Khóa luận tốt nghiệp Đại học: Xác định hoạt động phóng xạ trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA

Chia sẻ: Little Little | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:65

Thêm vào BST

Báo xấu

94
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khóa luận tốt nghiệp Đại học "Xác định hoạt động phóng xạ trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA" được nghiên cứu với các nội dung: Tổng quan về phóng xạ trong môi trường, Detector Germanium siêu tinh khiết HPGE, giới thiệu phương pháp xác định hoạt độ và xây dựng chương trình FSA, xác định hoạt độ trong môi trường bằng phương pháp FSA.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp Đại học: Xác định hoạt động phóng xạ trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC KHOA HOÏC TÖÏ NHIEÂN KHOA VAÄT LYÙ CHUYEÂN NGAØNH VAÄT LYÙ HAÏT NHAÂN --------------------------------- KHOÙA LUAÄN TOÁT NGHIEÄP ÑAÏI HOÏC Ñeà Taøi: XAÙC ÑÒNH HOAÏT ÑOÄ PHOÙNG XAÏ TRONG MAÃU MOÂI TRÖÔØNG BAÈNG PHÖÔNG PHAÙP FSA SVTH : Leâ Thò Hoå CBHD : ThS. Tröông Thò Hoàng Loan CN . Ñaëng Nguyeân Phöông CBPB : ThS. Nguyeãn Ñình Gaãm TP.HOÀ CHÍ MINH – 2008
LÔØI CAÛM ÔN Trong quaù trình hoïc taäp taïi tröôøng Ñaïi hoïc Khoa hoïc Töï nhieân, em ñaõ ñöôïc söï höôùng daãn taän tình cuûa caùc thaày coâ giaûng daïy, vaø ñaëc bieät laø trong thôøi gian thöïc hieän khoùa luaän toát nghieäp taïi boä moân Vaät lyù Haït nhaân. Em xin chaân thaønh caûm ôn ThS. Tröông Thò Hoàng Loan, ngöôøi ñaõ theo doõi suoát quaù trình thöïc hieän luaän vaên cuûa em. Coâ laø ngöôøi ñaõ taän tình giaûng daïy, höôùng daãn em nhöõng kieán thöùc boå ích vaø caàn thieát ñeå giuùp em hoaøn thaønh khoùa luaän naøy. Em xin caûm ôn CN. Ñaëng Nguyeân Phöông ñaõ giuùp ñôõ vaø ñoäng vieân em raát nhieàu trong thôøi gian qua. Anh luoân hoã trôï vaø cuøng giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà khoù khaên trong suoát thôøi gian thöïc hieän luaän vaên. Caùc thaày coâ trong Khoa Vaät lyù, ñaëc bieät caùc thaày coâ trong Boä moân Vaät lyù Haït nhaân ñaõ truyeàn ñaït cho em nhöõng kieán thöùc quyù baùu giuùp em hoaøn thaønh khoùa luaän naøy. Em xin göûi lôøi bieát ôn ñeán gia ñình, baïn beø ñaõ uûng hoä, giuùp ñôõ ñeå em coù theå hoaøn thaønh khoùa luaän naøy. Cuoái cuøng, toâi xin caûm ôn taát caû caùc baïn lôùp 04VLHN ñaõ luoân giuùp ñôõ mình trong thôøi gian qua. Leâ Thò Hoå
1 MUÏC LUÏC Muc luïc ................................................................................................................... 1 Danh muïc caùc baûng ................................................................................................ 4 Danh muïc caùc hình veõ vaø ñoà thò ............................................................................. 5 Lôøi môû ñaàu ............................................................................................................. 7 CHÖÔNG 1 - TOÅNG QUAN VEÀ PHOÙNG XAÏ TRONG MOÂI TRÖÔØNG .......... 8 1.1. Phoùng xaï moâi tröôøng ......................................................................... 8 1.1.1. Phoùng xaï nguyeân thuûy............................................................ 8 1.1.2. Phoùng xaï vuõ truï ...................................................................... 8 1.1.3. Phoùng xaï nhaân taïo .................................................................. 9 1.2. Moät soá ñoàng vò phoùng xaï töï nhieân trong ñaát ................................ 10 1.2.1. Uranium ................................................................................ 10 1.2.2. Thorium ................................................................................ 11 1.2.3. Kali ....................................................................................... 11 1.3. Chuoãi phaân raõ cuûa caùc ñoàng vò phoùng xaï ....................................... 12 1.3.1. Chuoãi Uranium ..................................................................... 12 1.3.2. Chuoãi Thorium ..................................................................... 12 1.3.3. Chuoãi Actinium .................................................................... 13 1.3.4. Kali ....................................................................................... 15 CHÖÔNG 2 - DETECTOR GERMANIUM SIEÂU TINH KHIEÁT HPGE .... 16 2.1. Toång quan veà detector HPGe ......................................................... 16 2.2. Nhöõng ñaëc tröng cuûa detector HPGe ............................................ 17 2.2.1. Hieäu suaát .............................................................................. 17 2.2.2. Ñoä phaân giaûi naêng löôïng ...................................................... 18
2 2.2.3. Tæ soá ñænh / Compton ............................................................ 20 2.2.4. Daïng cuûa ñænh ...................................................................... 21 2.3. Heä phoå keá gamma taïi phoøng thí nghieäm boä moân .......................... 22 2.3.1. Sô löôïc veà heä phoå keá gamma ............................................... 22 2.3.2. Chöùc naêng chính cuûa moät soá thaønh phaàn trong heä ño .......... 23 CHÖÔNG 3 - GIÔÙI THIEÄU PHÖÔNG PHAÙP XAÙC ÑÒNH HOAÏT ÑOÄ VAØ XAÂY DÖÏNG CHÖÔNG TRÌNH FSA ................................................................ 25 3.1. Phöông phaùp WA ............................................................................. 25 3.1.1. Phöông phaùp töông ñoái ......................................................... 25 3.1.2. Phöông phaùp tuyeät ñoái ......................................................... 26 3.2. Phöông phaùp FSA............................................................................. 28 3.2.1. Phöông phaùp ......................................................................... 28 3.2.2. Sai soá .................................................................................... 31 3.3. Xaây döïng chöông trình phaân tích maãu moâi tröôøng baèng phöông phaùp FSA ........................................................................................ 32 CHÖÔNG 4 – XAÙC ÑÒNH HOAÏT ÑOÄ TRONG MAÃU MOÂI TRÖÔØNG BAÈNG PHÖÔNG PHAÙP FSA ......................................................................................... 35 4.1. Chuaån bò maãu ................................................................................... 35 4.1.1. Duïng cuï chöùa maãu ............................................................... 35 4.1.2. Chuaån bò maãu ño .................................................................. 36 4.1.2.1. Maãu chuaån .............................................................. 36 4.1.2.2. Maãu ñaù bazan ......................................................... 36 4.1.2.3. Maãu ñaù traéng........................................................... 37 4.1.2.4. Phoâng ...................................................................... 38 4.2. Daïng phoå thu ñöôïc ........................................................................... 39
3 4.2.1. Phoå maãu chuaån ..................................................................... 39 4.2.2. Phoå phoâng............................................................................. 41 4.2.3. Phoå maãu caàn phaân tích ......................................................... 41 4.3. Keát quaû ............................................................................................. 43 4.3.1. Phöông phaùp WA ................................................................. 43 4.3.1.1. Maãu chuaån .............................................................. 43 4.3.1.2. Maãu ñaù bazan ......................................................... 44 4.3.1.3. Maãu ñaù traéng........................................................... 45 4.3.2. Phöông phaùp FSA ................................................................. 45 4.3.2.1. Maãu ñaù bazan ......................................................... 45 4.3.2.2. Maãu ñaù traéng........................................................... 47 4.3.3. Nhaän xeùt ............................................................................... 48 KEÁT LUAÄN VAØ KIEÁN NGHÒ ............................................................................ 50 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO .................................................................................. 52 PHUÏ LUÏC ............................................................................................................ 53
4 DANH MUÏC CAÙC BAÛNG Baûng 4.1. Kích thöôùc hoäp ñöïng maãu 3π .............................................................. 35 Baûng 4.2. Hoaït ñoä cuûa caùc ñoàng vò coù trong 3 maãu chuaån .................................. 37 Baûng 4.3. Hoaït ñoä cuûa maãu chuaån ....................................................................... 44 Baûng 4.4. Hoaït ñoä cuûa maãu ñaù bazan .................................................................. 44 Baûng 4.5. Hoaït ñoä cuûa maãu ñaù traéng ................................................................... 45 Baûng 4.6. Hoaït ñoä cuûa maãu ñaù bazan tính baèng FSA .......................................... 47 Baûng 4.7. Hoaït ñoä cuûa maãu ñaù traéng tính baèng FSA ........................................... 48 Baûng 4.8. So saùnh hoaït ñoä töø 2 phöông phaùp phaân tích ....................................... 49
5 DANH MUÏC CAÙC HÌNH VEÕ VAØ ÑOÀ THÒ Hình 1.1. Chuoãi Uranium A = 4n+2 ..................................................................... 12 Hình 1.2. Chuoãi Thorium A = 4n. ......................................................................... 13 Hình 1.3. Chuoãi Actinium A = 4n+3..................................................................... 14 Hình 1.4. K40 phaân raõ β vaø baét electron taïo Ar40 vaø phaân raõ β taïo Ca40 ........... 15 Hình 2.1. Phoå cuûa nguoàn phoùng xaï Co60 .............................................................. 19 Hình 2.2. Caùc daïng cuûa ñænh theo thöïc nghieäm vaø moâ phoûng. ............................ 21 Hình 2.3. Heä ño gamma taïi Phoøng Thí Nghieäm Boä Moân Vaät Lyù Haït Nhaân ....... 23 Hình 3.1. Xaùc ñònh hoaït ñoä Th232 baèng phöông phaùp WA................................... 28 Hình 3.2. Xaùc ñònh hoaït ñoä Th232 baèng phöông phaùp FSA .................................. 29 Hình 3.3. Giao dieän môû chöông trình phaân tích phoå gamma................................ 32 Hình 3.4. Giao dieän môû phoå ................................................................................. 33 Hình 3.5. Giao dieän môû FSA ................................................................................ 33 Hình 3.6. Giao dieän xuaát ra keát quaû ..................................................................... 34 Hình 4.1. Hoäp chöùa maãu 3π .................................................................................. 35 Hình 4.2. Hoäp maãu ñaù bazan ................................................................................ 37 Hình 4.3. Hoäp maãu ñaù traéng ................................................................................. 38 Hình 4.4. Phoå maãu chuaån Uranium ...................................................................... 39 Hình 4.5. Phoå maãu chuaån Thorium ...................................................................... 40 Hình 4.6. Phoå maãu chuaån Kali ............................................................................. 40 Hình 4.7. Phoå phoâng ............................................................................................. 41 Hình 4.8. Phoå maãu ñaù bazan................................................................................. 41 Hình 4.9. Phoå maãu ñaù bazan sau khi ñaõ tröø phoâng. .............................................. 42 Hình 4.10. Phoå maãu ñaù traéng................................................................................ 42
6 Hình 4.11. Phoå maãu ñaù traéng sau khi ñaõ tröø phoâng .............................................. 43 Hình 4.12. Phoå maãu ñaù bazan treân chöông trình FSA .......................................... 46 Hình 4.13. Hoaït ñoä cuûa U238, Th232 vaø K40 trong maãu ñaù bazan ........................... 46 Hình 4.14. Phoå maãu ñaù traéng treân chöông trình FSA ........................................... 47 Hình 4.15. Hoaït ñoä cuûa U238, Th232 vaø K40 trong maãu ñaù traéng ............................ 48
7 LÔØI MÔÛ ÑAÀU Ngaøy nay, cuøng vôùi söï phaùt trieån maïnh meõ cuûa khoa hoïc kyõ thuaät noùi chung vaø ngaønh Vaät lyù Haït nhaân noùi rieâng ñaõ voâ tình thaûi vaøo moâi tröôøng soáng cuûa chuùng ta moät löôïng chaát phoùng xaï ñaùng keå. Maëc duø löôïng phoùng xaï naøy khaùc nhau ôû nhieàu nôi treân Traùi Ñaát, nhöng noù cuõng coù aûnh höôûng ít nhieàu tôùi sinh vaät vaø ñaëc bieät laø söùc khoûe cuûa con ngöôøi. Vì vaäy, vieäc nghieân cöùu vaø ñaùnh giaù möùc ñoä aûnh höôûng cuûa chaát phoùng xaï coù trong maãu moâi tröôøng laø heát söùc caàn thieát. Coù raát nhieàu phöông phaùp khaùc nhau duøng xaùc ñònh hoaït ñoä phoùng xaï trong maãu moâi tröôøng nhö: phöông phaùp kích hoaït haït nhaân, phöông phaùp phaân tích huyønh quang tia X, phöông phaùp ño phoùng xaï töï nhieân… Moãi phöông phaùp ñeàu coù nhöõng öu ñieåm vaø haïn cheá rieâng, tuøy theo muïc ñích maø löïa choïn phöông phaùp naøo cho phuø hôïp ñeå coù theå cho keát quaû chính xaùc nhaát. Vôùi ñieàu kieän thöïc teá cuûa phoøng thí ngheäm boä moân vaø muïc ñích laø xaùc ñònh hoaït ñoä phoùng xaï trong maãu moâi tröôøng, ñaëc bieät laø caùc maãu raén, taùc giaû thöïc hieän luaän vaên toát nghieäp vôùi ñeà taøi:” Xaùc ñònh hoaït ñoä phoùng xaï trong maãu moâi tröôøng baèng phöông phaùp FSA (Full Spectrum Analysis)”. Ñaây laø moät phöông phaùp töông ñoái môùi, duøng heä phoå keá gamma phoâng thaáp ñeå xaùc ñònh hoaït ñoä phoùng xaï coù trong maãu phaân tích. Beân caïnh vieäc söû duïng phöông phaùp chuû yeáu laø FSA, taùc giaû coøn duøng phöông phaùp khaù phoå bieán trong vieäc xaùc ñònh hoaït ñoä phoùng xaï ñoù laø phöông phaùp WA (Window Analysis) ñeå kieåm chöùng laïi keát quaû phaân tích.
8 CHÖÔNG 1 TOÅNG QUAN VEÀ PHOÙNG XAÏ TRONG MOÂI TRÖÔØNG 1.1. Phoùng xaï moâi tröôøng [4] Phoùng xaï treân traùi ñaát coù theå chia laøm 3 loaïi khaùc nhau Phoùng xaï nguyeân thuûy. Phoùng xaï vuõ truï. Phoùng xaï nhaân taïo. 1.1.1. Phoùng xaï nguyeân thuûy Caùc nhaân phoùng xaï nguyeân thuûy coù chu kyø baùn raõ ít nhaát khoaûng vaøi trieäu naêm, toàn taïi töø khi traùi ñaát ñöôïc hình thaønh. Töø phaân raõ phoùng xaï cuûa nhöõng nhaân phoùng xaï nguyeân thuûy seõ taïo ra nhöõng nhaân phoùng xaï thöù caáp. Moät soá nhaân phoùng xaï nguyeân thuûy toàn taïi tôùi baây giôø coù chu kì baùn raõ gaàn vôùi tuoåi cuûa traùi ñaát. Ví duï: U238 coù chu kyø baùn huûy 4,47.109 naêm. Th232 coù chu kyø baùn huûy 1,41.1010 naêm. K40 coù chu kyø baùn huûy 1,28.109 naêm. 1.1.2. Phoùng xaï vuõ truï Laø nhöõng böùc xaï ñeán töø vuõ truï, tia phoùng xaï chuû yeáu laø proton vaø nhöõng haït nhaân naëng khaùc, ñaàu tieân töø beà maët vuõ truï goïi laø böùc xaï vuõ truï, lieân tuïc baén phaù nhöõng nguyeân töû beàn trong khí quyeån vaø taïo ra nhöõng nhaân phoùng xaï nhö: Na22, Be7 vaø C14.
9 Caùc nhaân phoùng xaï vuõ truï khi ñi vaøo traùi ñaát, moät phaàn töông taùc vôùi vaät chaát trong baàu khí quyeån, moät phaàn xuyeân xuoáng beà maët traùi ñaát. Coù 2 loaïi tia böùc xaï: tia vuõ truï sô caáp vaø tia vuõ truï thöù caáp. Böùc xaï vuõ truï sô caáp: Ñöôïc taïo neân bôûi caùc haït coù naêng löôïng cöïc kyø cao (leân ñeán 108 eV), ña phaàn laø proton cuøng vôùi moät soá haït naëng khaùc. Phaàn lôùn caùc tia vuõ truï sô caáp ñeán töø beân ngoaøi heä maët trôøi vaø chuùng cuõng ñaõ ñöôïc tìm thaáy trong khoâng gian vuõ truï. Moät soá ít baét nguoàn töø maët trôøi do quaù trình chaùy saùng cuûa heä maët trôøi. Böùc xaï vuõ truï thöù caáp: Laø caùc böùc xaï taïo ra khi tia sô caáp töông taùc vôùi caùc nguyeân töû cuûa baàu khí quyeån, ñoàng thôøi sinh ra böùc xaï naêng löôïng thaáp, aùnh saùng thaáy ñöôïc, electron, nôtron. Nhöõng phaûn öùng naøy laøm sinh ra caùc böùc xaï coù naêng löôïng thaáp hôn. Lôùp khí quyeån vaø töø tröôøng traùi ñaát coù taùc duïng nhö moät lôùp voû boïc che chaén caùc tia vuõ truï, laøm giaûm soá löôïng cuûa chuùng coù theå ñeán ñöôïc beà maët traùi ñaát. 1.1.3. Phoùng xaï nhaân taïo Naêm 1934, Irene vaø Frederic Joliot Curie taïo ra vaø coâ laäp ñöôïc nguyeân toá phoùng xaï ñaàu tieân, ñoù laø P30 coù ñöôïc baèng caùch baén tia vaøo moät laù nhoâm. 27 31 30 α + 13Al 15P 15P + 0n 1 30 30 15P 14Si + e+ Ngoaøi ra, caùc nhaân phoùng xaï nhaân taïo coøn tìm thaáy trong: Caùc vuï kieåm tra vuõ khí haït nhaân: Toång löôïng phoùng xaï ñaõ ñöa vaøo khí quyeån qua caùc vuï thöû vuõ khí haït nhaân laø 3,107 Sv/ngöôøi vôùi 70% laø C14, caùc ñoàng vò khaùc nhö Cs137, Sr90 , Zr95 vaø Ru106 chieám phaàn coøn laïi. Ñieän haït nhaân: Cho ñeán cuoái naêm 2002, theo thoáng keâ cuûa IAEA, ñieän haït nhaân ñaõ chieám 16% saûn löôïng ñieän toaøn theá giôùi vaø ñang coù chieàu höôùng gia taêng. Caùc ñoàng vò phoùng xaï thaûi vaøo moâi tröôøng ñeàu töø caùc chu trình
10 nhieân lieäu haït nhaân nhö khai thaùc moû, nghieàn Uran, saûn xuaát vaø taùi cheá caùc thanh nhieân lieäu. Vieäc thaûi caùc chaát phoùng xaï töø caùc nhaø maùy ñieän coù theå leân ñeán côõ TBq/naêm hoaëc nhoû hôn. Tai naïn haït nhaân: Khoaûng 150 tai naïn lôùn nhoû cuûa ngaønh haït nhaân ñaõ xaûy ra, lôùn nhaát laø tai naïn Chernoboyl xaûy ra ôû Ucraina 1986 gaây neân söï nhieãm baån phoùng xaï bôûi caùc chaát thaûi raén vaø loûng, laø hoãn hôïp caùc hôïp chaát hoùa hoïc vaø caùc ñoàng vò phoùng xaï. Moät soá nhaân phoùng xaï nhaân taïo coøn ñöôïc taïo thaønh töø caùc khu chöùa chaát thaûi phoùng xaï, caùc chaát thaûi raén hay ñoàng vò phoùng xaï ñaùnh daáu. Con ngöôøi ñaõ bò chieáu xaï bôûi nhieàu nguoàn nhaân taïo khaùc nhau nhö: tia X trong chaån ñoaùn y khoa, caùc öùng duïng kyõ thuaät haït nhaân trong coâng nghieäp vaø noâng nghieäp, caùc tia phoùng xaï phaùt ra töø tro buïi phoùng xaï do caùc vuï noå haït nhaân gaây ra. Caùc hoaït ñoäng cuûa con ngöôøi laøm phaùt ra nhöõng nhaân phoùng xaï töï nhieân vaøo moâi tröôøng döôùi daïng chaát thaûi hoaëc nhöõng saûn phaåm phuï. Ñoù laø söï khai moû vaø nghieàn quaëng Uranium. Nhöõng hoaït ñoäng khaùc bao goàm vieäc ñoát chaùy nhöõng nhieân lieäu hoùa thaïch, saûn xuaát ra phoát phaùt töø ñaù phoát phaùt, khai thaùc moû vaø nghieàn ñaù voâ cô. 1.2. Moät soá ñoàng vò phoùng xaï töï nhieân trong ñaát Phaàn lôùn nhaân phoùng xaï töï nhieân thuoäc 3 hoï phoùng xaï khôûi ñaàu töø caùc nhaân meï soáng laâu nhö: U238, U235 vaø Th232. 1.2.1. Uranium Uranium laø nhaân phoùng xaï coù maët khaép nôi. Noù coù haàu heát trong moâi tröôøng vaät chaát vaø ñöôïc nghieân cöùu roäng raõi trong ñaù vaø ñaát. Trong töï nhieân Uranium coù 3 ñoàng vò laø U238, U235 vaø U234 vôùi ñoä phoå caäp töông öùng laø 99,28%; 0,72% vaø 0,0057%.
11 Uranium phaân taùn roäng khaép trong töï nhieân, coù nhieàu trong ñaù, muoái Uranium coù theå hoøa tan vaøo nöôùc bieån. Ngöôøi ta öôùc tính haøm löôïng Uranium trong nöôùc bieån khoaûng 10-6gam/lit vaø haøm löôïng trung bình trong voû Traùi Ñaát khoaûng 4 10-4%. 1.2.2. Thorium Thorium phaân taùn roäng treân voû Traùi Ñaát, haøm löôïng trung bình cuûa Thorium trong lôùp treân cuøng khoaûng 1,2 10-5%. Trong khi ñoù haøm löôïng trung bình cuûa chì khoaûng 1,6 10-5% neân ñoä giaøu cuûa Thorium töông ñöông vôùi chì, do vaäy Thorium khoâng ñöôïc xem laø moät nguyeân toá hieám. Thorium coù 6 ñoàng vò trong töï nhieân nhöng Th 232 phaân taùn roäng hôn caû. 1.2.3. Kali Kali laø kim loaïi kieàm coù 3 ñoàng vò, nhöng chæ coù K40 laø coù tính phoùng xaï vôùi ñoä phoå caäp 0,0117% vaø thôøi gian baùn raõ T1/2=1,28 109 naêm, phaùt ra tia gamma coù naêng löôïng 1,46 Mev. Trong lôùp beà maët cuûa voû traùi ñaát, kali coù haøm löôïng cao trong magma, haøm löôïng trong ñaát seùt vaø ñaù phieán côõ 6,5%. Hoaït ñoäng cuûa nöôùc vaø cacbon dioxide laøm cho kali trong ñaù ngaàm daàn daàn bò hoøa tan vaø ñöôïc caùc doøng nöôùc mang ra bieån, moät phaàn khaùc löu laïi trong ñaát. Phaàn lôùn kali trong ñaát toàn taïi döôùi daïng muoái tan coù trong silicate vaø aluminosilicate. Caùc muoái naøy phaân bieät thaønh 2 loaïi laø kali ñaõ qua quaù trình trao ñoåi chaát giöõa thöïc vaät vôùi ñaát vaø kali khoâng trao ñoåi chaát. Kali coù chuû yeáu trong sinh vaät, vì vaäy vieäc phaùt xaï K40 laø taát yeáu nhöng coù söï bieán thieân veà ñoä tuoåi vaø giôùi tính trong vaïch phoå vôùi nhöõng thay ñoåi töông öùng trong noàng ñoä kali. Söï coù maët cuûa K40 trong ñaù vaø trong ñaát taïo ra nguoàn phaùt xaï ngoaøi.
12 1.3. Chuoãi phaân raõ cuûa caùc ñoàng vò phoùng xaï [3] [6] 1.3.1. Chuoãi Uranium (A = 4n+2) Trong töï nhieân noù baét ñaàu bôûi ñoàng vò phoùng xaï naëng nhaát laø U238, Uranium naøy traûi qua quaù trình phaân raõ ñeå trôû thaønh U 234. Sau ñoù traûi qua nhieàu laàn phoùng xaï lieân tieáp vaø keát thuùc bôûi ñoàng vò Pb206. Hình 1.1. Chuoãi Uranium A = 4n+2 1.3.2. Chuoãi Thorium (A = 4n) Caùc nhaân trong chuoãi Thorium coù soá khoái A = 4n. Chuoãi naøy mang teân 232 cuûa ñoàng vò soáng laâu nhaát coøn trong töï nhieân laø 90Th coù T1/2=13,9 109 naêm (gaáp 5 laàn tuoåi cuûa traùi ñaát).
13 Vì thôøi gian soáng laâu nhö vaäy neân 90Th232 coøn toàn taïi trong töï nhieân cuøng caùc saûn phaåm phaân raõ cuûa noù taïo neân chuoãi Thorium. Hình 1.2. Chuoãi Thorium A = 4n. Thöïc ra nhaân meï cuûa Th232 laø U236 phaùt vôùi T1/2 =2,4 107 naêm, khoaûng 1/100 tuoåi traùi ñaát vaø do ñoù khoâng coøn tìm thaáy trong töï nhieân. Theo nhöõng chöùng côù ñòa vaät lyù tìm thaáy ñöôïc chöùng toû raèng U236 laø moät trong nhöõng ñoàng vò cuûa Uranium khi vuõ truï coøn raát treû. 1.3.3. Chuoãi Actinium (A = 4n+3) Chuoãi naøy ñöôïc nghieân cöùu töø naêm 1902, khi Giesel khaùm phaù ra söï phoùng xaï cuûa Actinium. Nhöng maõi cho tôùi 1935, khi ñoàng vò U235 ñöôïc nhaän dieän tröïc tieáp baèng khoái phoå keá vaø chöùng toû laø thuûy toå cuûa chuoãi Actinium thì noù môùi ñöôïc hieåu ñaày ñuû, bôûi vì laø ñoàng vò coøn trong töï nhieân duy nhaát phaân haïch bôûi nôtron nhieät.
14 Hình 1.3. Chuoãi Actinium A = 4n+3 Actinium (Ac227) töï noù coù theå ñöôïc taùch ra töø khoaùng chaát Uranium baèng caùch keát tuûa vôùi ñaát hieám Lanthanium vaø laø nguoàn cho chuoãi Actinium laâu daøi ôû phoøng thí nghieäm. Phoå β cuûa Ac227 coù naêng löôïng cöïc ñaïi khoaûng 0.04 Mev. Nhaùnh phaân raõ 223 α coù ñoä phoå caäp raát thaáp, nhöng raát quan troïng vì noù daãn tôùi Francium (Fr ) laø ñoàng vò coù trong töï nhieân duy nhaát. Francium (Fr223 ) chuû yeáu bieán ñoåi baèng phaân raõ β thaønh Ra223, nhöng cuõng coù 0.004% Francium bieán ñoåi baèng caùch phaân raõ α thaønh Astatine (At215). Do ñoù, chuoãi Actinium chöùa trong nhaùnh phuï cuûa noù 2 ñoàng vò töï nhieân cuûa nguyeân toá Astatine (Z=85) vaø Francium (Z=87).
15 1.3.4. Kali Kali coù chu kì baùn raõ 1,28.109 naêm. Kali coù 2 kieåu phaân raõ caïnh tranh nhau vaø ñöôïc theå hieän ôû Hình 1.4. T1/2 = 1,28.109 naêm K40 10,32% 89,28% EC β 1,46 MeV 0,001% β Ca40 Ar40 Hình 1.4. K40 phaân raõ β vaø baét electron taïo Ar40 vaø phaân raõ β taïo Ca40. Hình 1.4 cho thaáy 2 kieåu phaân raõ caïnh tranh nhau, phaân raõ β vôùi xaùc suaát phaùt laø 0,001% vaø baét EC vôùi xaùc suaát phaùt laø 10,32% ñeå taïo thaønh haït nhaân beàn Ar40. Trong khi ñoù, coù tôùi 89,28% phaân raõ β ñeå taïo thaønh Ca40.
16 CHÖÔNG 2 DETECTOR GERMANIUM SIEÂU TINH KHIEÁT HPGE 2.1. Toång quan veà detector HPGe [4] Detector HPGe laø loaïi detector ño tia gamma coù coù ñoä nhaïy vaø ñoä phaân giaûi cao nhaát hieän nay, vaø chuùng ñöôïc söû duïng roäng raõi cho caû nghieân cöùu cô baûn laãn vaät lyù öùng duïng. Naêng löôïng cuûa tia gamma hoaëc beta coù theå ñöôïc ño vôùi ñoä phaân giaûi leân tôùi 0,1%. Trong caùc detector sieâu tinh khieát, ñoäng naêng cuûa moät electron ñöôïc ño bôûi taäp hôïp caùc ñieän tích ñöôïc taïo bôûi söï ion hoaù doïc theo quaõng ñöôøng cuûa electron. Naêng löôïng caàn ñeå taïo ra moät caëp electron – loã troáng trong germanium coù giaù trò trung bình vaøo khoaûng 3 eV. Ví duï: Moät haït electron 1 MeV khi vaøo trong detector seõ taïo ra khoaûng 38105 caëp electron – loã troáng. Chuùng ta coù theå taäp hôïp gaàn nhö taát caû nhöõng ñieän tích naøy trong detector germanium neáu nhö caùc taïp chaát trong germanium ñöôïc loaïi boû ñeán moät möùc ñoä naøo ñoù. Tuy nhieân phöông sai thoáng keâ cuûa 38105 caëp laø quaù nhoû cho neân noù coù theå bò nhieãu loaïn töø caùc caëp electron – loã troáng kích thích nhieät ngaãu nhieân. Ñeå khaéc phuïc vaø giaûm thieåu ñöôïc ñieàu naøy ngöôøi ta phaûi laøm laïnh tinh theå germanium vaø chaát laøm laïnh ñöôïc söû duïng chuû yeáu laø nitô loûng vôùi nhieät ñoä laøm laïnh laø 770K. Tuy tín hieäu ñöôïc taïo ra laø do söï ion hoaù cuûa caùc electron coù ñoäng naêng, naêng löôïng cuûa tia gamma coù theå ñöôïc ño baèng detector germanium bôûi vì naêng löôïng cuûa moät photon coù theå ñöôïc chuyeån sang cho caùc electron. Caùc
17 tia gamma naêng löôïng thaáp coù theå bò haáp thuï hoaøn toaøn bôûi hieäu öùng quang ñieän taïo ra moät electron ñôn vôùi haàu heát naêng löôïng cuûa photon tôùi. Ñoái vôùi caùc photon coù naêng löôïng töø khoaûng 100 keV ñeán döôùi 1 MeV, hieäu öùng Compton chieám vai troø chuû ñaïo, vì vaäy ñeå chuyeån toaøn boä naêng löôïng photon cho caùc electron ñoøi hoûi phaûi coù moät hay nhieàu hôn caùc taùn xaï Compton vaø ñöôïc keát thuùc baèng söï haáp thuï quang ñieän. Söï taïo thaønh caùc caëp electron – positron ñoùng moät vai troø quan troïng ôû caùc möùc naêng löôïng treân 2mec 2 (hay 1,022 MeV). 2.2. Nhöõng ñaëc tröng cuûa detector HPGe [1] 2.2.1. Hieäu suaát Hieäu suaát cuûa detector laø xaùc suaát ghi nhaän böùc xaï, laø tæ soá giöõa böùc xaï ghi nhaän ñöôïc treân soá böùc xaï ñi vaøo detector. Chuùng ta coù theå chia hieäu suaát ñeám cuûa detector thaønh hai loaïi: hieäu suaát tuyeät ñoái vaø hieäu suaát thöïc. Hieäu suaát tuyeät ñoái: Laø tæ soá giöõa soá caùc xung ghi nhaän ñöôïc vaø soá caùc löôïng töû böùc xaï phaùt ra bôûi nguoàn. Hieäu suaát thöïc: Laø tæ soá giöõa soá caùc xung ghi nhaän ñöôïc vaø soá caùc löôïng töû böùc xaï ñeán detector. Caùc nhaân toá aûnh höôûng ñeán hieäu suaát ghi cuûa detector  Kích thöôùc vaø daïng ñaàu doø.  Khoaûng caùch töø nguoàn tôùi ñaàu doø.  Naêng löôïng cuûa tia gamma tôùi.  Loaïi ñoàng vò phoùng xaï vaø kieåu böùc xaï ñöôïc ño (anpha, beta, gamma vaø naêng löôïng cuûa chuùng).  Taùn xaï ngöôïc cuûa böùc xaï tôùi ñaàu doø. Söï haáp thuï böùc xaï tröôùc khi noù ñeán ñöôïc ñaàu doø (bôûi khoâng khí vaø lôùp voû boïc ñaàu doø).
18 2.2.2. Ñoä phaân giaûi naêng löôïng Ñoä phaân giaûi naêng löôïng FWHM (Full Width at Haft Maximum) laø beà roäng taïi ñoä cao phaân nöûa cuûa ñænh phoå ñôn naêng. Ngöôøi ta xeùt ñoä phaân giaûi naêng löôïng khoâng phaûi chæ xeùt ôû giaù trò cuûa noù maø phaûi xem detector ñang ghi böùc xaï gì, naêng löôïng bao nhieâu vaø möùc ñoä ñôn naêng cuûa nguoàn ñoù. Detector coù ñoä phaân giaûi toát giuùp nhaän bieát caùc ñænh keà nhau, ghi nhaän ñöôïc caùc nguoàn yeáu coù naêng löôïng rieâng bieät khi noù naèm choàng leân mieàn lieân tuïc. Khaû naêng phaân giaûi naêng löôïng khoâng chæ phuï thuoäc vaøo baûn thaân detector maø coøn phuï thuoäc vaøo caùc thieát bò ñieän töû ñi keøm, chuû yeáu laø boä tieàn khueách ñaïi. Neáu taïp aâm lôùn, ñieän dung loái vaøo tieàn khueách ñaïi lôùn seõ daãn ñeán ñoä phaân giaûi cuûa heä thoáng keùm. Ñoái vôùi vieäc ño phoå gamma phoâng thaáp thì söï choïn löïa detector coù ñoä phaân giaûi cao laø caàn thieát. Caùc ñaàu doø germanium coù öu ñieåm roõ nhaát trong phaân tích caùc phoå gamma coù nhieàu ñænh. Ñaëc tröng quan troïng nhaát cuûa detector germanium chính laø ñoä phaân giaûi cuûa noù. Coù theå noùi ñoù laø loaïi detector ño tia gamma coù ñoä phaân giaûi naêng löôïng cao nhaát hieän nay. Hình 2.1 seõ cho chuùng ta thaáy roõ raøng hôn tính öu vieät naøy cuûa detector germanium.