Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn: Chương 0 - PGS.TS. Trần Thiện Thanh, PGS.TS. Lê Công Hảo

Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn - Chương 0: Tương tác của bức xạ với vật chất cung cấp cho người học một số kiến thức cơ bản về hạt nhân, tương tác cửa bức xạ với vật chất,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

1

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN

TRONG MÔI TRƯỜNG VÀ THỦY VĂN

CBPT: Trần Thiện Thanh - Lê Công Hảo Email: ttthanh@hcmus.edu.vn - lchao@hcmus.edu.vn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TpHCM, 9-2019

c Nhận diện và xác định được hoạt độ của đồng vị phóng xạ

d Phương pháp đo gamma trong nghiên cứu địa vật lý giếng khoan

e Kỹ thuật phóng xạ trong định tuổi địa chất và thuỷ văn đồng

NỘI DUNG

mẫu môi trường

đo bức xạ môi trường

4

NỘI DUNG

địa vật lý giếng khoan

 Chương 6: Kỹ thuật phóng xạ trong định tuổi địa chất

 Chương 7: Kỹ thuật phóng xạ trong thuỷ văn đồng vị

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tham khảo chính

1. Phạm Duy Hiển, Phĩng xạ trong mơi trường và các nguồn gốc

thải , NXB KHKT, (2014)

2. Đặng Đức Nhận, Ngơ Quang Huy, Nguyễn Hào Quang, Kỹ thuật

KHKT, (2014)

3. Phạm Năng Vũ, Thăm dị phĩng xạ và carota lỗ khoan , NXB Đại

học và THCN, (1984)

Tài liệu tham khảo khác:

 C Zhang, Fundamentals of environmetnal sampling and

analysis , John Wiley & Sons, (2007)

 M Eisenbud, T Gesell, Environmental radioactivity from natural,

industrial and military sources , Academic press, (1997)

 H Isrặl, A Krebs Nuclear Radiation in Geophysics , Springer

Berlin Heidelberg, (1962)

6

HÌNH THỨC KIỂM TRA

 Bài tập thường kỳ (20%)

 Giữa kỳ (30%) (Thi viết)

 Cuối kỳ (50%) (thi viết)

Thời gian

8

Hít thở 1.2 mSv

9

L i ề u b ứ c x ạ t r o n g đ ờ i s ố n g

mSv/y Brasil

Near LWR (< 0.001)

Nhân tạo

Tự nhiên

Discovery of Ra, Po

Becquerel

Spontaneous radioactivity

Hahn

Discovery of fission

Chương 0: Tương tác của bức xạ với vật chất

Mrs Röntgen's hand (Dec 22, 1895)

14

trong tự nhiên

tạo ra từ máy gia tốc hay phản ứng hạt nhân

và hầu hết các đồng vị nhân tạo đều phát

Chuỗi 238U Chuỗi

Electron e- -1 0.00054858

β - ray β - -1 ditto

β + ray β + +1 ditto Proton p +1 1.0072765 Deuteron d +1 2.013553 α- ray α +2 4.0015061 Neutron n 0 1.0086650 Fission 80 ~ 108 fragmen 128 ~ 155

Điện tìchvà Khối lượng nghỉ

1) Điện tìch 1e = 1.60219 x10- 19 Coulomb 2) Đơn vị (u)

β-ray β - ray, β + ray

α-ray Accel particle p, d, He, , , ,

Neutron N nhiệt , n nhanh

BX vũ trụ Sơ cấp, thứ cấp

TH dòng trực tiếp TH xung

SCA, Scaler MCA

Ánh sáng Tìn hiệu dòng hoặc thế

PMT, Photo-diode

Nguyên lý đo lường bx

Detector Ghi BX

Thiết bị điện tử

Electron thứ cấp Proton, α-particle, etc

18

SƠ LƢỢC VỀ HỆ ĐO HẠT NHÂN

• Detector: tạo xung dòng

• Tiền khuếch đại: tạo xung e mũ

• Khuếch đại: tạo xung Gauss (thìch hợp cho mục đìch đo năng lượng)

• Máy phát xung: tạo xung thay thế cho detector để hiệu chỉnh hoặc

kiểm tra thiết bị

• Oscillocope: dùng để kiểm tra dạng xung

Neutral Ionized δray Positive Excited

atom electron ion atom

Ion hóa và kìch thìch bởi α- hoặc β- rays α-ray hoặc β-ray mất một phần năng lượng do ion hóa và kìch thìch vật liệu, và tạo

ra các electron và ion dương Năng lượng trung bính để sinh ra a electron & ion Ià

25 ~ 40 eV trong khì, và 3 ~ 5 eV trong vật liệu rắn

δ- ray là electron mang năng lượng

có khả năng ion hóa nguyên tử khác

Nếu nt trung hòa bắt electrong sẽ trở

thành ion âm Cuối cùng toàn bộ năng

lượng bức xạ chuyển thành nhiệt năng

7

Orbital electrons

Ion hóa và kìch thìch trong mức nl của electron

Quá trính ion hóa

electron Do đó, đường đi trong vật chất

gần như là đường thẳng ví ìt khi giật lui

khi va chạm với các electron

Số cặp electron-ion được tao ra do sự

cong Bragg curve, như trong hính

đường đi α- ray trong không khì

Đặc trưng hấp thụ của α-rays trong vật chất được chỉ ra bên dưới và quãng chạy (R) torng không khì là một hàm của năng lượngy (E) được cho bởi pt thực nghiệm sau

Detector Si thường dùng đo phổ α-ray

Độ phân giải năng lượng là 15~20keV

Đối với detector Si có đường kình 2~3cm

Phổ Alpha của 235U

26

Tương tác của photon và electron thứ cấp

Khi γ-ray để lại một phần NL Ee cho electron và tán xạ với góc θ với NL của γ-ray sau tán xạ hν'

NL sau tán xạ được tình theo công thức

hν' = hν/ {1+α(1- cosθ) } với,α = hν/m0c2 m0c2 = 511 keV

Nếu γ-ray có năng lượng lớn hơn 2m0c2 thí cặp electron

và positron được sinh ra trong trường hạt nhân

Tổng động năng của electron và positron ; Ee+Ep = hν- 2m0c2

Positron, sau khi mất NL sẽ hủy với electron, và hai

photons hủy với NL m0c2 (511keV) được sinh ra

511 keV

γ-ray

LX-ray or Auger elct

Photoelectron

KX-ray or Auger elct

28

Tương tác của gamma với vật chất

A) Hiệu ứng quang điện (FEP)

Ee = hν

SPE DPE

BS

SS MS Phân bố năng lượng của electron thứ cấp

Năng luọng Ee (keV)

SPE = hν- 511 : Đỉnh thoát đơn

DPE = hν- 1022 : Đỉnh thoát đôi

Bộ phân tích

đa kênh (MCA)

Đặc trưng hấp thụ của β- rays

β-ray mất một phần năng lượng trong

vc bởi quá trính va chạm với electrons

(Bremsstrahlung) (phát ra X-ray) khi bay

gần trường hạt nhân

10

Đặc trưng hấp thụ và quãng chạy của β-rays

Đường cong hấp thụ của β-ray xấp xỉ hàm mũ trong bề dày vật liệu ở đó sự truyền qua không quá nhỏ Hệ số hấp thụ khối μm (cm2·mg-1) và quãng chạy R(mg / cm2) cho năng lượng cực đại E(MeV) được tình từ nhiều pt thưc nghiệm

0.1 0.05

0.01 0.005

Hàm mũ

R cực đại

Hướng bay của hạt β se thay đổi sau

một va chạm Đường đi sẽ bị uốn lượn

Thêm vào đó, do phân bố năng lượng là

liên tục củaβ-rays, rất khó khăn để xác

định chình xác quãng chạy bằng phương

pháp đo trực tiếp

36

Electron

Hủy positron, Hiệu ứng Cherenkov

Hủy positron

nó kết hợp với electron kế cận, thế thí hai hạt bị

hủy và biến thành hai photon, tuân theo định luật

bảo toàn động lượng và năng lượng

1) Hai photon thí bay ra ngược chiều nhau

2) Năng lượng của photon tương ứng với KL

nghỉ của electron (m0c2 = 511keV)

3) Hai photon có sự khác biệt khoảng 10eV, thế

Vì dụ: nước (n=1.33), có năg lượng trung bính

* ) do hiệu ứng Cherenkov là 275keV

38

Lò phản ứng Viện nghiên cúu hạt nhân

Bức xạ Cherenkov

Tương tác của neutron

Tán xạ

đàn hồi

Tán xạ không đàn hồi

Phân hạch

Bắt neutron (n, g )

Sinh nhiều neutron (n, 2n);

(n, 3n)…

Sinh hạt mang điện (n,p), (n, a )

40

Phản ứng HN trong ghi nhận Neutron

PUHN trên bia (X), X (n, a ) Y , bức xạ ( a ) với động năng Ea được phát ra từ hạt

nhân (Y) với động năng EY được sinh ra

16

Neutron Hạt nhân (En) AX

Hạt nhân hợp phần A+1X＊

Phân hạch 235U(n, f) FP 2FPs ~ 200 583 Buồng phân hạch

1) Ngoại trừ H(n, n')p, tiết diện đối với neutron nhiệt (0.025eV)

2) Đối với En = 0.1~ 5MeV, σ(En) có thể xấp xỉ 4.2En - 0.55 (± 5%)

3) Ống đếm tỉ lệ, plastic hoặc nhấp nháy lỏng

Ống đếm tỉ lệ và ứng dụng

Đặc trung của ống đếm tỉ lệ so với ống

đếm GM

1) Thông tin về năng lượng bức xạ

Độ cao xung tỉ lệ thuận với NL hao phì

trong chât khì bời sự ion hóa sơ cấp

2) Tốc độ đếm cao

Thời gian chết phải nhỏ (< 1μs)

Khì He-3 với áp suất 10atm

Hiệu suất đếm phụ thuộc mạnh vào năng

lượng của neutron bởi ví tiêt diện tỉ lệ với

1/ v

Tiết diện phản ứng của neutron trong một số trường hợp tuân theo quy luật (1/ v

Neutron reaction : Cross-section ( σ Th )

for thermal neutron Application to detector

197Au(n,γ) 198 Au : σ Th = 98.7barn

Detector ; lá dò

4) Hạt nhân con thừa neutron sẽ phan rã

bằng cách phát β- ray

3) γ-ray năng lượng cao (3 ~ 8 MeV), được gọi

là bắtγ-ray hoặc γ-ray tức thời

2) Tiết diện tỉ lệ thuận với quy luật(v-1 ~ E-1/2),

Do đó, neutron nhiệt được sử dụng trong nhà

máy điện hạt nhân

PU bắt neutron

PU bắt neutron, AX (n, γ )A+1X, hạt nhân con (A+1X) Nếu hạt nhân con là đồng vị phóng xạ, thí PU trên dùng trong kìch hoạt vật liệu

Đặc trưng của PU bắt neutron

1) Hạt nhân bia có tiết diện lớn, ngoại trừ một

số đồng vị nhẹ, bởi ví rào thế Coulomb và

năng lượng tỏa ra của PU(Q > 0)

18

HN bia

44

NL thấp β- ray Photon

NL thấp Photon Chất khì

Buồng ion hóa

Ghi nhận α-ray, β-ray và photon

◎ thường dùng △ dùng có điều kiện × không thìch hợp

◎ ghi nhận phổ ○ thìch hợp ◇ đo liều

Nguyên lý Detector Phản ứng1) σ(barn)2) Ghi chú

Ion hóa

Buồng phân hạch ống đếm He-3

Detector đo neutron

940 (4) Scattering3)

940 (4) 37.2 (0.06) 98.7 (0.09)

QR≒200MeV

QR=0.765MeV

QR= 2.785MeV Cnt.Dstr Emax= En

QR=4.80MeV

n -γPSD 4)

QR=4.80MeV

47

46