Hình 2.4 Mặt sau của máy UMF – 2000

 Trước khi khởi động máy đo bức xạ cần phải đưa thời gian về '0000' Ở tại đó, máy đo bức

 Đặt nguồn điều chỉnh từ hệ thống hoàn chỉnh của máy vào thiết bị đo lường và thực hiện đo trong 300s Giá trị tốc độ đếm thu được không vượt quá giới hạn xác định trong giá trị cho phép 2.2.2 Đặc trưng hoạt động của máy đo bức xạ

Tiến hành đo lường để xác định hoạt độ của mẫu bao gồm đo tốc độ đếm phông (lúc không có mẫu) và lúc có mẫu Giá trị phông được sử dụng trong suốt quá trình đo, chứa trung bình 8 – 10 lần

đo phông, vì vậy trong quá trình đo không nên đo ít hơn 10 lần Hơn nữa tại đó, mục đích đo phông bao gồm xác định sự phù hợp của giá trị phông với giá trị trung bình, việc khảo sát mang tính thống

kê Sai số thống kê của phông được xác định theo công thức:

1/ 2S(N ) 1,96(N )   (2.1) trong đó N là số đếm phông

1,96 là hằng số khảo sát với độ tin cậy 95%

Cổng kết nối với màn hình máy tính

Công tắc khởi động

Thực hiện vài phép đo trên mẫu: lượng xung ghi nhận được bởi máy đo bức xạ ở cả 2 kênh trong thời gian t là kết quả của phép đo

 Tốc độ đếm trung bình từ mẫu với phông được xác định theo công thức:

k i

i 1 i

1 Nn

n

nnS(n) 1,96

tn là thời gian tiến hành đo mẫu

tlà thời gian tiến hành đo phông

 Hoạt độ của mẫu được tính theo công thức:

nn

Trong đó ε là hiệu suất của máy đo

δ0là sai số tương đối của việc xác định hiệu suất

Chú ý: Không được đo những mẫu chứa axit, bazơ với hàm lượng cao vì sẽ gây nguy hại cho