ĐẶC TRƯNG CỦA NGUỒN PHÓNG XẠ
i. CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ SỬ DỤNG CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ TRONG CÔNG NGHIỆP
1. Cobalt – 60 :
Cobalt là một kim loại cứng có mật độ 8.9g/cm3 và xuất hiện trong tự nhiên như là một đồng vị bền là Cobalt – 59.
Bằng phản ứng (n,g) thì cobalt – 59 được kích hoạt thành cobalt – 60 có quá trình phân rã bằng cách phát ra một hạt
b có năng lượng 1.33MeV, theo sau đó là phát ra hai bức xạ gamma theo thứ tự có năng lượng 1.17MeV và
1.33MeV. Chu kỳ bán rã của cobalt – 60 là 5.3 năm và suất liều phát là 1.3RHM/Ci. Cobalt có tiết diện bắt neutron
năng lượng thấp cao và do các đặc trưng hấp thụ neutron của nó và thường được chế tạo ra dưới dạng viên nhỏ
hoặc dạng đĩa mỏng hơn là theo các nguồn phóng xạ đơn lớn. Sau khi kích hoạt những nguồn dạng viên và đĩa này
chúng sẽ được sản xuất thành các nguồn phóng xạ có hoạt độ cần thiết và cũng đôi khi dùng nickel tấm để làm vỏ
bọc
Do các nguồn cobalt – 60 phát ra bức xạ có năng lượng cao nên cần phản quan tâm đến vấn đề che chắn an toàn
hợp lý. Một container (buồng chứa) thích hợp cho một nguồn có hoạt độ 30Ci thường có khối lượng nhỏ nhất là
150kg. Một vài nguồn cobalt –60 có hoạt độ từ 1000 – 3000Ci được dùng trong các máy phát bức xạ cố định; có thể
sử dụng thay thế cho các máy gia tốc linac và betatron để chụp ảnh bức xạ các mẫu vật bằng thép có bề dày lớn, từ
100 – 200mm. Dĩ nhiên, chúng rẽ hơn thiết bị phát bức xạ tia X có điện thế đến MV rất nhiều, nhưng suất liều phát
bức xạ của chúng nhỏ hơn nhiều vì thế cần một thời gian chiếu dài hơn. Vì vậy cần xem xét hiệu ứng tự hấp thụ bức
xạ khi chế tạo các nguồn có cường độ cao.
2. Iridium – 192 :
Iridium là một kim loại rất cứng thuộc dòng họ platinum; có mật độ là 22.4g/cm3, tồn tại trong tự nhiên dưới hai dạng
đồng vị là Iridium – 191 (38%) và Iridium – 193 (62%). Kích hoạt Iridium tự nhiên trong lò phản ứng hạt nhân được
thực hiện theo phản ứng (n,g) tạo ra hai đồng vị phóng xạ tương ứng là Ir – 192 có chu kỳ bán rã 74.4 ngày và Ir –
194 có chu kỳ bán rã 19 giờ. Người ta thường để nguồn sau kích hoạt một vài ngày trước khi tiến hành đo đạc để
loại bỏ hầu hết các thành phần Ir – 194 có thời gian sống ngắn. Ir – 192 phân rã chủ yều bằng việc phát b để trở
thành Platinum-192, nhưng cũng có quá trình phân rã thứ cấp do bắt điện tử để trở thành Osmium-192 (Os – 192).
Cả hai sản phẩm này đều ở trạng thái bền. Phổ năng lượng g phát ra khá phức tạp, chứa ít nhất là 24 vạch phổ với
một số vạch chiếm ưu thế là 0.13; 0.29; 0.58; 0.6 và 0.61 MeV. Về phương diện chụp ảnh bức xạ, Ir – 192 có thể
cạnh tranh với các máy phát tia X điện thế 500 KV. Nguồn Iridium – 192 có hoạt độ một curie, cho một suất liều phát
đạt tới 0.5 R/h ở khoảng cách một mét. Nguồn Ir192 có thể sử dụng để kiểm tra các mẫu vật bằng thép có dải bề dày
khoảng 100mm. Nguồn thường được đặt trong các vỏ bọc làm bằng hợp kim nhôm và có các kích thước khác nhau
thay đổi từ 0.5´0.5 mm đến 6´6 mm. Nguồn Ir – 192 được sử dụng trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp có hoạt độ từ
500mCi đến 50 Ci, nhưng cũng có những nguồn có cường độ lớn hơn lên đến 100 Ci và một nguồn 60 Ci có thể
được chế tạo với kích thước nhỏ đến 2 ´ 2 mm.
3. Caesium-137 :
Caesium – 137 là một trong những sản phẩm phân hạch chứa nhiều nhất trong các thanh nhiên liệu của lò phản ứng
hạt nhân và có thể được chiết ra dưới dạng sulphate hoặc cloride bằng phương pháp kết tủa hóa học. Muối phóng
xạ này được nén tới mật độ là 3.5g/cm3 và hoạt độ riêng bị giới hạn nhiều do sự có mặt của đồng vị caesium khác
trong nguồn. Do caesium chloride ở dạng bột có thể hòa tan nên phải sử dụng các phương pháp bọc kép đặc biệt.
Cs – 137 phân rã bằng cách phát xạ b để trở thành một trạng thái đồng phân của Ba137 (b có năng lượng 0.52 MeV
chiếm 92%; b có năng lượng 1.17 MeV chiếm 8%) rồi phát bức xạ g có năng lượng 0.662 MeV. Chu kỳ bán rã của
nguồn caesium là 30 năm và suất liều phát đạt đến 0.33 RHM/Ci. Cs – 137 được sử dụng chủ yếu để chụp ảnh bức
xa các mẫu vật bằng thép từ 40 đến 100mm. Cùng một kích thước vật lý, nó lại không có suất liều phát như Ir – 192
và giá thành đắt hơn nhưng bù lại có chu kỳ bán rã dài hơn rất nhiều, do đó nó được quan tâm từ những người sử
dụng không thuờng xuyên hơn là sử dụng liên tục.
4. Thulium – 170 :
Đồng vị này được đưa vào sử dụng vào năm 1953, khi cần một nguồn đồng vị phóng xạ phát ra bức xạ gamma có
năng lượng thấp thích hợp cho việc chụp ảnh bức xạ các mẫu vật mỏng bằng thép và các loại hợp kim nhẹ. Thulium
– 170 có chu kỳ bán rã là 127 ngày. Thulium là một trong những nguyên tố đất hiếm và kim loại khó chế tạo, nó
thường được sử dụng dưới dạng thulium oxide bột có mật độ khoảng 4g/cm3 và được nung kết thành dạng viên có
mật độ là 7g/cm3. Đồng vị thulium – 169 tồn tại trong tự nhiên sẽ bắt neutron nhiệt để chuyển đổi thành thulium –
170. Quá trình phân rã bằng cách phát ra bức xạ b có năng lượng là 0.968 Mev và 0.884MeV. Hạt nhân từ trạng thái
kích thích trở về trạng thái bền vững bằng cách phát ra bức xạ gamma có năng lượng 0.084MeV hoặc bằng quá
trình biến hoán trong (biến đổi nội tại); chỉ có 3.1% quá trình phân rã dẫn đến phát bức xạ gamma. Từ quá trình biến
hoán trong (biến đổi nội tại) phát ra bức xạ gamma có năng lượng 0.052MeV từ 5% quá trình phân rã. Chỉ khoảng
8% trong tổng số hiệu suất phân rã bức xạ hiệu dụng đi đến một điểm của ảnh chụp bức xạ trên phim. Thulium – 170
phát ra bức xạ gamma có năng lượng 0.84MeV có thể so sánh được với bức xạ tia X phát ra từ một máy phát tia X
120KV. Nguồn thulium –170 cho một suất liều phát có giá trị là 0.0045 RMH/1Ci. Nguồn này có thể sử dụng để chụp
ảnh bức xạ kiểm tra các mẫu vật bằng nhôm có bề dày từ 0.2 đến 1.2cm và các mẫu vật bằng thép có bề dày lên
đến 0.5cm. Nguồn được sử dụng thường có dạng viên nhỏ, kích thước 2 ´ 3mm và 3 ´ 3mm, được bọc bằng một vỏ
hợp kim nhôm.
5. Ytterbium – 169 :
Nguồn này được sử dụng trong những năm gần đây. Ytterbium được tạo ra khi kích hoạt neutron vào một hỗn hợp
của một vài đồng vị bền trong lò phản ứng hạt nhân. Yb –168 được kích hoạt thành Yb-169. Nhiều nhất là đồng vị
Yb-174 bền được kích hoạt thành Yb-175. Sau đó phát ra một năng lượng thấp nhưng chu kỳ bán rã chỉ 4.2 ngày.
Trong khi đó Yb-169 có chu kỳ bán rã là 31ngày. Do đó, trong nguồn mới được kích hoạt là một nguồn có một hỗn
hợp hai đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã khác nhau, có phổ phát xạ khác nhau và tỷ lệ tương đối của hai đồng vị
phóng xạ này sẽ biến đổi nhanh theo thời gian. Sau một khoảng thời gian tương đối ngắn hầu như đồng vị phóng xạ
Yb-175 bị phân rã hết và nguồn còn lại chủ yếu là Yb – 169. Ytterbium-169 có một phổ gamma chứa một vài vạch
phổ, chủ yếu là những bức xạ gamma có năng lượng : 0.063, 0.198, 0.177 và 0.109MeV.
Liều phát bức xạ của nguồn này là 0.125RMH/Ci tại khoảng cách 1m. Gần đây các nguồn được chế tạo từ 24%
ytterbium trong tự nhiên được làm giàu để tăng tỷ lệ Yb – 169 lên trong nguồn được kích hoạt, và vì vậy làm tăng
hoạt độ phóng xạ trong một kích thước vật lý cho trước. Đối với quá trình làm giàu, nguồn này có thể được kích hoạt
để có hoạt độ 1 – 3Ci thì kích thước tương đương của nó là 0.6 ´ 0.6mm và hoạt độ 100 đến 500mCi sẽ có kích
thước 0.3 ´ 0.3mm theo dạng viên nhỏ.
Ytterbium là một kim loại rất hiếm, quá trình làm giàu khó vì thế các nguồn này tương đối đắt tiền. Vấn đề chính đối
với các nguồn Ytterbium hiện nay là việc ứng dụng và cung cấp nó. Các thí nghiệm đo độ nhạy của ảnh chụp bức xạ
chứng tỏ nó đạt tới độ nhạy mong muốn cũng như độ tương phản của ảnh chụp bức xạ này thực hiện với nguồn Yb
– 169 là gần như tương đương với ảnh chụp từ nguồn tia X được lọc giữa 250 và 350kV, và phụ thuộc vào bề dày
của mẫu vật.
BẢNG 1. ĐẶC TRƯNG CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ SỬ DỤNG CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ TRONG CÔNG
NGHIỆP
Đồng vị phóng xạ Co – 60 Ir – 192 Cs – 137 Th – 170 Yb – 169
Chu kỳ bán rã 5.3 năm 74 ngày 30 năm 127 ngày 30 ngày
Kim loại hoặc
Dạng hoá học YbO3 Kim loại Kim loại Cs – Ce Tm2O3
Mật độ (g/cm3) 8.9 22.4 3.5 4
0.31
1.17 0.47 0.87 Năng lượng bức xạ gamma phát
1.33 0.64 0.66 0.052 ra (MeV) 0.17 – 0.2
36 370 —– 130 Tiết diện kích hoạt (barn) 5500
Phụ thuộc vào quá
trình làm giàu đồng vị
Hoạt độ riêng cơ bản (Ci/g) 1100 10000 25 6300 Yb – 168
2.5 – 3.5Ci trong kích
Hoạt độ riêng thực tế (Ci/g) 300 450 25 1500 thước 1 ´ 1mm
1.33 0.5 0.37 0.0025 RHM/Ci 0.125
Dải bề dày thép kiểm tra tối ưu
(mm) 50 – 150 10 – 70 20 – 100 2.5 – 12 3 – 12
Hoạt độ của nguồn chụp ảnh bức 100 50 75 50 2.5 – 3.5
xạ trong thực tế (Ci)
Đường kính gần đúng nguồn
phóng xạ (mm) 3 3 6 3 1
Khối lượng che chắn (Kg) 100 20 50 1 —–
Lớp bề dày hấp thụ một nửa của
13 chì (mm) 2.8 8.4 —– 0.88
II. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LIỀU CHIẾU
1. Liều chiếu
Và đối với bức xạ gamma :
Liều chiếu = Cường độ của nguồn (Ci) ´ thời gian (giờ)
[Curie – giờ]
(Cường độ của nguồn tính theo đơn vị curie là lượng bức xạ phát ra từ nguồn phóng xạ)
1. Biểu đồ liều chiếu
Để xác định đúng liều chiếu (chế độ chiếu chụp) trong chụp ảnh bức xạ cho một vật thể được biết trước là rất
cần thiết nhằm để có được những kết quả tốt nhất. Tiết kiệm được sức lao động, thời gian và tiết kiệm chi phí
vật tư : phim, thuốc rửa ảnh vv…
Trên thực tế để dễ dàng xác định liều chiếu, ứng với từng loại vật liệu và nguồn bức xạ khác nhau. Người ta xây
dựng một biểu đồ liều chiếu nguồn bức xạ gamma cho nhiều giá trị độ đen khác nhau.
On November 6, 2013 / Tin Tức
