Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn

Khi đi qua vật chất các lợng tử gamma va chạm và tơng tác với cácnguyên tử của vật chất theo các hiệu ứng hấp thụ và tán xạ, trong các quá trình đó chúng có thể truyền một phần hoặc hoàn

mục lục

Ch

ơng I : Quá trình truyền năng lợng và tơng tác của

1.3 Sự suy giảm của chùm bức xạ gamma khi đi qua vật chất 13

1.3.2 Sự suy yếu của chùm gamma rộng Hệ số tích luỹ 15

1.4 Liều chiếu, liều hấp thụ và liều sinh học 17

1.4.3 Mối tơng quan giữa liều chiếu và liều hấp thụ 18

1.4.5 Mối tơng quan giữa các đại lợng đo bức xạ 20

1.5 Liều và suất liều trong che chắn và bảo vệ bức xạ: Liều

1.7 Quá trình truyền năng lợng của bức xạ gamma cho vật

Ch

ơng III : Phơng pháp thực nghiệm nghiên cứu tơng tác của

gamma với vật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn. 34

mở đầu

Kể từ khi Beccơren phát hiện ra hiện tợng phân rã phóng xạ, con ngờichúng ta đã ý thức đợc rằng: Xung quanh chúng ta ngập tràn các loại bức xạ, vàgiờ đây phóng xạ và bức xạ đã trở thành những khái niệm rất gần gũi Ngay từthuở sơ khai con ngời đã phải hứng chịu đủ mọi loại phóng xạ của vũ trụ, từ đất

đá ở môi trờng xung quanh, thức ăn, nớc uống, không khí ta hít thở hàng ngày

và thậm chí cả bản thân con ngời chúng ta cũng chứa một lợng chất phóng xạnhất định

Gamma và X là một trong các loại bức xạ có năng lợng cao, khả năng

đâm xuyên lớn và có thể gây tác động mạnh, nguy hiểm đến các sinh vật sống,

đến con ngời Gamma và X là các loại bức xạ vừa mang tính chất hạt vừa mangtính chất sóng, về mặt vật lý chúng chỉ khác nhau về bớc sóng, bớc sóng càngngắn năng lợng của chúng càng cao

Khi đi qua vật chất các lợng tử gamma va chạm và tơng tác với cácnguyên tử của vật chất theo các hiệu ứng hấp thụ và tán xạ, trong các quá trình

đó chúng có thể truyền một phần hoặc hoàn toàn năng lợng của mình cho vậtchất Khi hấp thụ năng lợng của tia gamma, các nguyên tử phân tử của vật chất

bị biến đổi, trở thành các ion Chính sự hấp thụ này có thể dẫn tới sự phá huỷcấu trúc của vật chất Với bức xạ gamma tác dụng của chúng càng mạnh mẽ,chúng có khả năng đâm xuyên rất lớn, do vậy chúng có thể phá huỷ cấu trúc củanhững lớp vật chất ở rất sâu dới lớp bề mặt

Với những liều lợng đủ lớn, tia gamma gây ra các tác động xấu tới sứckhoẻ và có thể dẫn tới tử vong đối với con ngời

Nhng mặt khác, bức xạ nói chung và bức xạ gama nói riêng cũng cónhững ứng dụng to lớn trong sản suất và đời sống, ngày nay ngành công nghệbức xạ đang phát triển mạnh mẽ và không ngừng Có thể kể đến các ứng dụngcủa bức xạ nh : sản suất vật liệu cách điện, bền nhiệt, pôlime, khử trùng cácdụng cụ y tế, ứng dụng trong chụp ảnh công nghiệp…

Việc nghiên cứu và hiểu biết quá trình tơng tác của bức xạ gamma với vậtchất giúp chúng ta tìm ra giải pháp, tiêu chí an toàn nhất khi sử dụng, tiếp xúcvới bức xạ gamma trong khi vẫn khai thác đợc những lợi ích, tiềm năng đa dạngcủa bức xạ gamma Nhận thức đợc tầm quan trọng đó, cùng với sự hớng dẫn củathầy giáo Th.S : Nguyễn Thành Công đã giúp tôi lựa chọn đề tài “T ơng tác của T bức xạ gamma với vật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn ”.

Nhiệm vụ của bản luận văn Trình bày các đặc điểm cơ bản về bức xạgamma, các quá trình tơng tác chủ yếu của gamma với vật chất Giới thiệu các

đại lợng đặc trng, một số lý thuyết về quá trình truyền năng lợng của bức xạgamma cho vật chất và giới thiệu những điểm cơ bản trong kỹ thuật bảo vệchống bức xạ hiện nay, từ đó tiến hành phơng pháp thực nghiệm nghiên cứu t-

ơng tác của gamma với vật chất, giới thiệu một số ứng dụng trong thiết kế chechắn

Tính thời sự của đề tài, quá trình tơng tác của gamma với vật chất thực tếsinh viên s phạm mới chỉ nghiên cứu, tiếp xúc bằng lý thuyết là chủ yếu Vớibản luận văn này kết hợp với bài thí nghiệm “TGhi và xác định phổ của tiagamma, đo phổ hấp thụ của gamma với các chất khác nhau ” ở phòng thínghiệm Quang phổ – khoa Vật Lý – Trờng ĐH Vinh, sẽ giúp sinh viên khắcphục hạn chế này Các số liệu mà tôi khảo sát trong bản luận văn hy vọng sẽ

đóng góp thêm các số liệu mới cho bài thí nghiệm

Tính thực tiễn của đề tài, sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu đề tài đã đa ramột số ứng dụng trong thiết kế che chắn bức xạ gamma nh thiết kế thành bảo vệnguồn, cửa bảo vệ phòng máy tia X Ngoài ra còn giúp các bạn sinh viên hiểu rõcơ chế, bản chất, nguyên lý hoạt động của bộ thí nghiệm “TGhi và xác định phổcủa tia gamma, đo phổ hấp thụ của gama với các chất khác nhau ” ở phòng thínghiệm Quang phổ – khoa Vật Lý – trờng ĐH Vinh từ đó phần nào giúp cácbạn sinh viên học tập tốt hơn khi tiếp xúc với bài thí nghiệm này

Bố cục của luận văn gồm

 Phần mở đầu: Giới thiệu luận văn và lý do chọn đề tài

 Phần nội dung:

Chơng I: Quá trình truyền năng lợng của gamma cho vật chất

Chơng II: Tơng tác của gamma với vật chất sống và kỹ thuật bảo vệchống bức xạ.

Chơng III: Phơng pháp thực nghiệm, nghiên cứu tơng tác của gamma vớivật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn

 Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả đã đạt đợc và các công việc đã thực

hiện

Chơng I

Quá trình truyền năng lợng và tơng tác

của tia Gamma cho vật chất

1.1 Bản chất tia gamma

1.1.1 Tia Gamma

Bức xạ gamma là hiện tợng hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao

về trạng thái kích thích thấp hơn hay trạng thái cơ bản bằng cách phân rã bức xạ

gamma Hạt nhân sau khi phân rã gamma không thay đổi số khối A và điện tích

Z Công thức của quá trình là:

(Z X A) * Z X A   (1.1)

Nh vậy phân rã Gamma chỉ xảy ra trong hạt nhân kích thích Hạt nhânkích thích có thể thu đợc bằng nhiều cách Trong phản ứng hạt nhân do kết quảbắn phá bởi các hạt tích điện, hạt nơtron và các photon khác mà hạt nhân bia sẽ

đợc nâng lên trạng thái kích thích Sau phân rã anpha và bêta hạt nhân mới tạothành có thể nằm ở trạng thái kích thích Đây là cách đơn giản và phổ biến nhất

độ cao đến gần ( bay ngang qua) hạt nhân mang điện dơng chúng chịu một sứchút và chuyển động chậm lại Trong quá trình bị làm chậm hoặc bị hãm chúng

bị mất đi một phần động năng ban đầu dới dạng tia Rơnghen ( theo điện

động lực học cổ điển ) Đôi khi điện tử bị dừng lại tức thì, khi đó toàn bộ nănglợng của chúng đợc chuyển thành năng lợng cực đại của bức xạ Rơnghen ( có b-

ớc sóng cực tiểu )

Trong ống phóng tia Rơnghen, khi các electron đập vào bia thì tốc độcủa chúng thay đổi liên tục trong trờng Culông của các nguyên tử bia hay nóicách khác năng lợng của các electron bị mất dần, do đó các tia rơnghen phát

ra có bớc sóng thay đổi liên tục trong một dải rộng vì vậy phổ của nó là mộtphổ liên tục

Các đồng vị phóng xạ phát ra một hoặc nhiều loại sóng Do vậy trongphổ của nó có cách vạch khác nhau tơng ứng với các sóng đó

Ví dụ : 60 Co ( T=5,2714 năm ) phát ra 2 loại sóng trội ở 1173,228 KeV và 1332,490 KeV.

137 Cs ( T=30,07 năm ) phát ra 1 loại sóng trội ở 661,657 KeV.

57 Co ( T= 271,79 ngày ) phát ra 3 loại sóng trội 14,6 KeV, 122,06 KeV, 136,47 KeV.

241 Am ( T=432,2 năm ) phát ra 2 loại sóng trội 26,3446 KeV và 54,5409 KeV.

Tất cả các nguồn gamma đều có dạng phổ vạch ( Tức là có năng lợngxác định và có các đỉnh đặc trng cho năng lợng của chúng là rời rạc ) khác vớiphổ của tia rơnghen

Thờng ngời ta mô tả một tia gamma nhất định bằng năng lợng của nó hơn

là biểu diễn nó theo chiều dài bớc sóng Ví dụ nh phổ của một nguồn gamma códạng nh sau :

Hình 1: Phổ của một nguồn gamma 1.1.2 Tính chất của tia gamma

- Không nhìn thấy đợc bằng mắt thờng

- Không cảm nhận đợc bằng các giác quan của con ngời

- Có khả năng làm cho một số chất phát quang Một số có tính chất nh vậy làCanxi, Bari, Diamon ( Kim cơng )…

- Chúng chuyển động với vận tốc của ánh sáng

- Có hại đối với các tế bào sống, nói chung nó nguy hiểm đối với sức khoẻ củacon ngời cần phải rất cẩn thận khi làm việc, tiếp xúc với nó

- Có thể ion hoá vật chất ( Đặc biệt với chất khí, chất khí rất dễ bị Ion hoá đểtrở thành các điện tử và Ion dơng )

- Tuân theo các định luật cơ bản của ánh sáng ( Phản xạ, khúc xạ, truyền theo

I = I o.e  x.B

Trong đó: I, I o , , x, B lần lợt là cờng độ chùm tia tại vị trí x, cờng độchùm tia ban đầu, hệ số hấp thụ, chiều dày lớp vật chất mà phôtôn đã xuyên qua

(mà tại đó gamma có cờng độ I ), hệ số Builup (sẽ xem xét ở phần sau).

- Chúng tác dụng lên lớp nhũ tơng của phim ảnh

1.2 Tơng tác của tia gamma với vật chất

1.2.1 Hiệu ứng quang điện

Trong hiệu ứng quang điện photon va chạm không đàn hồi với nguyên

tử của vật chất và nó truyền toàn bộ năng lợng của mình cho electron kiên kếtcủa nguyên tử ( photon gamma bị biến mất ) Năng lợng ấy một phần để chiếnthắng sự liên kết với hạt nhân nguyên tử , phần còn lại biến thành động năngcủa electron bay ra

Về mặt năng lợng :

h  W d E lk (1.2.1)

Đặc điểm của hiệu ứng quang điện là chỉ xảy ra khi năng lợng của lợng tửgamma lớn hơn năng lợng liên kết của electron (E  E e) Hiệu ứng quang điệnxảy ra càng mạnh khi khi liên kết của electron trong nguyên tử các bền vững vàhầu nh không xảy ra với electron có liên kết yếu, đặc biệt là khi năng lợng liênkết của lợng tử gamma E  E e Điều này định luật bảo toàn năng lợng và xunglợng của các hạt tham gia phản ứng không cho phép Nói chung, hiệu ứng quang

điện thờng xảy ra ở các lớp electron phía trong

e quang điệnTia X đặc tr ng

Hình 2: Quá trình xảy ra hiện tợng quang điện

Khi phát ra electron quang điện, nguyên tử bị giật lùi một chút để bảotoàn xung lợng nhng vì khối lợng của nguyên tử lớn hơn rất nhiều so với khối l-ọng của electron nên động năng giật lùi này có thể bỏ qua trong phơng trình(1.2.1)

Có thể có thêm một số electron phát ra cùng một electron quang điện nhất

là ở các nguyên tử nặng Quá trình đó đuợc gọi là hiệu ứng Auger Trong đó khi

electron quang điện phát ra từ các lớp trong ( lớp K chẳng hạn) thì nguyên tửnằm ở trạng thái kích thích và năng lợng kích thích này biến mất bằng cách giảiphóng thêm một hay vài electron liên kết yếu (đợc gọi là electron Auger )

Sự phân bố không gian ( phân bố góc ) của các electron trong hiệu ứngquang điện rất đặc trng Khi các photon gamma có năng lợng nhỏ thì cácelectron quang điện bay ra chủ yếu theo phơng vuông góc với phơng truyền củatia gamma tới Khi tăng năng luợng của gamma hình ảnh phân bố thay đổi Cácelectron quang điện u tiên bay về phía truớc theo hớng tạo với hớng truyền củagamma một góc càng nhỏ nếu năng lợng của gamma càng lớn

Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện  vào năng lợng gammakhá phức tạp:

+ Đối với mỗi lớp electron, khuynh hớng chung của sự phụ thuộc là  ~ 13

Ta thấy rõ ràng khi đi qua các giá trị biên hấp thụ có sự nhảy bậc của tiếtdiện hiệu ứng quang điện Hay có sự nhảy bậc của hệ số hấp thụ (ở những nănglợng của gamma có tiết diện hiệu ứng quang điện lớn tức là hiện tợng quang

điện xảy ra mạnh thì ở đó gamma bị hấp thụ mạnh hay hệ số hấp thụ lớn) Quátrình này đi kèm với việc phát ra quang điện tử và các tia X đặc trng (do cácelectron lớp khác nhảy vào chiếm chỗ của electron quang điện vừa bay ra, kếtquả là phát ra photon tia X đặc trng)

ra xa và chuyển động với vận tốc nào đó trong khi photon ấy bị tán xạ một gócnào đó và năng lợng bị giảm đi

áp dụng định luật bảo toàn năng lợng xà xung lợng cho hệ ta có phơng

trình sau: ' 1 (1 cos )

2 0

h h

Đây là hệ thức liên hệ giữa năng lợng

photon tới h; năng lợng photon tán xạ h '; và góc tán xạ 

Tán xạ compton xảy ra trên các điện tử tự do và điện tử lớp ngoài có liênkết yếu với hạt nhân bởi vì những điện tử này thực sự đợc coi nh tự do vớiphoton năng lợng cao

Xác xuất tơng tác Compton tăng một cách tuyến tính với nguyên tử sốcủa chất gây tán xạ và giảm chậm khi tăng năng lợng của photon

Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu dụng vào năng lợng trong hiệu ứngCompton có dạng khác nhau tuỳ theo vùng năng lợng của lợng tử gamma

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton vào năng lợngcủa gamma :

1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp

Khi một photon gamma có năng lợng đủ lớn ( 1 , 022MeV để tạo thành 2

điện tử ) đến gần một nguyên tử vật chất Nó sẽ bị hấp thụ hoàn toàn và sinh ramột cặp positron (e+) và electron (e-) Tức là photon không mang điện biến mấttrong quá trình này và các điện tử có điện tích bằng nhau nhng trái dấu đợc tạo

e+(pozotron)

e- (electron)

Sự phụ thuộc của tiết diện tạo cặp vào năng lợng của photon gamma biểudiễn bằng đồ thị sau:

Ngoài ra do e+ và e- đợc sinh ra trong điện trờng của hạt nhân nên e+ bị

đẩy ra xa hạt nhân còn e- bị làm chậm lại Do đó phổ năng lợng đo đợc sẽ khácnhau với 2 loại hạt này Sự khác nhau càng tăng với hạt nhân có nguyên tử số Zlớn vì ở đó tác dụng của hạt nhân lên 2 loại hạt ấy mạnh mẽ hơn, nên sự lệch củaphổ năng lợng rõ hơn.Tiết diện thành phần và thiết diện tổng hợp của cả 3 quátrình đợc giới thiệu trên hình 8: sự phụ thuộc của tiết diện tơng tác của lợng tửgamma vào năng lợng của nó

Hình 7: Sự phụ thuộc của tiết diện tạo cặp vào năng l ợng E

110

1.3 Sự suy giảm của chùm bức xạ gamma khi đi qua vật chất

Khi một chùm tia gamma xuyên qua một lớp vật chất nào đó thì nó sẽ

t-ơng tác với vật chất và bị suy giảm cờng độ

Lợng bức xạ bị hấp thụ phụ thuộc :

- Lợng bức xạ gamma tới

- Mật độ của lớp vật chất mà nó đi qua

- Chiều dày lớp vật chất đó

Trong thực tế tính chất này của tia gamma đợc sử dụng trong chụp ảnhcông nghiệp : Để phát hiện các khuyết tật bên trong của mẫu vật hay sự thay

đổi về tỉ trọng bên trong của mẫu vật Khuyết tật bên trong của mẫu vật tức là sựthay đổi về độ dày ( Lỗ trống chẳng hạn) hoặc là sự thay đổi về tỉ trọng của nó( nếu bên trong mẫu vật có ngậm xỉ chất khác), thì khi tia gamma xuyên qua cácchỗ ấy sẽ có sự thay đổi tơng ứng về cờng độ so với khi xuyên qua những chỗkhác của mẫu vật, và điều này đợc ghi nhận trên ảnh chụp Dựa vào ảnh chụp ấyngời ta biết đợc những khuyết tật bên trong của mẫu vật để có cách khắc phụcnó

1.3.1 Sự suy giảm của chùm gamma hẹp

Xét chùm gamma hẹp truyền vuông góc với một lớp vật chất dày x, sự

t-ơng tác của bức xạ gamma với vật chất có đặc trng sau : Mỗi một photon tách

ra khỏi chùm tới bởi một hành động tơng tác đơn độc tức là một photon sẽ tách

ra khỏi chùm tia khi nó tơng tác với vật chất (bị vật chất hấp thụ) Do đó sốphoton tách ra khỏi chùm tia N sẽ tỉ lệ với chiều dày lớp vật chất xvà tỉ lệvới số photon tới N

x N

 là hệ số làm yếu hay hệ số hấp thụ

Mà năng lợng của các photon là nh nhau  số photon sẽ tỉ lệ với cờng độdòng bức xạ

I

o e I



(1.3.3)

Trong đó : I o là cờng độ chùm tới

I là cờng độ chùm truyền qua

x là chiều dày lớp vật chất mà tia gamma xuyên qua

 là hệ số hấp thụ tuyến tính

Hình 9: Sự suy giảm của chùm gamma khi đi qua vật chất

1.3.2 Sự suy giảm của chùm gamma rộng Hệ số tích luỹ

Khi lợng tử gamma đi qua vật chất dới dạng một chùm bức xạ rộng, trongthành phần của chùm ngoài các tia đi thẳng, còn có các thành phần tán xạ Vìphơng trình hấp thụ đơn giản đợc dựa trên giả thuyết rằng bức xạ tán xạ hoàntoàn tách ra khỏi chùm Tuy nhiên trong thực tế không hoàn toàn nh vậy, đặcbiệt trong vật chất có độ dày lớn

Đối với lớp chắn mỏng phơng trình trên có giá trị vì : Xác xuất để bức xạtán xạ tới điểm quan sát (hoặc đầu dò) sau một lần va chạm là rất nhỏ Ngợc lại

đối với lớp dày thì một số bức xạ tán xạ sẽ đến đợc đầu dò cùng với bức xạkhông bị làm yếu Vì thế, cờng độ đo đợc của bức xạ sau khi đi qua lớp chắn sẽcao hơn đáng kể so với cờng độ đợc tính toán qua phơng trình hấp thụ đơn giản

II

o

x

Hiện tợng nêu trên đợc biết đến nh hiện tợng tích luỹ bức xạ do tán xạnhiều lần Vì vậy trong thực tế phơng trình hấp thụ cần đợc thay đổi bằng cách

đa thêm một hệ số mới đợc gọi là hệ số tích luỹ, ký hiệu là BE
(h ,Z, x) và :

Cờng độ của chùm bức xạ rộng đợc mô tả bằng công thức:

I(x) = I0.e-  x.BE
( h,Z,.x )(1.3.4)

BE
( h, Z,  x ) – hệ số tích luỹ năng lợng có tính tới đóng gópcủa bức xạ tán xạ Đối với chùm hẹp hệ số này bằng 1, và khi đó ta có phơngtrình hấp thụ đơn giản

Đối với chùm rộng BE
( h, Z,  x ) > 1 và nó phụ thuộc vào năng lợngcủa tia gamma h  , nguyên tử số Z, và bề dày x của vật liệu

Do năng lợng hấp thụ không hoàn toàn tỷ lệ với tác động sinh học ( vớicùng một liều lợng hấp thụ đối với các loại bức xạ khác nhau nhng lại khônggây các tổn thơng sinh học nh nhau, hay nói cách khác cùng một hiệu ứng sinhhọc nhng đối với các loại bức xạ khác nhau cần có các liều hấp thụ khác nhau)

nên ngời ta phân biệt hệ số tích luỹ năng lợng và hệ số tích luỹ liều lợng BD( h,

Z,  x) Khi đó ta có các biểu thức tơng tự đối với liều lợng:

D = D0.e-  x BD(h, Z,  x) (1.3.5)

1.3.3 Hệ số hấp thụ

1.3.3.1 Hệ số hấp thụ tuyến tính

Trong phơng trình hấp thụ I = Io.e  x thì  là hệ số hấp thụ tuyếntính Hệ số hấp thụ tuyến tính là phần bị giảm của cờng độ tạo nên bởi đơn vịchiều dày hấp thụ

Muốn thấy rõ hơn ý nghĩa của hệ số hấp thụ ta xem xét trên khía cạnhkhác Để đơn giản ta xét chùm tia gamma song song cờng độ Io (số photon cótrong một đơn vị thời gian) đi qua một khối vật chất đồng nhất thiết diện 1cm2 Sau khi đi qua chiều dày x của vật chất, cờng độ của chùm tia X còn lại là I Sựsuy giảm này tuân theo định luật Lambert:

dx I

I = Io.e  x (1.3.7)

I

I x

x đôi khi còn đợc gọi là quãng chạy tự do trung bình

của photon (vì khi x = x 0 =



1

thì I = I0 tức là photon “Tchạy” trong quãng đờng

đó không bị suy giảm cờng độ tức là không tơng tác với vật chất, không bị vậtchất hấp thụ hay trong quãng đờng đó nó chuyển động tự do)

Và để tính độ xuyên sâu thì độ sâu thờng đợc biểu thị bằng một chiều dàihồi phục

 phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Chiều dài bớc sóng sơ cấp : Những tia năng lợng thấp sẽ dễ bị hấp thụhơn những tia năng lợng cao

- Nguyên tử số Z của chất hấp thụ : Những chất có Z lớn sẽ hấp thụ nhiều bức xạ hơn những chất có Z nhỏ.

- Mật độ vật chất của chất hấp thụ

13.3.2 Hệ số hấp thụ khối

Đôi khi để tiện lợi ngời ta dùng đại lợng m=



 thay cho  ( là mật

độ của chất che chắn).m đợc gọi là hệ số hấp thụ khối.

Đơn vị của hệ số hấp thụ khối suy ra từ đơn vị của (cm -1 ) và  ( 3

1.4 Liều chiếu, liều hấp thụ và liều sinh học

Khi đi qua vật chất các photon gamma va chạm và tơng tác với cácnguyên tử và phân tử thành phần của vật chất Trong mỗi lần va chạm hoặc tơngtác đơn lẻ, các photon gamma mất đi một phần năng lợng của mình cho nguyên

tử và phân tử, Trong các trờng hợp đó các nguyên tử và phân tử sẽ bị thay đổi và

có thể trở thành các ion Nếu năng lợng của photon đủ lớn, nó có thể tạo ra cảmột chuỗi các ion và các biến đổi các cấu trúc khác đặc trng cho vật chất Số l-ợng các ion và biến đổi đặc trng có một sự phụ thuộc xác định với năng lợng

ban đầu của photon và phần năng lợng của photon mà vật chất hấp thụ Cácnăng lợng này thờng đợc sử dụng dới khái niệm liều lợng.

1.4.1 Liều lợng chiếu xạ

Để đặc trng cho liều lợng theo hiệu ứng ion hoá, ngời ta áp dụng kháiniệm liều lợng chiếu xạ của bức xạ Rơnghen và gamma Về mặt vật lý liềuchiếu xạ là năng lợng tạo ra các hạt mang điện trong một đơn vị khối lợng của

không khí và đợc biểu diễn bằng đơn vị C/kg (Là năng lợng biến đổi thành

động năng của các hạt mang điện trong một đơn vị khối lợng không khí của khíquyển)

1 C/Kg là năng lợng chiếu xạ của bức xạ Rơnghen hoặc Gamma gây ra

trong 1 Kg không khí khô, ở các điều kiện tiêu chuẩn ( T = 0 0 C, p = 760 mmHg) các ion mang điện tích 1 Culông điện mỗi dấu.

Đơn vị ngoại hệ là Rơnghen (R).

1 R là liều lợng chiếu xạ của bức xạ Rơnghen hoặc gamma làm xuất hiện

trong 0,001293g (1cm 3 ) không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn ( T = 0 0 C,

p = 760 mmHg ) tạo ra các ion mang lợng điện 1 đơn vị điện tích mỗi dấu

(1 CGSE - Đơn vị tĩnh điện tuyệt đối).

1.4.2 Liều hấp thụ bức xạ

Liều hấp thụ D là năng lợng E của bức xạ đợc một đơn vị khối lợng m

của môi trờng đó hấp thụ

Ước số của Gy thờng đợc sử dụng là mGy ( 10 -3 Gy ).

1.4.3 Mối tơng quan giữa liều chiếu và liều hấp thụ

Có 1 C = 3.10 9 CGSE nếu gọi q là điện tích của ion ( bằng điện tích của 1e = 1,6.10 -19 C ) thì q = 4,8.10 -10 CGSE.

Gọi n là số ion, Khi đó số cặp ion tạo ra trong 1cm3 không khí sẽ là:

10 8 , 4

1



 Cặp ion/cm 3 = 9 1 , 61 10 12

g 001293 ,

0

10 08 , 2

g.

Nếu năng lợng trung bình  để tạo ra một ion trong không khí là

34 eV và 1 eV =1,6.10 -12 egr thì liều chiếu D ch sẽ là :

D ch = 1R= n = 2,08.10 9 34.10 6 (MeV/cm 3 ) =7,06.10 4 (MeV/cm 3 )

Hoặc

D ch =7,06.10 4 1,6.10 -12 10 6 = 0,114 (erg/cm 3 )

Khi chuyển sang đơn vị gam ta có:

/ 7 , 87





g erg

g erg D

D ht ch

Sự khác nhau về hiệu ứng sinh học ở cùng một liều hấp thụ có thể hiệuchỉnh bằng hệ số chất lợng Q Hệ số này phản ánh khả năng gây ra hỏng hóccủa một loại bức xạ Q càng lớn, khả năng này càng mạnh Bảng sau cho biết

1.4.5 Mối tơng quan giữa các đơn vị đo bức xạ

Mối tơng quan gữa các đơn vị đo bức xạ thể hiện trong bảng sau:

Bức xạ ion hoá trong không khí truyền theo đờng thẳng Trong trờng

hợp nh vậy suất liều tại điểm 1 và 2 giảm tỉ lệ với bình phơng khoảng cách

tính từ nguồn:

2

1

2 2 2

D

 (1.5.1)

Tuy nhiên, sự hấp thụ tia gamma trong không khí phụ thuộc vào năng

l-ợng của tia gamma Đối với những nguồn có năng ll-ợng khác nhau, suất liều D’

Trong đó : Hệ số gamma  là suất liều hấp thụ tính theo mSvh -1 ở khoảng cách

1m cách nguồn 1GBq của đồng vị phóng xạ; thứ nguyên của nó là

mSvh -1 m 2 GBq  1 Khoảng cách r tính theo m từ nguồn tới điểm quan tâm A là

hoạt độ phóng xạ của nguồn tính theo GBq.

Các nguồn có năng lợng tia gamma khác nhau có hệ số  khác nhau Vàsau đây là một số giá trị của hệ số gamma với một số nguồn thờng gặp:

Cờng độ tia tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ, năng lợng của chùm tới,diện tích vùng tán xạ và tỉ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách r từ vùng tánxạ tới điểm đo Ngoài ra đại lợng này còn phụ thuộc vào bản chất của vật liệu

tán xạ Tơng tự nh liều chiếu xạ D ch , các tia tán xạ cũng gây ra liều tán xạ D tx

biểu diễn bằng công thức:

D tx= 2

400

.

r

t S

+ t - thời gian chiếu

+ D ch - liều chiếu xạ vào vật liệu tán xạ

1.7 Quá trình truyền năng lợng của bức xạ gamma cho vật chất

Các hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp đợc coi là các quátrình tơng tác cơ bản chủ yếu của lợng tử gamma với vật chất Tơng tác của l-ợng tử gamma nói riêng và của bức xạ nói chung có thể xem xét dới góc độtruyền năng lợng, trong đó các quá trình tơng tác cơ bản có thể dẫn tới cáchiệu ứng vật lý, hoá học, sinh học… có thể ghi nhận đợc Quá trình truyềnnăng lợng rất thích hợp trong việc ngơn cứu về an toàn và bảo vệ bức xạ Tahãy xem xét một số lý thuyết về quá trình truyền năng lợng

1.7.1 Lý thuyết cấu trúc vết

Trong lý thuyết cấu trúc vết, môi trờng nghiên cứu gồm các phần tửnhạy bức xạ đồng nhất với nhau, đợc gắn chặt trong một ma trận sao cho cóthể coi là một môi trờng truyền và hấp thụ năng lợng bức xạ Lý thuyết cấutrúc vết xem xét mối tơng quan giữa mật độ vết khuyết tật đợc tạo ra trong quátrình ion hoá dọc theo đờng đi của hạt mang điện với liều lợng mà môi trờnghấp thụ

Hiệu ứng truyền năng lợng của bức xạ cho vật chất là hiệu ứng tổng hợpcủa các quá trình tơng tác vi mô của bức xạ gamma với vật chất của môi tr-ờng, trong đó các đặc trng và cấu trúc của vật chất bị thay đổi phụ thuộc vàonăng lợng mà vật chất hấp thụ

Trong phân bố ngẫu nhiên, xác xuất để một phân tử trong một tập hợpcác phần tử đồng nhất về mặt thống kê bị va đập X lần khi số va đập trung

bình của mỗi phần tử là A, đợc xác định bằng biểu thức:

Khi đó suy ra xác suất của một phần tử không bị va chạm lần nào là

(cho X=0) e -A Từ đó ta có xác suất của một phần tử bị va chạm từ một lần trở

lên sẽ là 1-e -A (Vì tổng xác suất bằng 1).

Trong một hệ bị chiếu xạ một cách đồng đều, ta gọi D 37 là liều hấp thụ

sau mỗi lần va chạm đối với phần tử nhạy bức xạ Nếu liều hấp thụ là D thì số lần va chạm sẽ là D/ D 37 , nh vậy xác suất để một phần tử bị va đập 1 lần trở

lên sẽ là :

P=1- eD / D37 (1.7.2)

Trong một tập hợp có N phần tử nhạy bức xạ thì số phần tử bị va đập hay nói cách khác số phần tử bị kích hoạt thu đợc sẽ là n(D) và :

Lý thuyết cấu trúc vết đã đợc dùng để mô tả đờng đặc trng liều của cácvật liệu, của một số liều lợng kế bức xạ nh Alanin, thuỷ tinh và một số loạiliều lợng kế khác

Nhợc điểm của lý thuyết cấu trúc vết là cha mô tả đợc hiệu ứng suấtliều, hiệu ứng liều siêu cao và một số hiệu ứng khác

1.7.2 Mô hình truyền năng lợng

Ưu điểm của mô hình truyền năng lợng là có tính đến các hiệu ứng suấtliều, hiệu ứng phông, hiệu ứng môi trờng (các hiệu ứng gây bởi các yếu tố nhnhiệt độ, độ ẩm…) hiệu ứng liều siêu cao và một số hiệu ứng khác các luận

điểm chính của mô hình truyền năng lợng nh sau:

- Mô hình truyền năng lợng coi năng lợng bức xạ đợc phân bố đều trongthể tích nghiên cứu và đợc các phần tử cấu thành hấp thụ Hệ nghiên cứu gồm

các phần tử nhạy bức xạ phân bố đồng đều; chúng có thể là nguyên tử, phân

tử, tế bào hoặc một trạng thái tổ hợp nào đó

- Trờng bức xạ tác động lên hệ bao gồm bức xạ sơ cấp và thứ cấp Nănglợng tích lũy trong vật liệu gây bởi bức xạ thứ cấp bao gồm eletron, các gốc tự

do, bức xạ điện từ… tiếp tục gây ra hiện tợng ion hoá, tạo khuyết tật, kíchthích, gây biến đổi hoá lý và tất cả chúng đóng góp vào hiệu ứng bức xạ tổng

có thể ghi nhận đợc

Khi một đơn vị của môi trờng xem xét chứa C phần tử nhạy bức xạ hấp thụ một liều là D với hiệu suất liều không đổi D ’ trong khoảng liều dD, thì sẽ

có n(D) các phần tử kích hoạt đợc tạo ra với xác suất xuất hiện trong một đơn

vị thời gian là p và tơng ứng với nó xác suất xuất hiện trong một đơn vị liều là

p/D’ Nh vậy sự ra tăng các phần tử kích hoạt ứng với một đơn vị liều lợng

hấp thụ đợc xác định bằng biểu thức: C  n(D)p/D' Tuy nhiên trong thực tế

số lợng của các phần tử kích hoạt quan sát đợc thờng nhỏ hơn giá trị này dochúng bị mất mát trong quá trình tái hợp với các phần tử gây bởi bức xạ cũng

nh do các tác động khác nh hoá học, nhiệt độ, độ ẩm của môi trờng…Ngoài racòn có thể có những quá trình mất mát năng lợng khác, có thể loại trừ đợc nhthất thoát năng lợng ra khỏi môi trờng hoặc tiêu tốn năng lợng để tạo ra phảnứng hạt nhân… Mà để đơn giản hoá, ta không xem xét Lợng các hạt bị khửkích hoạt đợc mô tả bằng biểu thức

(q r +q c +q h + …)n(D)/D’ )n(D)/D ’ (1.7.5)

Trong đó: q r , q c , q h …)n(D)/D’tơng ứng là xác suất của một phần tử kích hoạt trở

thành kích hoạt bởi các tác động của bức xạ, hoá học, nhiệt độ, độ ẩm v.v và

q= q r +q c +q h +…)n(D)/D’Cả 2 xác suất p và q đều phụ thuộc vào bản chất của chất

nghiên cứu và loại bức xạ

Nh vậy sự biến đổi của các phần tử kích hoạt trong một đơn vị khối ợng đối với một đơn vị liều hấp thụ đợc biểu diễn bằng phơng trình:

 

'

) ( )

( '

) (

D

D n q D n C D

p dD

D dn

1 )

D k D

D k

n D

Trong đó các hệ số n s =  ( )

q p pC

k 0 =p - q

n 0 = n(0)

Hệ số n 0 đợc coi là nền phông, vì nó là các phần tử bị kích hoạt khi vật

chất cha bị chiếu xạ (D = 0) Tuy nhiên nh ta thấy trong công thức (1.7.7) n0

tham gia vào quá trình chiếu xạ

Biểu thức (1.7.6) chính là hàm đặc trng liều của một liều lợng kế làm từvật liệu nghiên cứu, trong đó có tính đến sự phụ thuộc vào suất liều, các hiệuứng ảnh hởng đến hàm đặc trng cũng nh vai trò của nền phông trong quá trìnhchiếu xạ Nó đợc coi là hàm đặc trng liều của một liều kế bất kỳ hoặc một vậtliệu bất kỳ khi bị chiếu xạ

1.7.3 Dẫn xuất của mô hình truyền năng lợng

Dạng hàm đặc trng của mô hình truyền năng lợng và các dẫn xuất của

nó có thể mô tả hầu hết các dạng hàm đặc trng của quá trình truyền năng lợng

Ta hãy xem xét các dẫn suất của mô hình truyền năng lợng

)

D k

n D

n (1.7.8)

Nếu ta lại coi D = D /k’ 0 khi đó N(0) = n s (1- e -1 ) = n s (1- 0,37) = 0,63n s

điều này có nghĩa rằng D /k’ 0 = D 37 nh trong lí thuyết cấu trúc vết Giá trị

hoạt nghĩa là q = 0, khi đó n s = C và

( ) 1 D'

D

s

e p

)

D k s

s n n e n

D

n     (1.7.10)hàm đặc trng liều có dạng hàm mũ suy giảm