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

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 c

-

Nguyễn Thị Minh

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ QUAN

TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử

Mã số: 60440106

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2014

Luân văn được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: TS Đặng Quang Thiệu

Phản biện 1: PGS.TS Bùi Văn Loát (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên)

Phản biện 2: TS Trần Ngọc Toàn (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam)

Luận văn được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp

Họp tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Vào hồi: 15h ngày 10 tháng 04 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội

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,…

Các hạt nhân phóng xạ luôn 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) bao gồm mức độ hấp thụ inon hóa (Sv) trên một đơn vị thời gian

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)

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

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

5 photon 7/2

Z E

5 photon

Z E

σ = (Khi E >> EK)

(1.2)

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]:

Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử

và tỷ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy:

compton

Z E

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]

Hình 1.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron 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:

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

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng [1]

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

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

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]

Đầu dò chứa khí bao gồm các loại chính là: buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger-Muller

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

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, …

CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) 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

2.1.1 Chất nhấp nháy vô cơ

2.1.2 Chất nhấp nháy hữu cơ

- Dạng tinh thể tinh khiết: Anthrancene, Stilbene

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

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

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ của tinh thể NaI(Tl) vào năng lượng của tia gamma [4] Tương tác của tia gamma với vật chất luôn có sự kết hợp giữa hiệu ứng quang

Một nguồn của tia gamma tạo ra trong tinh thể NaI một phổ năng lượng giảm theo từng tương tác của tia gamma và tinh thể, ví dụ như một nguồn với E=0.514 MeV sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện và Compton với một hệ số suy giảm khoảng 0.1 tới 0.6 trong một hệ thống đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) “lý tưởng” Lý thuyết phổ gamma thu được trong một đầu dò “lý tưởng” được trình bày trong Hình 2.2 Sự mở rộng đỉnh quang phổ là do cả dao động trong đầu ra của tia sáng từ chất nhấp nháy và số quang điện tử ở mỗi đinot trong ống nhân quang

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

điện trong đầu dò NaI(Tl) [5]

Đặc trưng của hệ thống đầu dò nhấp nháy được xác định bởi các thông số sau: hiệu suất ghi nhận bức xạ, đường chuẩn năng lượng (thể hiện chiều cao xung với năng lượng bức xạ tới, độ phân giải của đầu dò, phông của hệ thống)

α là số photon / 1 đơn vị năng lượng ∆W

δ(λ) là phổ phát xạ của tinh thể nhấp nháy Giải ra ta được:

2.3 Sử dụng phương pháp chuyển phổ thành liều với đầu dò NaI(Tl)

Trong luận văn này, em đã nghiên cứu, áp dụng phương pháp đang sử dụng tại Viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Nhật Bản (JAERI), hay còn được gọi là phương pháp JAERI Phương pháp này xác định suất liều phóng xạ dựa trên biên độ xung và năng lượng lấy từ hàm chuyển đổi phổ - liều G(E)

Giả sử ta có phổ năng lượng thu được bao gồm năng lượng E và số đếm N(E) tương ứng với năng lượng E Khi đó, sự chuyển đổi từ đỉnh phổ thành suất liều được biểu diễn bằng phương trình sau:

( ) ( ) ( ) ( )

max

min max

E E I

E là năng lượng (keV)

I là số kênh Hàm G(E) có thể được xác định thông qua biểu thức sau:

10 1

( ) log ( )

K M K

E là năng lượng (keV)

M là số nguyên đặc trưng cho loại đầu dò

Với tinh thể NaI(Tl) hình trụ có kích thước 2.5 cm x 2.5 cm sử dụng trong thiết bị thì hàm G(E) có dạng:

Trong đó: Kmax = 20, M = 3 và A(K) có giá trị được cho trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Các hệ số A(K) cho tinh thể NaI(Tl) hình trụ 2.5 cm x 2.5 cm

CHƯƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu dò NaI(Tl)

3.1.1 Ảnh hưởng của việc xác định đỉnh

Phương pháp chuyển phổ thành liều sử dụng phổ biên độ xung như là một tham số đầu vào để xác định suất liều của bức xạ Mỗi giá trị của năng lượng đỉnh phổ sẽ tương ứng với một giá trị của G(E) (Phụ lục 2) sử dụng trong biểu thức (2.6) để tính suất liều

Do đó, ước lượng vị trí của đỉnh ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả suất liều phóng xạ

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất phức tạp tới kết quả đo đạc sử dụng đầu dò NaI(Tl) [12, 7] Giải pháp đơn giản nhất để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ lên thiết bị cũng như kết quả đo là xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị Tuy nhiên giải pháp này là không khả thi khi thiết bị được chế tạo với mục đích sử dụng bên ngoài phòng thí nghiệm

Hiện nay, có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng sự phụ thuộc vào nhiệt độ ở đây là không tuyến tính, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thống nhất được mô hình phụ thuộc nhiệt độ của đầu dò NaI(Tl) Tuy nhiên trong phạm vi thiết bị sử dụng ở ngoài môi trường với độ chính xác tương đối thì ta hoàn toàn có thể áp dụng mô hình phụ thuộc tuyến tính vào trong thiết bị

3.2 Nâng cao độ chính xác

Như đã trình bày trong chương 2, với đầu dò nhấp nháy, ta có thể dùng phương pháp chuyển phổ thành liều để nâng cao độ chính xác Quá trình này bao gồm các bước được mô tả trong sơ đồ sau (Hình 3.1):