Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng

Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng

HÀ NỘI - 2014

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian thực hiện, bản khóa luận: “Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng” đã được hoàn thành

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ThS Nguyễn Minh Vương,

thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Vật lí, trường ĐHSP Hà Nội 2 đã giảng dạy chỉ dẫn tôi trong quá trình học tập tại trường

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập và thực hiện đề tài

Dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện, song khóa luận khó tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô, bạn bè và những người quan tâm

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

ĐHSP Hà Nội 2, ngày 15 tháng 05 năm 2014 Sinh viên

Nguyễn Thị Nguyệt

LỜI CAM ĐOAN

Để đảm bảo tính trung thực của khóa luận, tôi xin cam đoan:

Khóa luận: “Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng” là công trình

nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS

Nguyễn Minh Vương Các kết quả trình bày trong khóa luận là trung thực và

chưa được công bố trong bất kì công trình nào trước đây Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận này đã được cảm ơn

và các thông tin trích dẫn trong khóa luận đã được chỉ rõ nguồn gốc

ĐHSP Hà Nội 2, ngày 15 tháng 05 năm 2014 Sinh viên

Nguyễn Thị Nguyệt

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Số

2.1 Quá trình truyền năng lƣợng của hạt alpha 10

2.4 Sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta vào năng lƣợng đối

2.5 Sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta tính theo đơn vị bề

2.6b Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lƣợng

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU CHUNG VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN 3

VÀ CÁC LOẠI BỨC XẠ HẠT NHÂN 3

1.1 Bức xạ hạt nhân là gì? 3

1.2 Các loại bức xạ hạt nhân 4

1.2.1 Bức xạ alpha () 4

1.2.2 Bức xạ beta (β) 5

1.2.3 Bức xạ gamma (γ) 6

1.2.4 Bức xạ neutron 7

1.2.5 Bức xạ tia X 8

CHƯƠNG 2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TIA BỨC XẠ 9

2.1 Tương tác của hạt anpha với vật chất 9

2.1.1 Quá trình truyền năng lượng của hạt alpha 9

2.1.2 Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất 11

2.2 Tương tác của hạt beta với vật chất 12

2.2.1 Sự ion hóa (Ionization) 12

2.2.2 Độ ion hóa riêng (Specific ionzation) 13

2.2.3 Hệ số truyền năng lượng tuyến tính (LET) 14

2.2.4 Bức xạ hãm (Brensstrahlung) 15

2.2.5 Quãng chạy của hạt beta trong vật chất 15

2.3 Tương tác của tia X và tia gamma với vật chất 18

2.3.1 Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường 18

2.3.2 Các cơ chế tương tác của tia X và tia gamma với vật chất 19

2.3.2.1 Hiệu ứng quang điện 19

2.3.2.2 Hiệu ứng Compton 21

2.3.2.3 Hiệu ứng sinh cặp electron - positron 22

2.4 Tương tác của neutron với vật chất 23

2.4.1 Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vật chất 23

2.4.2 Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi 24

2.4.2.1 Tham số va chạm  25

2.4.2.2 Số va chạm S 26

2.4.2.3 Hấp thụ neutron 27

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA CÁC NGUỒN BỨC XẠ 28

3.1 Các ứng dụng của nguồn bức xạ trong y tế 28

3.1.1 Xạ hình để chuẩn đoán 29

3.1.2 Xạ trị bằng chùm tia 31

3.1.3 Xạ trị bằng nguồn áp sát 32

3.1.4 Dùng dược chất phóng xạ để chẩn đoán và điều trị bệnh 32

3.2 Các ứng dụng của nguồn bức xạ trong công nghiệp 33

3.2.1 Xạ hình công nghiệp 33

3.2.2 Máy đo độ dày sản phẩm 34

3.2.3 Máy đo mật độ vật chất và nồng độ dung dịch 35

3.2.4 Máy đo mức 35

3.2.5 Máy đo dùng nguồn neutron 36

3.3 Các ứng dụng khác của nguồn bức xạ 37

3.3.1 Ứng dụng trong địa chất 37

3.3.2 Ứng dụng trong nông nghiệp 38

3.3.3 Ứng dụng trong ngành hải quan 38

3.3.4 Ứng dụng trong bảo quản, khử trùng và biến tính vật liệu 39

KẾT LUẬN 41

Chúng ta cũng bị chiếu bởi các bức xạ nhân tạo

Các phương pháp ghi nhận bức xạ hạt nhân và tia vũ trụ được sử dụng ngày nay rất đa dạng nhưng không phải là vạn năng Đối với mỗi bài toán cần phải chọn một phương pháp thích hợp nhất Muốn vậy nhà thực nghiệm phải

có sự hiểu biết về tính chất vật lí của các đối tượng cần ghi nhận về nguồn gốc của bức xạ hạt nhân và tính chất chung của chúng

Việc ghi nhận về bức xạ hạt nhân cũng như việc thiết kế tất cả các hệ hạt nhân như lò phản ứng, buồng bảo vệ che chắn bức xạ, các máy phát đồng vị… phụ thuộc một cách cơ bản vào tương tác của bức xạ hạt nhân với vật chất, của đetectơ và của các hệ hạt nhân tương ứng Do đó để hiểu được nguyên tắc hoạt động của các đêtéctơ bức xạ hạt nhân, các hiện tượng hấp thụ trong quá trình ghi nhận bức xạ hạt nhân và các vấn đề về an toàn bức xạ cần phải nắm vững cơ chế tương tác quan trọng nhất của bức xạ hạt nhân với vật chất

Khi nói đến bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi người thường nghĩ ngay đến tác hại của nó Tác hại của bức xạ hạt nhân được thể hiện rõ rệt qua hậu quả hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản trong chiến tranh thế giới thứ II Và gần đây nhất là thảm họa nhà máy điện hạt nhân Trecnobưn, ngày 26 tháng 4 năm 1986 và nhà máy Mayak, ngày 29 tháng 9 năm 1957 Tuy nhiên, phục vụ cuộc sống nhằm kéo dài và nâng cao

2

chất lượng cuộc sống đó là mục đích của mọi ngành khoa học chân chính Bức xạ hạt nhân khi sử dụng với mục đích phá hoại hoặc trong những sự cố không kiềm soát thì nó có tác hại vô cùng to lớn Nhưng khi sử dụng với mục đích cải thiện, nâng cao chất lượng và giúp ích cuộc sống thì bức xạ hạt nhân

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Bức xạ hạt nhân

-Phạm vi nghiên cứu: Tính chất và ứng dụng của các loại bức xạ hạt

nhân

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để thực hiện mục đích trên, luận văn có nhiệm vụ nghiên cứu những

vấn đề sau:

- Các loại bức xạ hạt nhân và tính chất cơ bản của chúng

- Tương tác của bức xạ hạt nhân với vật chất

- Một số ứng dụng của bức xạ hạt nhân

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu, phân tích tổng hợp và các phương pháp trong ngành vật lý lý thuyết

6 Cấu trúc khóa luận

Ngoài phần mở đầu và kết luận khóa luận gồm ba chương:

Chương 1: Tìm hiểu chung về bức xạ hạt nhân và các loại bức xạ hạt nhân Chương 2: Tính chất vật lý của các tia bức xạ

Chương 3: Ứng dụng của các nguồn bức xạ

3

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU CHUNG VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN

VÀ CÁC LOẠI BỨC XẠ HẠT NHÂN 1.1 Bức xạ hạt nhân là gì?

Mọi vật đều được cấu tạo từ nguyên tử Khối lượng nguyên tử tập trung

ở phần hạt nhân nguyên tử mà độ lớn của nó chỉ bằng một phần tỷ của nguyên

tử Xung quanh hạt nhân hầu như là khoảng trống, ngoại trừ những phần tử rất nhỏ mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân được gọi là electron Các electron quyết định tính chất hóa học của một chất nhất định Nó không liên quan gì với hoạt độ phóng xạ Hoạt độ phóng xạ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc hạt nhân

Một nguyên tố được xác định bởi số lượng proton trong hạt nhân Hydro

có 1 proton, Heli có 2 proton, Liti có 3 proton, Berili có 4 proton, Bo có 5 proton, Cacbon có 6 proton Số lượng proton nhiều hơn, thì hạt nhân nặng hơn Thori có 90 proton, Protatini có 91 proton và Urani có 92 proton được xem là những nguyên tố siêu Urani

Số lượng các nơtron quyết định hạt nhân có mang tính phóng xạ hay không Để các hạt nhân ổn định, số lượng các nơtron trong hầu hết mọi trường hợp đều phải lớn hơn số lượng proton một ít Ở các hạt nhân ổn định proton và nơtron liên kết với nhau bởi lực hút rất mạnh của hạt nhân mà không phần tử nào thoát ra ngoài Trong trường hợp như vậy, hạt nhân sẽ tồn tại bền vững Tuy nhiên mọi việc sẽ khác đi nếu số lượng nơtron vượt khỏi mức cân bằng Trong trường hợp này, thì hạt nhân sẽ có năng lượng dư và đơn giản là sẽ không liên kết được với nhau Sớm hay muộn thì nó cũng phải

xả phần năng lượng dư thừa đó Hạt nhân khác nhau thì việc giải thoát năng lượng dư thừa cũng khác nhau, dưới dạng các sóng điện từ và các dòng phân

tử Năng lượng đó được gọi là bức xạ

Thí dụ Radi biến thành Radon và phát ra các hạt :

Ra

226

88  22286Rn + 24He

Các hạt  cũng đƣợc phát ra từ một số chất phóng xạ nhân tạo Những chất này nằm ở giữa hoặc cuối bảng tuần hoàn các nguyên tố (Gd, Tb, Pu,

Am, …)

Năng lƣợng của hạt  đƣợc phát ra bởi các hạt nhân phóng xạ khác nhau nằm trong vùng từ 3 đến 9 MeV Các đồng vị phóng xạ khác nhau có thể phát ra một hoặc một số nhóm hạt  đơn năng

Năng lƣợng của một nhóm hạt  đã cho thì phụ thuộc vào trạng thái năng lƣợng của hạt nhân phát bức xạ và hạt nhân là sản phẩm phân rã Theo nghĩa này, các hạt  đôi khi còn đƣợc gọi là các hạt quãng chạy ngắn hoặc quãng chạy dài so với các hạt đƣợc tạo thành khi chuyển từ trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ về trạng thái cơ bản của hạt nhân con Chẳng hạn, hạt  xuất hiện trong kết quả phân rã  từ trạng thái kích thích của hạt nhân mẹ về trạng thái cơ bản của hạt nhân con sẽ có năng lƣợng lớn hơn Các hạt  nhƣ vậy gọi

là hạt  quãng chạy dài Các hạt  quãng chạy ngắn đƣợc gọi là những hạt xuất hiện trong chuyển dời từ trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ về trạng thái kích thích của hạt nhân con

Cũng có thể thu đƣợc các hạt  trong máy gia tốc Máy gia tốc thuận tiện hơn cả để thu hạt  là xyclotron, trong đó hạt nhân nguyên tử heli có thể

5

được truyền năng lượng vài chục triệu electron vôn Với máy gia tốc fazotron người ta có thể thu được các chùm hạt  năng lượng hàng trăm MeV

Trong không gian bức xạ  không truyền đi được xa và bị cản lại toàn

bộ bởi một tờ giấy hoặc bởi lớp màng ngoài da Tuy nhiên, nếu một chất phát tia  được đưa vào cơ thể nó sẽ phát ra năng lượng ra các tế bào xung quanh

Ví dụ trong phổi, nó có thể tạo ra liều chiếu trong đối với các mô nhạy cảm,

mà các mô này thì không có lớp bảo vệ bên ngoài giống như da

P

32

15  10e + 1632S Các electron phát ra trong phân rã của các hạt nhân phóng xạ được gọi

là các hạt β- (01e) Khác với phổ năng lượng gián đoạn của các hạt , phổ năng lượng của các hạt β-

là phổ liên tục Năng lượng của chúng thay đổi từ 0

đến một giá trị giới hạn E gh nào đó đặc trưng cho từng đồng vị phóng xạ Thí

dụ, năng lượng cực đại phổ β- của 32P bằng 1,7 MeV, của 14C bằng 0,155 MeV Năng lượng gián đoạn nhỏ nhất được biết ngày nay là năng lượng của các hạt β- do triti phát ra.(3H, E gh = 18 keV)

Các pozitron do các chất phóng xạ phát ra được gọi là các hạt β+ (01e), phổ β+ cũng liên tục, thay đổi từ 0 đến một giá trị cực đại nào đó, đặc trưng cho mỗi đồng vị Thông thường các hạt β+ được các đồng vị có không đủ neutron so với đồng vị bền của nguyên tố này phát ra Như vậy, tia β là chùm điện tử phát sinh ra từ hạt nhân nguyên tử, có kèm theo hiện tượng hạt nhân trung hòa (nơtron) biến thành hạt mang điện (proton) hoặc ngược lại

6

Tia β có thể bị cản lại bởi tấm kim loại, kính hay quần áo bình thường

và nó có thể xuyên qua được lớp ngoài của da Nó có thể làm tổn thương lớp

da bảo vệ Trong vụ tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986, các tia β mạnh đã làm cháy da những người lính cứu hỏa Nếu các bức xạ β phát ra trong cơ thể nó có thể chiếu xạ trong lên các mô trong đó

1.2.3 Bức xạ gamma (γ)

Bức xạ γ là dạng năng lượng sóng điện từ

Mỗi động tác phân rã phóng xạ phát ra hạt tích điện đều dẫn tới sự hình thành một hạt nhân là sản phẩm phân rã Thường hạt nhân mới này được hình thành ở trạng thái kích thích Thời gian tồn tại của hạt nhân ở trạng thái kích thích có thể rất khác nhau Nó có thể có giá trị đo bằng đơn vị ngày, giờ, phút

và những phần rất nhỏ của giây Trong nhiều trường hợp, hạt nhân sản phẩm phân rã bị kích thích chuyển về trạng thái cơ bản hầu như một cách tức thời ngay sau động tác phân rã (sau 10-13 đến 10-8

s) kèm theo sự giải phóng năng lượng dư Chuyển dời từ trạng thái kích thích thường xảy ra theo kiểu nhảy bậc qua các trạng thái kích thích trung gian với năng lượng nhỏ hơn Chuyển dời về trạng thái năng lượng thấp hơn có thể xảy ra hoặc bằng cách phát bức

xạ điện từ (các tia γ) hoặc bằng cách phát ra các electron biến hoán trong

Năng lượng kích thích của các hạt nhân thu được trong phân rã phóng

xạ của các đồng vị khác nhau, có thể có giá trị từ một vài keV đến một vài MeV Khi năng lượng kích thích cao thì chuyển dời của hạt nhân về trạng thái

cơ bản thường xảy ra qua một số tương đối lớn những trạng thái trung gian Điều này dẫn tới xuất hiện trong phổ một số lớn các lượng tử gamma năng lượng khác nhau cũng như một số tương ứng các vạch electron biến hoán trong

Tia γ được tạo ra do sự phân rã của chất phóng xạ, chẳng hạn như Cobalt-60 và Xedi-137

7

Tia γ có thể đi được khoảng cách lớn trong không khí và có độ xuyên mạnh Khi tia γ bắt đầu đi vào vật chất, cường độ của nó cũng bắt đầu giảm Trong quá trình xuyên vào vật chất, tia γ va chạm với các nguyên tử Các va chạm đó với tế bào của cơ thể sẽ làm tổn hại cho da và các mô ở bên trong Các vật liệu đặc như chì, bê tông là tấm chắn lý tưởng đối với tia gamma

1.2.4 Bức xạ neutron

Neutron là hạt trung hòa về điện và có khối lượng lớn hơn khối lượng proton một chút Neutron được Chadwich khám phá vào năm 1932 khi dùng hạt  bắn vào bia berili Các neutron được tạo thành trong phản ứng:

9

Be +  12

C + n Ngày nay, phản ứng này thường được sử dụng để thu neutron (các nguồn: Ra + Be; Po + Be)

Cũng có thể thu các chùm hạt neutron tự do bằng những phản ứng hạt nhân khác Ví dụ trong máy phát neutron thì neutron được tạo thành trong các phản ứng: D (d,n)3He hoặc T (d,n)4He

Năng lượng neutron thu được trong phản ứng T (d,n)4

He = 18 MeV, D (d,n)3He = 4 MeV

Những nguồn neutron khác ngày nay là các lò phản ứng hạt nhân, trong

đó neutron được tạo thành từ quá trình phân chia hạt nhân Uranium hoặc Plutonium

Neutron có mặt trong một lượng không lớn trong thành phần của các hạt vũ trụ thứ cấp, được tạo thành trong quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ

sơ cấp với khí quyển

Thực nghiệm đã chứng minh rằng neutron có tính phóng xạ β và phân

rã với chu kì bán rã T1/2 = 12,8 min và năng lượng giới hạn của phổ β bằng

Egh = 782 keV

Bản thân neutron không phải bức xạ ion hóa, nhưng nếu va chạm với các hạt nhân khác, nó có thể kích hoạt các hạt nhân hoặc gây ra tia gamma

8

hay các hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây ra bức xạ ion hóa Neutron có sức xuyên mạnh hơn tia gamma và chỉ có thể bị ngăn chặn lại bởi tường bê tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn Paraphin Bức xạ neutron chỉ tồn tại trong lò phản ứng hạt nhân và các nhiên liệu hạt nhân

1.2.5 Bức xạ tia X

Tia X có những đặc điểm tương tự như tia γ, nhưng bức xạ γ được phát

ra bởi hạt nhân nguyên tử, còn tia X do con người tạo ra trong một ống tia X

mà bản thân nó không có tính phóng xạ Tia X bao gồm một hỗn hợp của các bước sóng khác nhau, trong khi năng lượng tia γ có một giá trị cố định (hoặc hai) đặc trưng cho chất phóng xạ

9

CHƯƠNG 2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TIA BỨC XẠ

Các bức xạ khảo sát bao gồm các hạt tích điện như alpha, beta, các tia gamma và tia X Trong quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, năng lượng của tia bức xạ được truyền cho các electron quỹ đạo hoặc cho hạt nhân nguyên tử tùy thuộc vào loại và năng lượng của bức xạ cũng như bản chất của môi trường hấp thụ Các hiệu ứng chung khi tương tác của bức xạ với vật chất

là kích thích và ion hóa nguyên tử của môi trường hấp thụ

2.1 Tương tác của hạt anpha với vật chất

2.1.1 Quá trình truyền năng lượng của hạt alpha

Các hạt  với điện tích gấp đôi điện tích cơ bản và khối lượng gần bằng

7300 lần khối lượng của electron (M= 7300 me), khi đi qua vật chất gây ra

sự ion hóa rất mạnh các nguyên tử của vật chất này Chúng mất năng lượng

do ion hóa và kích thích nguyên tử của môi trường hấp thụ Khi đi qua phần không khí của tế bào xốp, hạt  mất một lượng năng lượng trung bình 35 eV cho một cặp ion Do hạt  có điện tích lớn hơn hạt β hai lần và khối lượng rất

10

lớn, dẫn tới vận tốc của nó tương đối thấp nên độ ion hóa riêng của nó rất cao,

vào khoảng hàng nghìn cặp ion trong không khí (hình 2.1)

Hình 2.1 Quá trình truyền năng lượng của hạt alpha

Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của tất cả các hạt tích điện nặng hơn

hạt electron, trong đó có hạt , tuân theo công thức:

dx

dE

4 9 4

2

10 6 , 1

) 10 3 ( 4



Mv

NZ q z

2 ln

c

v c

v I

Mv

MeV/cm (2.1)

Trong đó: z là số nguyên tử của hạt gây ion hóa, z = 2 đối với hạt 

q = 1,6.10-19C , điện tích của electron

Zq là điện tích của hạt gây ion hóa

M là khối lượng tĩnh của hạt gây ion hóa

M = 6,6.10-24 g đối với hạt 

v là vận tốc của hạt gây ion hóa

2.1.2 Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất

Hạt  có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa Trong không khí, ngay cả hạt  có năng lượng cao nhất do các nguồn phóng

xạ phát ra cũng chỉ đi được một vài centimet, còn trong mô sinh học quãng chạy của nó có kích thước cỡ micromet Có hai định nghĩa về quãng chạy của hạt , là quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy, được minh họa trên hình 2.2

Hình 2.2 Quãng chạy của hạt alpha

12

Trên hình 2.2 đường cong hấp thụ của hạt  có dạng phẳng vì nó là hạt đơn năng lượng Ở cuối quãng chạy, số đếm các hạt  giảm nhanh khi tăng bề dày chất hấp thụ Quãng chạy trung bình được một nửa chiều cao đường hấp thụ còn quãng chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0

2.2 Tương tác của hạt beta với vật chất

2.2.1 Sự ion hóa (Ionization)

Do hạt β mang điện tích nên cơ chế tương tác của nó với vật chất 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

β mất một phần năng lượng E t để đánh bật một electron quỹ đạo Động năng

E k của electron bị bắn ra liên hệ với thế năng ion hóa của nguyên tử E và độ mất năng lượng E t như sau:

13

Do hạt β chỉ mất một phần năng lượng E t 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 một cặp ion thường gấp 2 đến 3 lần năng lượng ion hóa Bởi vì, ngoài quá trình ion hóa, hạt β còn mất năng lượng

do kích thích nguyên tử

Do hạt β có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa chúng làm hạt β chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu Do đó hạt β chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm trong môi trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi mất hết năng lượng

2.2.2 Độ ion hóa riêng (Specific ionzation)

Độ ion hóa riêng là số cặp ion được tạo ra khi hạt β chuyển động được một centimet trong môi trường hấp thụ Độ ion hóa riêng khá cao đối với hạt

β năng lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt β và đạt cực tiểu ở năng lượng khoảng 1 MeV, rồi sau đó tăng chậm (hình 2.3)

6 2

4 9 4

1

ln 10

6 , 1

10 3

NZ q dx

E m = 0,51 MeV , năng lượng tĩnh của electron

E k là động năng của hạt beta

β = v/c, trong đó v là vận tốc của hạt beta còn c = 3.1010 cm/s

I = 8.6.10-5 MeV đối với không khí và I = 1,36.10-5

) / ( /

i c eV w

cm eV dx dE

, (2.5)

trong đó c.i là cặp ion

2.2.3 Hệ số truyền năng lượng tuyến tính (LET)

Độ ion hóa riêng được dùng xem xét độ mất năng lượng do ion hóa Khi quan tâm đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng lượng tuyến tính của môi trường khi hạt β đi qua nó Đại lượng xác định tốc

độ hấp thụ năng lượng nói trên là hệ số truyền năng lượng tuyến tính

15

Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) được

định nghĩa theo công thức sau:

dl

dE LET  l , (2.6)

trong đó dE l là năng lượng trung bình mà hạt β truyền cho môi trường hấp thụ

khi đi qua quãng đường dài dl Đơn vị đo thường dùng đối với LET là

keV/m

2.2.4 Bức xạ hãm (Brensstrahlung)

Khi hạt β đến gần hạt nhân, lực hút Comlomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu và mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, gọi

là bức xạ hãm, hay Brensstrahlung Năng lượng bức xạ hãm phân bố liên tục

từ 0 đến giá trị cực đại bằng động năng của hạt β Khó tính toán dạng của năng lượng phân bố các bức xạ hãm nên người ta thường sử dụng các đường cong đo đạt thực nghiệm

Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng công thức gần đúng sau đây:

f = 3,5.10-4ZE βmax (2.7)

trong đó f là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon,

Z là số nguyên tử của chất hấp thụ,

E βmax (MeV) là năng lượng cực đại của hạt beta

Công thức (2.7) cho thấy khả năng sinh bức xạ hãm tỉ lệ thuận với số nguyên tử chất hấp thụ Do đó, vật liệu dùng che chắn tia beta thường được làm từ các vật liệu nhẹ Nhôm với Z = 13 là vật liệu che chắn tia beta nặng nhất và cũng ít khi được sử dụng

2.2.5 Quãng chạy của hạt beta trong vật chất

Do hạt β mất năng lượng dọc theo đường đi của mình nên nó chỉ đi được một quãng đường hữu hạn Như vậy, nếu cho một chùm tia β đi qua bản vật chất, chùm tia này bị dừng lại sau một khoảng đường đi nào đó Khoảng

16

đường đi này gọi là quãng chạy (range) của hạt β, quãng chạy của hạt β phụ thuộc vào năng lượng tia β và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ Biết được quãng chạy của hạt β với năng lượng cho trước có thể tính được độ dày của vật che chắn làm từ vật liệu cho trước Một đại lượng thường dùng khi tính toán thiết kế che chắn là độ dày hấp thụ một nửa (absorber half – thickness), tức là độ dày của chất hấp thụ làm giảm số hạt β ban đầu còn lại 1/2 sau khi đi qua bản hấp thụ Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ dày hấp thụ một nửa vào khoảng 1/8 quãng chạy Hình 2.4 trình bày sự phụ thuộc quãng chạy cực đại của các hạt β vào năng lượng của chúng đối với một số chất hấp thụ thông dụng Hình 2.4 cho thấy rằng quãng chạy của hạt β với năng lượng cho trước giảm khi tăng mật độ chất hấp thụ

Không khí

Nước Plastic

Nhôm

4 0,01

trong đó là mật độ khối của chất hấp thụ tính theo g/cm3

Việc sử dụng bề dày mật độ làm dễ dàng cho việc tính toán vì khi đó bề dày không phụ thuộc vào vật liệu cụ thể

bề dày mật độ

Đối với miền năng lượng beta E > 2,5 MeV và miền quãng chạy R >

1200

R = 530E – 106 (2.11)

Trong đó: R là quãng chạy, tính theo mg/cm2

E là năng lượng cực đại của tia β, tính theo đơn vị MeV

2.3 Tương tác của tia X và tia gamma với vật chất

2.3.1 Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường

Tia X và tia γ có cùng bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng cao Do sự tương tác của các tia này với vật chất có tính chất chung nên

để đơn giản ta gọi là tương tác của tia γ với vật chất

Sự suy giảm bức xạ γ khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các bức xạ  và β Bức xa  và β có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong khi

đó bức xạ γ chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn

Ta xét một chùm tia hẹp γ đơn năng với cường độ ban đầu I 0 Sự thay đổi cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:

dI = -Idx , (2.12)

trong đó  là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient) Đại lượng này có thứ nguyên (độ dày)-1

và thường tính theo cm-1 Từ (2.12) có thể viết phương trình:

19

I

dI

= - dx (2.13) Giải phương trình ta được:

I = I0 x

e (2.14)

Hệ số suy giảm tuyến tính  phụ thuộc vào năng lượng bức xạ của γ và mật độ vật liệu môi trường  =  (E,  )

2.3.2 Các cơ chế tương tác của tia X và tia gamma với vật chất

Do sự tương tác của các tia X và tia γ với vật chất có tính chất chung nên để đơn giản ta gọi là sự tương tác của tia γ với vật chất Tương tác của γ không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện Tuy nhiên, khi γ tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron – positron (là hạt có khối lượng bằng electron nhưng mang điện tích dương +e) Đến lượt mình, các electron này gây ion hóa và đó

là cơ chế cơ bản mà tia γ năng lượng cao có thể ghi đo và cũng nhờ đó chúng

có thể gây nên hiệu ứng sinh học phóng xạ Có ba dạng tương tác cơ bản của tia γ với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp

2.3.2.1 Hiệu ứng quang điện

Khi γ va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, γ biến mất và năng lượng của γ được truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử Electron này được gọi là quang electron (photoelectron) Quang electron nhận được động năng bằng hiệu số giữa năng lượng gamma tới và năng lượng liên kết của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra, nghĩa là:

B

e E E

E   (2.15) Trong đó: E e là động năng của quang điện tử

E là năng lượng của lượng tử gamma

E B là năng lượng liên kết của electron trên lớp vỏ