Luận văn tốt nghiệp đại học: Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss – Soil bằng hệ phổ kế Gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của Iaea

Luận văn tốt nghiệp đại học: Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss – Soil bằng hệ phổ kế Gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của Iaea nêu lên cơ sở lý thuyết, các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường, phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất ghi của Detector đối với mẫu dạng hình trụ.

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

KHOA V ẬT LÝ - -

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

KHOA V ẬT LÝ - -

LỜI CẢM ƠN

đã được sự hướng dẫn, giảng dạy, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, đặc biệt là trong thời

Để hoàn thành được luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy

Hoàng Đức Tâm – người đã theo dõi trong suốt quá trình làm luận văn của em Thầy là

người đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn em nhữngkiến thức bổ ích và rất quí báu để giúp em

luận văn này

giá và đóng góp những ý kiến rất quí báu cho khoá luận của em

Nguy ễn Thuỳ Dung

1.1.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo3T 153T

1.2 Tình hình nghiên c ứu phông phóng xạ tự nhiên3T 17

3T

1.2.1 Thế giới3T 183T

1.2.2 Việt Nam3T 193T

trường3T 203T

1.2.4 Độ trung bình phóng xạ có trong người3T 223T

1.3 Tương tác của tia gamma với vật chất Hệ phổ kế gamma phông thấp3T 23

3T

1.3.1 Các tương tác của bức xạ gamma với vật chất3T 233T

1.3.2 Detector bán dẫn Germanium3T 313T

2.4.2 Hệ phổ kế gamma3T 573T

2.5 X ử lí phổ3T 58 2.6 Nh ận xét 62

MỞ ĐẦU

đáng kể Các nhân phóng xạ phân bố không đều giữa nơi này và nơi khác vì hàm lượng

con người như: quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, thăm dò, khai thác tài nguyên…Song song đó khoa học công nghệ đặc biệt là kỹ thuật hạt nhân ngày càng phát

nước, bụi khí, … Ngày nay, hệ phổ kế gamma phông thấp được sử dụng rộng rãi và phổ

các đồng vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách chiết các nhân phóng xạ khỏi

của luận văn đã lựa chọn đề tài :“ Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss – soil bằng hệ phổ kế gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của IAEA” Đối tượng của luận văn

 Chương 1: Trình bày cơ sở lí thuyết về bức xạ hạt nhân và tìm hiểu về hệ phổ kế

 Chương 2: Trình bày phương pháp thực nghiệm trên hệ phổ kế gamma phông thấp

và phương pháp xác định hoạt độ của mẫu Moss-soil

 Chương 3:Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN

Môi trường xung quanh chúng ta luôn tồn tại các hạt nhân phóng xạ Các hạt nhân này

quanh Trái Đất, do sự tiến bộ của khoa học trong lĩnh vực hạt nhân, hay có nguồn gốc từ

độ thấp Tuy nhiên, do sự tồn tại khắp mọi nơi của chúng trong cả mẫu đo, ngay bên trong

và xung quanh detector nên cũng ảnh hưởng đáng kể đến các phép đo mẫu môi trường có

đo đạc mẫu môi trường Bên cạnh đó, việc nắm vững về lý thuyết tương tác của tia gamma

khi xác định diện tích của những đỉnh gamma mà chúng ta quan tâm Chương này trình bày

sơ lược một số hạt nhân phóng xạ phổ biến trong tự nhiên và sự tương tác gamma với vật

chất

8B

1.1 Vài nét v ề hiện tượng phóng xạ

được biết đến cho đến năm 1896, khi Henri Becquerel tình cờ phát hiện các bức xạ từ muối

đổi trạng thái hoặc bậc số nguyên tử hoặc số khối của hạt nhân Khi chỉ có sự thay đổi trạng

+ Tia alpha: là chùm các hạt tích điện dương, bị lệch trong điện trường và từ trường, dễ bị

+

P)

+ Tia gamma: không chịu tác dụng của điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu

 Ngu ồn gốc phóng xạ

gian đa số các nguyên tố phóng xạ này phân rã và trở thành các đồng vị bền, chúng là thành

trong đất, nước, không khí, thực phẩm, vật liệu xây dựng, kể cả con người Do đó, việc tìm

do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc

21B

1.1.1 Các ngu ồn phóng xạ tự nhiên

trụ - được tia vũ trụ tạo ra [7]

35B

1.1.1.1 Nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy

đất được hình thành Chúng có chu kỳ bán rã ít nhất khoảng vài triệu năm, gồm có Uranium,

Các đặc điểm của 4 họ phóng xạ tự nhiên:

đơn vị địa chất

RnR86R(Actinon) Trong họ phóng xạ nhân tạo

209

P

Bi [7]

Hình 1.1.Các h ọ phóng xạ [2]

Ngoài các đồng vị phóng xạ trong bốn họ Thorium, Uranium, Neptunium, Actinium,

năng lượng 1,46 MeV Trong lớp bề mặt của vỏ Trái đất, Kali có hàm lượng cao trong magma, hàm lượng trong đất sét và đá phiến cỡ 6,5% Kali có chủ yếu trong sinh vật vì

vậyviệc phát xạ P

40

P

N Trước khi xuất

11

12

P MBq

14

P

C của chúng [7] Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên quan trọng nhất được dẫn ra trong bảng dưới đây:

B ảng 1.1 Các đồng vị phóng xạ tự nhiên phổ biến trong vỏ Trái Đất [2]

người xuất hiện các thành phần phóng xạ nhân tạo khác Nhờ các nguyên tố phóng xạ Cacbon P

14

P

C, mà trong cơ thể con người mỗi giây xảy ra thêm 2500 phân hủy beta/giây Nhìn chung trong cơ thể con người mỗi giây xảy ra 10000 phản ứng phân hủy Khi mà không khí

36B

1.1.1.2 Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ

tương tác với các hạt nhân nitơ và oxi trong tầng cao khí quyển và tạo ra các hạt nhân phóng

thì lượng hạt nhân phóng xạ này không nhỏ Chúng có chu kì bán rã dài nhưng phần lớn đều

bức xạ vũ trụ tạo ra, ba hạt nhân phổ biến nhất là P

Tritium có trên Trái đất một ít là do từ Mặt trời, phần lớn là do các phản ứng hạt nhân,

-P, có chu kì bán rã là 12,33 năm và phần lớn thời

 Cacbon – 14 (P

14

P

C)

tương đối nhỏ và nhìn chung là gần như ít ảnh hưởng đến phông nền phóng xạ môi trường

thân các tia vũ trụ cũng góp phần vào tổng liều hấp thụ của con người Bức xạ vũ trụ được

8

P

eV), đa phần là proton cùng với một số hạt khác nặng hơn Phần lớn các tia vũ trụ sơ cấp

đến từ bên ngoài hệ Mặt trời của chúng ta và chúng cũng được tìm thấy trong không gian vũ

trụ Một số ít bắt nguồn từ Mặt trời do quá trình của Mặt trời [7]

tương tác với khí quyển Khi tương tác với khí quyển, chúng sinh ra các bức xạ vũ trụ thứ

vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt của Trái đất Như vậy, liều bức

năm con người có thể nhận một liều cỡ 0,27 mSv và sẽ tăng gấp đôi nếu độ cao tăng 2000m Lượng bức xạ vũ trụ trên mặt biển chỉ giảm 10% từ vùng cực tới xích đạo nhưng tại độ

trường của Trái đất và từ trường của Mặt trời lên các bức xạ vũ trụ sơ cấp [7]

22B

1.1.2 Các ngu ồn phóng xạ nhân tạo

vũ khí hạt nhân, các khu chứa chất thải phóng xạ, chất thải rắn,…[2].Những hạt nhân phóng

[7]

đóng góp ít hơn cả, kế đến là các hạt nhân phóng xạ tự nhiên [8].Năm 1934, Irene và

1

P(1.3)

+

P (1.4)

1.1.2.1 Vũ khí hạt nhân

Rơi lắng từ các vụ thử vũ khí hạt nhân là nguồn phóng xạ nhân tạo lớn nhất trong môi

tương tác với P

238

P

14

P

rơi lắng toàn cầu và sẽ gây nhiễm bẩn toàn cầu với hoạt độ thấp Trong khi hầu hết các đồng

C đi vào các chu trình khí quyển, thủy

90

P, ZrP

Chương trình hạt nhân bắt đầu từ lò phản ứng Calder Hall ở Tây bắc nước Anh năm

IAEA, điện hạt nhân đã chiếm 16% sản lượng điện toàn thế giới và đang có chiều hướng gia tăng Các đồng vị phóng xạ thải vào môi trường đều từ các chu trình nhiên liệu hạt nhân như

39B

1.1.2.3 Tai n ạn hạt nhân

B ảng 1.3.Liệt kê một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến nhất trong tự nhiên và nguồn

điều trị bệnh tuyến giáp

1.2 Tình hình nghiên cứu phông phóng xạ tự nhiên

1900, Geitel H , người Đức và R Wilson C.T., đã khảo sát phóng xạ trong không khí và xác định được Radon Họ cũng đã phát hiện ra bức xạ vũ trụ và được xác nhận lại vào năm

trong đất, đá, nước biển và nước ngọt từ mỏ nước khoáng và suối nước nóng Sau năm

1945, việc đo rơi lắng phóng xạ toàn cầu, từ các vụ thử hạt nhân trong khí quyển đã được

gian.[10]

23B

1.2.1 Th ế giới

nước của từng vùng Do vậy, việc tồn tại các vùng có phông phóng xạ cao hoặc thấp khác nhau là lẽ đương nhiên [2]

monazit là các đồng vị có trong dãy Thorium và đôi khi cũng có cả Uranium và con cháu

của nó như P

226

P

Ra [2]

Ở Phần Lan, phông phóng xạ tự nhiên rất cao, gần 8 mSv/năm, kế đến là Pháp và Tây

bức xạ rất cao như ở: Ramsar (Iran), Kerala ( Ấn Độ), Guarpapi (Braxin) và Yangjang

năm, cao hơn trung bình thế giới khoảng 50-70 lần.Tuy nhiên, môi trường phóng xạ trong

Ở Guarapari – Brazil, một thành phố có dân số 80000 dân cũng có độ phóng xạ cao vào cỡ

Hình 1.3 Những vùng có phông phóng xạ cao trên thế giới

(đơn vị sử dụng là mSv/năm).[10]

24B

1.2.2 Vi ệt Nam

Ở nước ta, một số số liệu đo trên các vùng dân cư ở thành phố, thị xã, ven đường quốc

mSv/năm.Nói chung không vượt quá phông trung bình của thế giới [2]

Cục Kiểm soát và An toàn Bức xạ đã lấy nhiều mẫu đất và đo đạc vào tháng 9 vừa qua, đã

Hình 1.4 Phần trăm liều hiệu dụng trung bình hàng năm

25B

1.2.3 Nh ững ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên đối với con người và môi trường

[2]

thường Chính vì vậy mà chúng ta có thể hiểu là nếu ở mức độ này thì sẽ không có vấn đề

gì Hơn nữa, do cấu trúc địa chất ở mỗi nơi khác nhau, mức độ phóng xạ tự nhiên cũng khác

nhưng những cuộc điều tra từ trước tới nay cho thấy không hề có biểu hiện bất thường nào

xuất hiện ở người và sinh vật

Do vậy, có thể hiểu rằng ở mức độ gấp 10 lần của phông phóng xạ tự nhiên trung bình cũng không có ảnh hưởng xấu nào đến sức khỏe của con người Điều đó có nghĩa là: đứng

cũng định ra một ngưỡng, nếu bị chiếu xạ trên ngưỡng này thì chắc chắn hiệu ứng sẽ xảy ra đối với cơ thể [2]

B ảng 1.4 Liều chiếu xạ [2]

Li ều chiếu Các hi ệu ứng

ứng lâm sàng, có thể không có hiệu ứng muộn

500 mSv

trường hợp sức khỏeyếu từ trước, dễ bị bệnh truyền nhiễm,

4000 mSv

1.2.4 Độ trung bình phóng xạ có trong người

-

- 0,02

trú nhưng trên thực tế thì các chất phóng xạ khí Radon và Toron lại cư trú ở phổi nhiều nhất

1.3 Tương tác của tia gamma với vật chất Hệ phổ kế gamma phông thấp

27B

1.3.1 Các tương tác của bức xạ gamma với vật chất

keV đến hàng chục MeV Bước sóng của bức xạ gamma nhỏ hơn nhiều so với kích thước nguyên tử cỡ 10P

-10

P

Tương tác của lượng tử gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra cặp electron – positron, rồi các electron này gây ion hóa môi trường Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện,

electron trên quỹ đạo i:

i e

E = h = Wν +T (1.5)

Hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với electron lớp K và với tiết diện rất lớn đối với các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng lượng thấp [2]

Hình 1.5.Cơ chế hấp thụ quang điện [2]

điện tích và bị mất năng lượng do ion hóa hoặc kích thích các nguyên tử tinh thể, tạo thành

đỉnh năng lượng toàn phần (Do nguyên lí bảo toàn động lượng, một lượng rất nhỏ năng lượng của photon được chuyển thành năng lượng giật lùi của nguyên tử và có thể được bỏ

Hình 1.6.Cơ chế phát tia X

γ

Photoelectron TiaX

Đối với những tương tác gần bề mặt của detector, các tia X huỳnh quang, hầu hết là

detector khi đó sẽ là:

ER e R = ER γ R - ER K R (1.6)

ở đây ER K Rlà năng lượng của tia X lớp K

lượng năng lượng này bị mất tạo nên một đỉnh nhỏ có năng lượng thấp hơn đỉnh năng lượng

này thường có năng lượng nằm trong khoảng 70 – 85 keV Trong thực tế, người ta thường

ra Sau đó đến lượt Cadmium phát ra tia X đặc trưng của nó và được lớp đồng kế tiếp lớp

1.3.1.2 Tán x ạ Compton

Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu hiệu ứng Compton Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma và tán xạ của gamma lên electron xem như tán xạ lên electron tự do [2]

Trong tán xạ, lượng tử gamma va chạm với một electron tự do ban đầu đứng yên Khi

đó, gamma truyền một phần năng lượng cho electron và bị lệch khỏi phương chuyển động một góc φ [2]

tăng bước sóng phụ thuộc vào góc tán xạ φ như sau:[2]

(1.7)

e e

Khi tán xạ xảy ra bên trong detector, electron Compton sẽ bị mất toàn bộ động năng

lượng cực đại của electron Compton Trên phổ gamma, tại vị trí ứng với năng lượng cực đại

năng lượng của đỉnh tán xạ ngược và của cạnh Compton bằng với năng lượng của photon

Trong trường hợp photon thứ cấp bị hấp thụ hoàn toàn trong detector, có thể xảy ra hai trường hợp, nếu năng lượng photon đủ nhỏ thì chỉ xảy ra hấp thụ quang điện, còn nếu năng lượng còn khá lớn thì nó sẽ bị tán xạ liên tiếp và cuối cùng kết thúc bằng hiện tượng quang điện Khi đó một đỉnh quang điện toàn phần được ghi nhận Đỉnh quang điện toàn phần này

ngược Vùng phổ ứng với sự tán xạ Compton nhiều lần của photon thứ cấp kéo dài từ cạnh Compton đến đỉnh quang điện toàn phần của photon tới Hình 1.8 minh họa phổ tán xạ

0

Pđến 180P

0

P

năng lượng của photon tới bằng bao nhiêu chăng nữa thì năng lượng của các photon tán xạ này cũng nằm trong khoảng 200 – 300 keV

Hình 1.10.(a) Tán xạ Compton bởi lớp chì chắn xung quanh detector

Xác suất xảy ra tán xạ Compton phụ thuộc vào năng lượng của gamma Trong vùng năng lượng 0,1 MeV – 10 MeV, hiệu ứng Compton đóng vai trò quan trọng nhất trong sự tương tác của gamma [7]

42B

1.3.1.3 Hi ệu ứng tạo cặp

và cặp electron – positron xuất hiện Tiết diện của quá trình tạo cặp σR p R tỉ lệ với bình phương

Hình 1.11 Hiệu ứng tạo cặp [2]

Để hiện tượng tạo cặp xảy ra, tia gamma phải có năng lượng tối thiểu bằng khối lượng

ER e R = ER γ R – 1022 (keV) (1.9)

Với ER e R là tổng động năng của electron và positron

ER γ Rlà năng lượng của tia gamma tới

Khi năng lượng của positron giảm xuống gần bằng năng lượng nhiệt nó sẽ gặp electron

lượng của photon Phản ứng tạo cặp xảy ra trong khoảng 1ns trong khi đó thời gian thu thập

đơn, đỉnh này có năng lượng nhỏ hơn đỉnh năng lượng toàn phần 511 keV Nếu cả hai

0,511 MeV

photon hủy đều thoát ra khỏi detector thì trên phổ sẽ xuất hiện một đỉnh thoát đôi cách đỉnh

Đỉnh hủy 511 keV này cũng xuất hiện do nguồn phát positron Khi positron hủy với

Hình 1.13 S ự tạo đỉnh hủy 511 keV trên phổ gamma [7]

1.3.1.4 B ức xạ hãm

trường làm chậm có nguyên tử số Z càng lớn Ví dụ như electron có năng lượng 1 MeV sinh

làm tăng phông nền của các đỉnh có năng lượng thấp và ảnh hưởng đến độ chính xác của

chúng được sử dụng rộng rãi cho cả nghiên cứu cơ bản lẫn vật lí ứng dụng Năng lượng của

nhưng detector Ge (Li) có một khuyết điểm là nó không ổn định trong môi trường nhiệt độ

germanium được loại bỏ đến một mức độ nào Tuy nhiên, phương sai thống kê của 38105

77K

Đối với các photon có năng lượng từ khoảng 100 keV đến dưới 1MeV, hiệu ứng Compton

2mR e RcP

2

P

Các loại mô hình đầu dò: (7 loại) [7]

1 Đầu dò Ge năng lượng siêu thấp (ultra – LEGe)

2 Đầu dò Ge năng lượng siêu thấp

1.3.2.1 Các kh ối điện tử chủ yếu trong hệ phổ kế gamma

Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma [1]

 47BDetector

Để ghi phổ gamma hiện nay người ta thường dùng hai loại detector [2]

Ở đây, ta sử dụng detector bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe)

detector bán dẫn Ge)

Khi lượng tử gamma tương tác với phân tử chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên các electron tự

xung dòng điện ở lối ra Năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp electron và lỗ trống trong

Ge là ε = 2,96 eV (đối với Si ε = 3,61 eV)

Ta có thể phân loại detector Ge như sau:

- Về loại bán dẫn: loại p hoặc loại n

Thông thường ta có các loại sau đây:

(a) (b) (c)

Hình 1.16 Các loại detector bán dẫn HPGe [1]

tạo ra một lớp nP

+

P

Hình 1.17 Cấu tạo detector bán dẫn HPGe

 C ấu hình đầu dò [7]

Hình 1.18 Cấu hình đầu dò [2]

Hình 1.19 Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò – buồng chì – nguồn [7]

detector, thiết kế đặc biệt để chống tạp âm cũng như tránh sự suy giảm photon có năng

Nắp (Nhôm)

Chất cách điệnTiền khuếch đại

Nitơ lỏng

Mật độ không tinh khiết