Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn

Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Xác định vị trí của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn

QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN

SVTH : VŨ TIẾN BẢO ĐĂNG

CBHD : TS TRẦN THIỆN THANH CBPB : TS VÕ HỒNG HẢI

-

TP HỒ CHÍ MINH – 2013

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình trong nước và thế giới

Ngày nay trong nước cũng như trên thế giới có nhiều công trình khoa học đề cập đến vấn đề khảo sát phóng xạ trong thùng rác thải và đưa ra nhiều cải tiến để cải thiện các vấn đề trên

1.1.1 Kỹ thuật quét gamma phân đoạn (SGS)

Kỹ thuật quét gamma phân đoạn (SGS) được phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos – Mỹ vào đầu những năm 1970 Kỹ thuật này được sử dụng

để đo đạc phân tích hoạt độ của chất thải phóng xạ Kỹ thuật này được áp dụng nhiều trong thực tiễn vì độ tin cậy cao, giá thành sản xuất phù hợp, dụng cụ đo và lắp ráp không quá phức tạp…

Kỹ thuật này giả thiết rằng các nguồn phóng xạ và chất độn trong thùng rác thải là phân bố đồng nhất Tuy nhiên, trên thực tế nguồn và chất độn phân bố là không đồng nhất nên kỹ thuật này gây ra sai số lớn Kỹ thuật này phổ biến nhất trong các kỹ thuật phân tích không huỷ mẫu chất thải hạt nhân

Kỹ thuật này sử dụng ống chuẩn trực gắn đồng trục với đầu dò để xác định

sự suy giảm số đếm của nguồn khi đi qua chất độn trong thùng rác thải phóng xạ Nguồn và đầu dò đặt đồng trục, đối diện hai phía với nhau qua thùng Nguồn phát tia gamma qua thùng và được đầu dò ghi lại từ đó ta có thể xác định một cách tương đối gần đúng hệ số hấp thụ trung bình tuyến tính của chất độn trong thùng rác thải

Với kỹ thuật này, thùng rác thải chia càng nhiều phân đoạn ngang, số đếm từng phân đoạn được đầu dò ghi nhận lại Kết quả phân tích thể hiện số đếm ghi nhận tương ứng trên từng phân đoạn

Hình 1.1: Hệ quét gamma phân đoạnmô hình ANTECH G3200-340[11] 1.1.2.Xây dựng lại hoạt độ của nguồn điểm cho các đặc tính của thùng rác thải phóng xạ bằng kỹ thuật quét gamma phân đoạn [4]

Phương pháp này cải thiện độ tin cậy và độ chính xác trong việc xây dựng lại hoạt độ tổng của các đồng vị phóng xạ trong thùng rác thải với phân bố nguồn không đồng nhất Phương pháp này dựa trên kỹ thuật làm khớp chi bình phương χ2

của sự phân bố góc và tốc độ đếm đo trong một vòng quay của thùng trong kỹ thuật quét gamma phân đoạn Phương pháp mới này dựa trên những tính toán phân tích

về sự phân bố số đếm theo góc Phương pháp này sử dụng phần mềm mô phỏng MCNP5 để mô phỏng phân bố số đếm phụ thuộc vào góc của các nguồn điểm

137Csvà60Co Phương pháp này mô tả sự phụ thuộc đó chính xác hơn so với các phương pháp cũ Do đó, việc xây dựng lại hoạt độ này chính xác hơn và sai số giảm đáng kể Hơn nữa phương pháp này còn được so sánh với phương pháp thông thường giả định phân bố nguồn và chất độn là đồng nhất

Phương pháp được sử dụng cho việc tính toán sự phụ thuộc của số đếm vào góc nên việc tính toán hoạt độ nguồn chính xác hơn Sai số của cả hai phương pháp

so với hoạt độ thực của nguồn 1-3% với phương pháp mới và 10-40% với phương pháp cũ tuỳ thuộc vào vị trí của nguồn và cấu hình của matrix

1.1.3.Kỹ thuật dùng hai đầu dò đồng nhất

Kỹ thuật quét gamma phân đoạn (SGS) là một kỹ thuật truyền thống để xác định được đồng vị cũng như hoạt độ của đồng vị đó trong thùng thải Tuy nhiên sai

số hệ thống của kỹ thuật này còn rất lớn vì nhiều yếu tố:

- Sự phân bố của nguồn phóng xạ trong thùng không đồng nhất

- Các thành phần có trong thùng cũng như chất độn phân bố không đồng nhất

- Khoảng cách từ thùng đến đầu dò…

Từ đó một kỹ thuật khác đã được đề ra và nghiên cứu cho việc khảo sát thùng thải có mật độ chất thải thấp, chủ yếu bao gồm các vật liệu hữu cơ (vải vụn, giấy…) Kỹ thuật đó được bố trí bằng cách sử dụng hai đầu dò giống hệt nhau đặt đối diện, thùng thải đặt chính giữa hai đầu dò Các lý do để phát triển kỹ thuật này:

- Việc đo lường này được giới hạn bởi năng lượng của các tia gamma cứng phát ra từ nguồn phát như 137Cs, 134Cs, 60Co…hệ số hấp thụ khối gần như không phụ thuộc vào số hiệu nguyên tử của vật liệu trong matrix, hệ số hấp thụ tuyến tính rất nhỏ (vào khoảng 0,01-0,03 cm-1) bởi vì mật độ chất thải trong thùng thấp (0,2-0,4 g/cm3)

- Việc khảo sát một thùng thải cần tốn rất nhiều thời gian mà trên thực tế số lượng thùng cần được khảo sát rất lớn nên quét chi tiết bằng kỹ thuật quét gamma phân đoạn (SGS) thì không thể áp dụng trên thực tế vì chỉ sử dụng một đầu dò đề quét tất cả các phân đoạn và các góc quay khác nhau của thùng rác thải

- Việc đo đạc bằng kỹ thuật hai đầu dò này đơn giản và có thể sử dụng trong bất kỳ tình huống nào

Tuy nhiên sai số hệ thống của kỹ thuật này còn rất lớn nếu như hoạt độ phóng xạ phân bố rộng trong một khu vực của thùng rác thải

Nguyên lý của kỹ thuật này, hai đầu dò đồng nhất đặt trên trục của thùng với cùng một khoảng cách, nằm hai phía đối diện nhau qua thùng

Hình 1.2: Bố trí hình học của kỹ thuật dùng hai đầu dò đồng nhất

Trong đó: D: khoảng cách từ đầu dò đến thùng

D1: khoảng cách từ đầu dò đến thành thùng x: khoảng cách từ thành thùng đến hình chiếu vuông góc của vị trí nguồn xuống phương của D

x1: khoảng cách từ thành thùng đến nguồn theo phương của D1

1.1.4 Kỹ thuật chụp cắt lớp gamma

Kỹ thuật chụp cắt lớp gamma là một phương pháp mới trong lĩnh vực khảo sát không phá huỷ mẫu của chất thải phóng xạ Khi so sánh kỹ thuật này với kỹ thuật quét gamma phân đoạn, kỹ thuật này mang lại độ chính xác cao hơn cho trường hợp các đồng vị phóng xạ và chất độn phân bố không đồng nhất Kỹ thuật này kết hợp hệ phổ kế gamma độ phân giải cao và tạo hình ba chiều để chụp cắt lớp xác định sự phân bố không gian của nguồn, chất độn trong thùng rác thải và phân tích thành phần các đồng vị phóng xạ có trong thùng Tuy nhiên kỹ thuật này đòi hỏi kinh phí đầu tư và kỹ thuật công nghệ cao

Hình 1.3: Hệ chụp cắt lớp gamma mô hình ANTECH G3850[13]

Về nguyên lý hoạt động, bước đầu chụp cắt lớp vi tính để đo sự suy giảm của cường độ bức xạ đi từ một nguồn ngoài qua chất độn và đến đầu dò, từ đó xác định

hệ số hấp thụ tuyến tính trên từng phân đoạn và tính trung bình Bước hai, đầu dò ghi nhận phổ gamma phát ra từ bên trong thùng rác thải Từ phổ gamma ghi nhận được xác định được các đồng vị phòng xạ vì đồng vị khác nhau sẽ có năng lượng đặc trưng riêng của chúng trong phổ và hoạt độ của đồng vị

Đối với một thùng rác thải với các đồng vị và chất độn phân bố không đồng nhất, kết quả đo đối với kỹ thuật chụp cắt lớp gamma cho sai số thấp hơn nhiều so với các kỹ thuật khác

1.2 Kỹ thuật quét gamma phân đoạn

Phân chia thùng rác thải thành nhiều phân đoạn nằm ngang sau đó dùng đầu

dò gắn ống chuẩn trực ghi nhận số đếm của từng phân đoạn Tổng số đếm của thùng chính là tổng số đếm của tất cả các phân đoạn Để giảm thiểu sai số gây ra do sự phân bố không đồng đều của nguồn và chất độn thì trong quá trình đo thùng sẽ được quay với mỗi phân đoạn

Hình 1.4: Bố trí hình học của kỹ thuật quét ganma phân đoạn

Ci là số đếm hiệu chỉnh.Với i=1,2,3…n số phân đoạn được chia Số đếm thô

CRi được đầu dò ghi nhận trên phân đoạn thứ i CFi hệ số suy giảm do chất độn bởi phân đoạn thứ i, có thể được tính bằng công thức:

i

i

-0.823.μ d i

Nếu hệ số trung bình tuyến tính chưa biết, ta có thể sử dụng một nguồn ngoài

để tính hệ số truyền qua:

t 0

I

T =

Trong đó: I0: cường độ nguồn ngoài khi không có mẫu

I: cường độ khi mẫu đặt giữa đầu dò và nguồn

Tt: phần năng lượng của bức xạ xác định được sau khi truyền qua bề dày vật chất

t

μ μ t

T là phần năng lượng được xác định khi năng lượng truyền từ nguồn đến đầu

dò mà không bị lớp vật chất nào hấp thụ (trừ không khí)

Cách này dùng để xác định CFi trong kỹ thuật quét gamma phân đoạn (SGS)

vì hệ số hấp thụ trung bình tuyến tính thay đổi qua từng phân đoạn do chất độn phân

bố không đồng nhất trong thùng rác thải

0,823 i

Hoạt độ của đồng vị cần được xác định:

0,693 td Th

T

C e

I =

Trong đó: td: thời gian phân rã tính từ lúc nguồn được sản xuất đến lúc đo

t: thời gian đo

Th: chu kì bán rã của các đồng vị phóng xạ

Y: hiệu suất tia gamma

ε: hiệu suất ghi của đầu dò

Các phương trình trên đều dựa trên hai giả thuyết là khoảng cách từ mẫu trong mỗi phân đoạn đến đầu dò là vô hạn và mẫu là đồng nhất

Hệ số hình học: Vì các nguồn phóng xạ trong thùng trải rộng và phân bố không đều nên số đếm Ci phụ thuộc vào vị trí của các mẫu trong thùng Điều này có thể dẫn đến các sai số tiềm tàng, việc gia tăng khoảng cách từ đầu dò đến thùng có thể giảm thiểu sai số này nhưng phải trả giá bằng việc suy giảm số đếm Do vậy thùng được xoay để giảm thiểu sai số gây ra bởi sự phân bố không đồng đều trong thùng Sự lựa chọn khoảng cách từ thùng đến đầu dò sao cho có sự cân bằng giữa tối thiểu hóa sai số và có được số đếm chính xác tối đa Sự biến đổi số đếm tối đa theo vị trí là nhỏ hơn 10% nếu khoảng cách từ tâm thùng đến đầu dò là bằng hoặc lớn hơn ba lần độ lớn của bán kính thùng và mẫu được xoay

Sai số của phương pháp

Trong phương pháp này, thùng rác thải được chia thành nhiều phân đoạn nằm ngang Dựa trên mô phỏng, những thông số ảnh hưởng đến sai số:

- Chất độn biểu thị sự hấp thụ gamma và sự phân bố theo không gian của hệ

số hấp thụ

- Sự phân bố của nguồn phóng xạ trong một phân đoạn

- Khoảng cách từ đầu dò đến tâm thùng

Mô hình thùng chất thải phóng xạ thường được sử dụng trong thực tế và mô phỏng với thể tích 220 lít, đường kính 58 cm và chiều cao 86 cm Phép đo gamma được thực hiện ở năng lượng của các đồng vị sản phẩm phân hạch, từ 140 keV đến

1400 keV Với khoảng năng lượng gamma đã cho, các hệ số hấp thụ tuyến tính trung bình của chất độn đối sẽ trong khoảng 0,01 cm-1 đến 0,14 cm-1 Trong khoá luận này, hệ số hấp thụ tuyến tính trung bình là từ 0,03 - 0,12 cm-1 và 0,0498 cm-1ứng với chất độn là cát Ta xét trường hợp các nguồn điểm trong chất độn là đồng

nhất [5]

Giả thiết có một nguồn điểm hoạt độ thực là Id trong một phân đoạn Thì số đếm thực của nguồn đó sẽ được tính như sau:

j -μ.L n d

2 j=1 j

I

C =

Trong đó: Lj: độ dài quãng đường tia gamma trong thùng

Hj: khoảng cách từ nguồn đến đầu dò

Lj, Hj phụ thuộc vào góc θj, khoảng cách từ nguồn đến tâm thùng r, khoảng cách từ đầu dò đến tâm thùng K và bán kính thùng R

n: số góc θj khác nhau cho mỗi số đếm

µ: hệ số hấp thụ tuyến tính

α: hệ số phụ thuộc năng lượng tia gamma và hiệu suất đầu dò

Hình 1.5: Mặt cắt ngang của một phân đoạn Id

sẽ được hiệu chỉnh là:

Đánh giá sai số để xem kết quả của mô hình có khả dụng hay không Nếu sai

số tồn tại lớn thì không thể áp dụng kỹ thuật này vào thực tế vì không xác định được một cách chính xác hoạt độ của thùng rác thải Dẫn đến việc bảo quản và cất giữ thùng rác thải chưa đúng thông số về kỹ thuật an toàn sẽ thật sự rất nguy hiểm Nếu đánh giá hoạt độ lớn hơn hoạt độ thực của thùng rác thải thì sẽ dẫn đến thừa vật che chắn gây lãng phí, ngược lại đánh giá hoạt độ nhỏ hơn với hoạt độ thực của thùng rác thải dẫn đến việc che chắn thiếu an toàn gây nguy hiểm cho khu vực xung quanh nơi cất giữa các thùng rác thải

1.3 Tổng quan về gamma [1]

Bức xạ gamma là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn 10-8 cm, được tạo ra khi hạt nhân nguyên tử ở trạng thái kích thích có năng lượng cao chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và dần chuyển về trạng thái cơ bản phát ra lượng

tử có mức năng lượng đúng bằng mức năng lượng mà nó chuyển đổi và có dạng phổ vạch thì nó được gọi là bức xạ gamma

Bức xạ gamma khi tương tác với vật chất có tính chất cơ bản là tương tác với môi trường vật chất theo các quá trình hấp thụ hay tán xạ mất dần năng lượng theo quy luật suy giảm hàm mũ, được mô tả theo công thức:

0

Trong đó: µ: hệ số suy giảm khối;

ρ: mật độ khối của vật chất suy giảm

I0, I: lần lượt là cường độ tia gamma khi chưa đi qua lớp vật chất và khi đi qua lớp vật chất có bề dày là x

Trong quá trình hấp thụ: Tia gamma truyền toàn bộ năng lượng cho vật chất Năng lượng đó làm cho các hạt thứ cấp chuyển động trong môi trường đồng thời tia gamma biến mất

Trong quá trình tán xạ: Tia gamma truyền một phần năng lượng cho các hạt vật chất và thay đổi phương chuyển động đồng thời giảm năng lượng

Lượng tử gamma không tích điện do đó quá trình làm chậm lượng tử gamma trong môi trường vật chất không thực hiện liên tục như những hạt tích điện vì khi tương tác với electron và nguyên tử của môi trường, lượng tử gamma tương tác theo

1.3.1 Hiệu ứng quang điện

Lượng tử gamma va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao toàn bộ năng lượng của mình cho electron liên kết của nguyên tử Một phần năng lượng này giúp electron thắng lực liên kết, phần còn lại trở thành động năng của electron Theo định luật bảo toàn năng lượng:

e- 0

Trong đó: I0: năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử

Te-: động năng của electron

Từ hệ thức trên, ta thấy rằng hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra khi Te->I0

Hình 1.6: Hiệu ứng quang điện

Động lượng của hệ được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên tử Do điều kiện bảo toàn năng lượng và động lượng electron tự do không thể hấp thụ hay bức xạ một photon Do đó, hiệu ứng quang điện xảy ra mạnh nhất đối với lượng tử gamma

có năng lượng cùng bậc với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Đối với các electron nằm ở các lớp vỏ nguyên tử sâu và với nguyên tử có bậc số nguyên

tử Z lớn, năng lượng liên kết của electron càng lớn Vì vậy, với khoảng năng lượng của bức xạ gamma cao hơn tia X, hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu ở lớp K (30%) Mặt khác, hiệu ứng quang điện tăng mạnh đối với môi trường vật chất có bậc số nguyên tử lớn

Tiết diện hấp thụ tỉ lệ với Z5 nghĩa là tăng rất nhanh với các nguyên tố nặng Tiết diện hấp thụ tỉ lệ với E-3,5 khi năng lượng của lượng tử gamma chỉ xấp xỉ lớn hơn năng lượng liên kết, điều đó có nghĩa là tiết diện hấp thụ của hiệu ứng quang điện sẽ giảm nhanh khi năng lượng tăng

Hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện bằng:

Trong đó: N: số lượng nguyên tử trên một đơn vị thể tích.

ρ: khối lượng riêng

Do vậy, η tỷ lệ thuận với ζ (E)f và sự xuất hiện các cạnh trên đường biểu diễn ηở các năng lượng hơi lớn hơn năng lượng liên kết của electron cho thấy sự thay đổi gián đoạn của ζ (E)f

Trong khoảng năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử, tiết diện hấp thụ ζ (E)f rất lớn hơn so với tiết diện của các quá trình khác, như được biểu diễn trên hình Khi tăng năng lượng, tiết diện hấp thụ ζ (E)f giảm mạnh, vì khi đó electron trong nguyên tử được xem như electron tự do

Hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ chủ yếu ở vùng năng lượng thấp, vai trò của nó trở nên không đáng kể ở vùng năng lượng cao

1.3.2 Tán xạ Compton

Hiệu ứng Compton là hiện tượng lượng tử gamma tán xạ trên electron của nguyên tử và lệch khỏi hướng đi ban đầu Năng lượng của lượng tử gamma ban đầu được truyền cho electron và lượng tử gamma tán xạ Do năng lượng của lượng tử gamma lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử nên electron được xem là electron tự do

Hình 1.7: Hiệu ứng tán xạ Compton

Giả sử trước lúc va chạm electron đứng yên, áp dụng định luật bảo toàn nănglượng và động lượng ta có:

2 0

hνhν' =

hν

m c

Trong đó: hν': năng lượng của lượng tử gamma tán xạ

hν: năng lượng của lượng tử gamma ban đầu

Tiết diện vi phân tán xạ Compton trên một electron được tính theo công thức:

2 2

hν

α =

m c

r0: bán kính cổ điển của electron

Khi năng lượng của lượng tử gamma tăng, hiệu ứng hấp thụ quang điện trở thành cơ chế tương tác thứ yếu Hiệu ứng Compton trở thành cơ chế tương tác chiếm ưu thế trong khoảng năng lượng lớn hơn nhiều năng lượng liên kết trung bình của electron trong nguyên tử

Tiết diện tán xạ Compton ζc rõ ràng độc lập với điện tích hạt nhân Do đó,

hệ số hấp thụ tuyến tính μc của hiệu ứng tán xạ Compton phụ thuộc vào bậc nhất của Z

-1

Trong đó: n: số nguyên tử trong một đơn vị thể tích

Tán xạ Compton với nhân không đáng kể vì bán kính electron cổ điển đối với nhân rất nhỏ

1.3.3 Hiệu ứng tạo cặp

Khi năng lượng của lượng tử gamma lớn hơn rất nhiều so vơi 2m0c2bằng 1,022 MeV thì quá trình tương tác chính của gamma lên vật chất là sự tạo cặp

electron-positron Cặp e-, e+ sinh ra trong trường điện từ của nhân, khi đó lượng tử gamma biến mất và năng lượng của nó truyền hết cho cặp e-

, e+ và nhân giật lùi Năng lượng giật lùi của nhân không đáng kể, do đó biểu thức định luật bảo toàn năng lượng được viết:

Trong đó : T-, T+ : lần lượt là động năng của electron và positron

m0 : khối lượng của electron

Các e-, e+ sinh ra trong trường điện từ của nhân nên các e+ sẽ bay ra khỏi hạt nhân, còn e- bị hãm lại Do đó phổ năng lượng đo được khác nhau đối với hai loại này Sự khác nhau càng tăng đối với môi trường có Z lớn Do khối lượng nghỉ của lượng tử gamma sẽ bằng 0, nên nó chỉ có thể tạo cặp nếu năng lượng của nó lớn hơn tổng năng lượng nghỉ của electron và positron Do đó, hiệu ứng tạo cặp có thể bỏ qua khi năng lượng của lượng tử gamma nhỏ hơn 1,022 MeV Trên ngưỡng năng lượng này, tiết diện tương tác tăng và đạt đến một giá trị không đổi ở năng lượng rất

ζ 0,08Z r với r0 là bán kính cổ điển của electron

Hình 1.8: Hiệu ứng tạo cặp

Vì cả hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton có tiết diện tán xạ giảm đến 0 ở khoảng năng lượng rất cao, nên sự tạo cặp ở vùng này là cơ chế chủ yếu hấp thụ bức xạ gamma Ở mọi mức năng lượng, tiết diện tán xạ đều tỉ lệ với Z2

μ: gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính Hệ số hấp thụ tuyến tính hoàn toàn mô tả

sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua môi trường vật chất Nó phụ thuộc vào tính chất của môi trường và năng lượng của lượng tử gamma

Khi đi vào môi trường vật chất, bức xạ gamma có thể tương tác với môi trường vật chất theo cơ chế hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp Do đó,

hệ số hấp thụ tuyến tính toàn phần của vật chất là tổng của các hệ số hấp thụ ứng với các quá trình riêng lẻ:

μ = μ + μ + μ (1.23) Khi tiết diện tán xạ, cần chú ý rằng tâm tán xạ của hiệu ứng quang điện và sự tạo cặp là nguyên tử, còn của hiệu ứng Compton là electron, ta có:

μ = nζ + nZζ + nζ (1.24) Với n là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích của môi trường Số hạng thứ nhất trong công thức chiếm ưu thế ở miền năng lượng thấp, số hạng thứ hai chiếm

ưu thế ở miền năng lượng trung bình (vài MeV) và số hạng thứ ba chiếm ưu thế ở miền năng lượng cao Do đó, hệ số hấp thụ tuyến tính toàn phần có cực tiểu trong khoảng mà hiệu ứng Compton chiếm ưu thế Cực tiểu này càng rõ nét đối với các nguyên tố nặng vì μ , μf  lần lượt tỉ lệ với Z5 và Z2, trong khi μc tỉ lệ với Z

Hệ số suy giảm khối

Hệ số hấp thụ tuyến tính tỉ lệ với mật độ ρ của môi trường vật chất Nghĩa là

hệ số hấp thụ tuyến tính đối với cùng một vật liệu khác nhau nếu mật độ môi trường khác nhau Để tránh sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ tuyến tính vào mật độ vật chất, người ta sử dụng hệ số hấp thụ khối:

Trong các ứng dụng thực tế, ta thường sử dụng khoảng năng lượng từ 2 đến

5 MeV Khi đó, hiệu ứng Compton là cơ chế chiếm ưu thế, tức là hệ số hấp thụ khối toàn phần xấp xỉ bằng hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng tán xạ Compton Do hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng tán xạ Compton bằng nhau đối với các chất khác nhau, hệ

số hấp thụ khối toàn phần gần bằng nhau đối với các chất khác nhau và bức tường bảo vệ tạo bởi mọi chất đều tương đương nhau nếu bề dày của chúng tính bằng g/cm2 như nhau

Hệ số hấp thụ khối của môi trường vật chất cấu tạo từ nhiều thành phần khác nhau cho bởi:

i i

Trình bày được kỹ thuật quét gamma phân đoạn, kỹ thuật dùng hai đầu dò đồng nhất và kỹ thuật chụp cắt lớp gamma và tổng quan về gamma tương tác với vật chất

CHƯƠNG 2

HỆ ĐO THỰC NGHIỆM 2.1 Sơ lược về hệ đo thực nghiệm

Hệ đo được thiết lập dựa trên kỹ thuật quét gamma phân đoạn SGS

Hệ đo sử dụng đầu dò có gắn ống chuẩn trực để phân tích một phân đoạn của thùng rác thải Đặt thùng cố định và dịch chuyển đầu dò lên xuống để đo hết số phân đoạn đã chia

Thùng rác thải đặt trong hệ quay, quay thùng theo từng phân đoạn dọc để đầu dò ghi nhận số đếm của từng phân đoạn

Hình 2.1: Bố trí thí nghiệm trong khoá luận 2.2 Thiết bị thí nghiệm

Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)

Đầu dò NaI(Tl) bao gồm: tinh thể NaI(Tl) 7,62 cm x 7,62 cm được nối với ống nhân quang điện và được bọc trong một lớp nhôm mỏng dày 0,051 cm

Ống lớn và nắp vừa khít với nhau, bao lấy đầu dò và cùng đặt cố định trên hệ nâng Ống chuẩn trực dùng để chuẩn trực chùm tia phóng xạ từ nguồn vào đầu dò Đầu dò được nối với máy tính bằng cáp để hiện thị phổ gamma tương ứng của các đồng vị phóng xạ và số đếm

Hình 2.3: Ống chì bao quanh đầu dò NaI(Tl)

Hình 2.4: Bố trí thí nghiệm với ống chì

Hệ nâng đầu dò

Hệ nâng là một xe nâng hạ mặt bàn có tải trọng lớn đặt cố định Trên mặt bàn để đầu dò và đầu chì cố định

Xe nâng có thể nâng hạ đều dò lên bằng cách kích chân vào bàn đạp để nâng

và xả bằng tay để hạ đầu do theo khoảng cách cần đo.Bánh xe của xe nâng có thể khoá cố định để tránh dịch chuyển trong quá trình đo

Hình 2.5:Cấu tạo xe nâng

Hệ quay thùng rác thải

Giá đỡ: làm bằng bốn trục kim loại gắn với nhau

Hệ quay: một mô tơ quay có gắn hệ giảm tốc để quay thùng với tốc độ chậm Khi đó đầu dò có thể quét toàn bộ thùng rác thải một cách chi tiết nhất, mô tơ gắn với hệ truyền động gồm các bánh răng gắn liền với trục quay của giá đỡ thùng rác thải

Hệ quay được thiết kế quay hai chiều để quét từng phân đoạn theo chiều dọc Đĩa quay: được gắn chắc vào trục quay và có thành cố định đề đặt thùng rác thải khi quay không bị dịch chuyển dẫn tới kết quả đo không được chính xác

Hình 2.6: Cấu tạo hệ quay

Hình 2.7: Mô tơ quay

Thùng rác thải phóng xạ

Đường kính: 58 cm; Chiều cao: 87 cm; Thể tích: 220 lít

Bề dày: 0,90 ± 0,06 mm

2.3 Bộ nguồn chuẩn sử dụng trong quá trình đo đạc

Bảng 2.1: Thông tin bộ nguồn chuẩn sử dụng trong quá trình đo

(keV)

133

81,0; 276,4; 302,9; 356,0; 383,8

Hình 2.8: Bộ nguồn chuẩn 2.4 Kết luận chương 2

Qua chương này đã đưa ra được hình ảnh cũng như tác dụng của hệ quay,

hệ nâng và đầu dò khi có ống chuẩn trực trong quá trình thực nghiệm

Hệ quay và hệ nâng được tách biệt ra vì khi thùng rác thải có tải trọng quá lớn (như cát) mà công suất mô tơ không thể nâng thùng được theo từng phân đoạn nên chỉ để thùng trong hệ quay

Bộ nguồn sử dụng trong khoá luận này là bộ nguồn chuẩn có hoạt độ thấp nên trong quá trình đo cần đo với thời gian dài để thu được đủ số đếm thống kê

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Trong quá trình tiến hành thí nghiệm chia làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Tiến hành quét gamma phân đoạn theo chiều cao thùng và phân đoạn ngang khi xoay thùng

Giai đoạn 2: Tiến hành khảo sát đường chuẩn hiệu suất theo năng lượng với các khoảng cách khác nhau trong thùng thải khi có vải vụn

Giai đoạn 3: Tiến hành khảo sát vị trí nguồn

3.1.Quét gamma phân đoạn theo chiều dọc thùng thải và quét phân đoạn ngang khi xoay thùng

3.1.1.Quét gamma phân đoạn theo chiều dọc thùng thải

Các bước tiến hành

Bước 1:

Cài đặt đầu dò với thời gian đo 1 giờ và cao thế 585V

Đặt đầu dò có ống chuẩn trực và cố định đầu dò trên hệ nâng

Đo khoảng cách từ tâm thùng đến đầu dò 40 cm

Đo phông phóng xạ môi trường trong khoảng thời gian 1 giờ Ghi lấy số liệu Bước 2:

Cho nguồn vào thùng một cách ngẫu nhiên đồng thời cho vải vụn vào thùng Chia thùng thành 17 phân đoạn mỗi phân đoạn tương ứng là 5 cm

Hạ thấp hệ nâng sao cho ống chuẩn trực của chùm tia nằm khoảng chính giữa của phân đoạn thứ nhất Dùng phần mềm Genie-2K ghi nhận phổ, cứ 1 giờ ghi nhận phổ của từng phân đoạn cho đến hết số phân đoạn đã chia

Tiến hành đo toàn bộ số phân đoạn đã chia Dựa vào số đếm tổng thu được trên từng phân đoạn xác định được phân đoạn nào chứa nguồn

Bảng 3.1: Số đếm của từng phân đoạn

Kết luận

Dựa vào số liệu bảng 3.1 và đồ thị hình 3.1 xác định được phân đoạn chứa nguồn là phân đoạn 9 tại vị trí 40-45 cm so với đáy thùng với số đếm tương ứng lớn nhất là 1325644 số đếm

3.1.2 Quét gamma phân đoạn theo từng góc khi xoay thùng thải

Các bước tiến hành

Bước 1:

Giữ nguyên các thông số của đầu dò với thời gian đo 1 giờ và cao thế 585 V

Cố định hệ nâng tại vị trí ống chuẩn trực chùm tia thẳng hàng với điểm giữa phân đoạn thứ 9 của thùng thải tại độ cao 40-45 cm so với đáy thùng

Đánh dấu tại vị trí điểm giữa là 0

Bước 2:

Chu vi thùng được đo là 180 cm

Đánh dấu các vị trí trên thùng với một đoạn 10 cm bắt đầu từ vị trí đánh dấu đến hết chu vi thùng

Xoay thùng sao cho ống chuẩn trực chùm tia thẳng hàng với điểm giữa của phân đoạn ngang của thùng thải tại vị trí phân đoạn thứ 9 theo chiều cao thùng

Dùng phần mềm Genie-2K ghi nhận phổ, mỗi phân đoạn ngang đo với thời gian 1 giờ cho đến hết số phân đoạn ngang đã được chia Ghi nhận lại số đếm tổng của từng phân đoạn ngang, dựa vào số đếm tổng thu được chúng ta xác định được vị trí nguồn nằm gần với đầu dò nhất

Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn số đếm trên từng góc của thùng thải

Độ dài cung mỗi góc (cm)

Kết luận

Dựa vào số liệu bảng 3.2 và đồ thị hình 3.2 xác định được góc chứa nguồn nằm gần với đầu dò nhất là góc thứ 8 tại vị trí 70-80 cm so với điểm đánh dấu ban đầu trên thùng với số đếm tương ứng lớn nhất là 2379777 số đếm

Dựa vào hai kết quả trên xác định được ví trí nguồn nằm ở phân đoạn 40-45 cm

so với đáy thùng và xác định được ví trí nguồn nằm gần đầu dò nhất khi xoay thùng

3.2 Khảo sát đường chuẩn hiệu suất theo năng lượng vớicác khoảng cách khác nhau

Các bước tiến hành

Bước 1:

Đặt đầu dò lên hệ nâng vá cố định tại một vị trí nhất định

Cài đặt đầu dò với thời gian tương ứng cần đo

Đánh dấu điểm trên thùng đặt nguồn sao cho thật chuẩn trực với lỗ chuẩn trực của chùm tia để giảm bớt sai số trong quá trình đo

Lập phương trình đường chuẩn năng lượng

Tiến hành đo lần lượt hai nguồn chuẩn 137Cs và 60Co.Tại các đỉnh năng lượng xác định số kênh mà tại đó số đếm lớn nhất để thiết lập phương trình