intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nâng cao độ chính xác, ổn định cho thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

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

Thêm vào BST
Báo xấu
77
lượt xem 9
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này được thực hiện với mục tiêu nâng cao độ chính xác, tính ổn định của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Trong đó sử dụng phương pháp JAERI, phương pháp chuyển phổ thành liều dùng hàm G(E), và ổn định phổ bằng phương pháp bù nhiệt độ và ghim đỉnh K-40.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nâng cao độ chính xác, ổn định cho thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Minh NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014
  2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Minh NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đặng Quang Thiệu Hà Nội - 2014
  3. Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Luận văn này là kết quả của quá trình học tập trong suốt hai năm tại trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội và quá trình làm luận văn của bản thân tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân – Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam. Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Đặng Quang Thiệu - Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức chuyên ngành và hướng dẫn em hoàn thành bản luận văn này. Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Th.S Nguyễn Thị Bảo Mỹ - Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, đã nhiệt tình giúp đỡ và chỉ bảo thêm về kiến thức chuyên ngành trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài này. Em cũng xin cảm ơn các thầy cô đã giảng dạy lớp cao học khóa 2011 - 2013, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Vật lý hạt nhân - Trường Đại học Khoa học tự nhiên đã tận tình dạy dỗ, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Em cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã bên cạnh em, động viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề tài này. Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của thầy cô và bạn bè. Hà Nội, tháng 03 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Minh i Nguyễn Thị Minh
  4. Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC..................................................................................................................1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................4 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG ...................................................................................8 1.1. Nhu cầu thực tiễn............................................................................................8 1.2. Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................10 1.2.1. Hiệu ứng quang điện ...............................................................................10 1.2.2. Hiệu ứng Compton...................................................................................12 1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron.......................................................13 1.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất .....................14 1.2.5. Cấu trúc phổ gamma ...............................................................................15 1.3. Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường ..............................17 1.3.1. Đầu dò chứa khí.......................................................................................19 a) Buồng ion hóa ............................................................................................22 b) Ống đếm tỉ lệ .............................................................................................22 c) Ống đếm Geiger-Muller (G-M) .................................................................22 1.3.2. Đầu dò bán dẫn .......................................................................................23 1.3.3. Đầu dò nhấp nháy....................................................................................25 CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) ....................................................26 2.1. Đầu dò nhấp nháy.........................................................................................26 2.1.1. Chất nhấp nháy vô cơ ..............................................................................26 2.1.2. Chất nhấp nháy hữu cơ............................................................................27 2.2. Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)...........................................................................29 2.2.1. Đặc điểm cấu tạo .....................................................................................29 2.2.2. Sự hình thành xung lối ra ........................................................................33 2.3. Sử dụng phương pháp chuyển phổ thành liều với đầu dò NaI(Tl)..........36 CHƯƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ40 1 Nguyễn Thị Minh
  5. Luận văn tốt nghiệp 3.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu dò NaI(Tl) ..................................................40 3.1.1. Ảnh hưởng của việc xác định đỉnh ..........................................................40 3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ...........................................................................40 3.2. Nâng cao độ chính xác..................................................................................41 3.2.1. Làm trơn phổ ...........................................................................................42 3.2.2. Xác định đỉnh ...........................................................................................44 3.2.3. Chuyển phổ thành liều .............................................................................49 3.3. Nâng cao độ ổn định .....................................................................................51 3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đỉnh phổ K-40 ......................................51 3.3.2. Bù nhiệt độ cho thiết bị............................................................................53 KẾT LUẬN ..............................................................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................56 PHỤ LỤC .................................................................................................................57 2 Nguyễn Thị Minh
  6. Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các hệ số A(K) cho tinh thể NaI(Tl) hình trụ 2.5 cm x 2.5 cm 39 Bảng 3.1: Kết quả đo suất liều của thiết bị tại các vị trí có suất liều chuẩn khác nhau 50 Bảng 3.2: Kết quả đo đỉnh K-40 tại các nhiệt độ khác nhau 52 3 Nguyễn Thị Minh
  7. Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình tán xạ Compton 12 Hình 1.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron 13 Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng [1] 14 Hình 1.4: Cấu trúc phổ lý tưởng của tia gamma theo các hiệu ứng: a) quang điện; b) tạo cặp; c) Compton, d) phổ thực [1] 15 Hình 1.5: Sơ đồ khối của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường 17 Hình 1.6: Một số thiết bị đo bức xạ cầm tay 18 Hình 1.7: Hình một thiết bị đo bức xạ đặt tại một trạm quan trắc của Nhật Bản 19 Hình 1.8: Các hiện tượng xảy ra với cặp ion dương và điện tử trong một điện cực hình trụ với cùng một cường độ bức xạ khi hiệu điện thế thay đổi [9] 20 Hình 1.9: Mô hình buồng ion hóa 22 Hình 1.10: Đầu dò bề mặt 24 Hình 1.11: Đầu dò Si và Ge-photon 24 Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hệ số suy giảm của tinh thể NaI(Tl) vào năng lượng của tia gamma [4] 30 Hình 2.2: Lý thuyết và thực nghiệm phổ tia gamma gây ra bởi sự tương tác Comton và quang điện trong đầu dò NaI(Tl) [5] 31 Hình 2.3: Biên độ xung ra theo hằng số tích phân [3, 6] 36 Hình 3.1: Sơ đồ quá trình nâng cao độ chính xác cho thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường 41 Hình 3.2: Sơ đồ quá trình xác định đỉnh bằng phương pháp fit Gauss 46 Hình 3.3: Số liệu thu được 47 4 Nguyễn Thị Minh
  8. Luận văn tốt nghiệp Hình 3.4: Số liệu thu được biểu diễn theo thang log 47 Hình 3.5: Phổ đo được sau khi làm trơn 48 Hình 3.6: Phổ đo được sau khi fit Gauss 49 Hình 3.7: Phổ K-40 tại nhiệt độ T = 20oC và T = 26oC 52 Hình 3.8: Sự phụ thuộc của đỉnh K-40 vào nhiệt độ 53 5 Nguyễn Thị Minh
  9. Luận văn tốt nghiệp MỞ ĐẦU Ngày nay, năng lượng nguyên tử đang dần trở thành nguồn năng lượng chính thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Không chỉ vậy, việc sử dụng nguồn năng lượng hạt nhân còn là cách để giảm thiểu lượng khí thải CO2, một trong những nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính và sự nóng lên của trái đất. Không những vậy, các bức xạ hạt nhân còn được sử dụng rộng dãi trong nhiều lĩnh vực khác như y tế, khoa học, quân sự… đem lại lợi ích to lớn đối với đời sống của chúng ta. Tuy nhiên, năng lượng nguyên tử cũng tiềm ẩn những nguy hiểm đối với con người. Thực tế, chúng ta cũng đã từng chứng kiến ảnh hưởng nghiêm trọng của chúng trong vụ nổ bom nguyên tử ở Tokyo và Hirosima, vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Chernobyl và gần đây là nhà máy điện hạt nhân Fukushima. Chính vì vậy, yêu cầu đặt ra đối với các nhà môi trường và các nhà quản lý là phải kiểm soát được liều lượng phóng xạ trong môi trường để có những biện pháp ứng phó kịp thời với các sự cố liên quan tới phóng xạ hạt nhân. Các thiết bị quan trắc môi trường và cảnh báo phóng xạ là công cụ chính để các nhà quản lý và các nhà môi trường theo dõi và kiểm soát ô nhiễm phóng xạ. Vì thế hầu hết các nước đều quan tâm tới việc xây dựng các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Hiện nay, Nhật Bản đã có 37 trạm quan trắc, Hàn Quốc có 13 trạm, Ấn Độ có 16 trạm,… Tại Việt Nam, chúng ta cũng đã có 3 trạm quan trắc phóng xạ môi trường tại Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân, Viện Nghiên cứu hạt nhân thuộc Viện Năng lượng nguyên tử, Trung tâm Công nghệ xử lý môi trường (Bộ Quốc phòng). 6 Nguyễn Thị Minh
  10. Luận văn tốt nghiệp Qua thực tế hoạt động, các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường của nước ta đã bộc lộ nhiều hạn chế như: chưa đồng bộ, khả năng thu thập và phân tích chưa đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu về tính liên tục, độ nhạy theo tiêu chuẩn quốc tế. Ngoài ra các trạm này chưa có chức năng cảnh báo trực tuyến về các sự cố rò rỉ để phục vụ cho việc ứng phó với các trường hợp khẩn cấp. Nắm được vai trò quan trọng của các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường, Viện Năng lượng nguyên tử đã giao cho Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân nghiên cứu và xây dựng thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Qua quá trình nghiên cứu và triển khai đo đạc thực nghiệm, thì bài toán được đặt ra cho các nhà nghiên cứu là làm thế nào để có thể nâng cao được độ chính xác và ổn định cho thiết bị hơn nữa khi đo đạc trong các điều kiện môi trường khác nhau. Luận văn này được thực hiện với mục tiêu nâng cao độ chính xác, tính ổn định của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Trong đó sử dụng phương pháp JAERI, phương pháp chuyển phổ thành liều dùng hàm G(E), và ổn định phổ bằng phương pháp bù nhiệt độ và ghim đỉnh K-40. Luận văn gồm 3 chương với nội dung chính như sau: Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò, nguyên lý và cấu tạo của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Chương 2 nghiên cứu về đầu dò nhấp nháy và các phương pháp đo số liệu sử dụng loại đầu dò này. Chương 3 đề xuất phương pháp nâng cao độ chính xác và tính ổn định cho thiết bị. 7 Nguyễn Thị Minh
  11. Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG 1.1. Nhu cầu thực tiễn Trong môi trường sống của chúng ta tồn tại rất nhiều các tác nhân phóng xạ. Các chất này có thể được hình thành từ nguồn gốc tự nhiên trong quá trình hình thành trái đất hoặc do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất trên trái đất. Ngoài ra còn có những tác nhân có nguồn gốc nhân tạo được sinh ra khi con người bắt đầu sử dụng các phản ứng hạt nhân, tia phóng xạ để phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như y tế, nghiên cứu, năng lượng,… Theo thống kê, có khoảng hơn 60 các nhân phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên. Các hạt nhân phóng xạ này chủ yếu nằm trong chuỗi phản ứng hạt nhân của các nhân tố chính như: Urani, Thori, Radi, Kali-40… Trong đó, các hạt nhân phóng xạ phổ biến là: Radi-226, Thori-232, Kali-40… Các hạt nhân phóng xạ này thường tồn tại trong môi trường và tạo ra các tia phóng xạ tác động lên các sinh vật sống cũng như cơ thể con người gây ra những ảnh hưởng từ bên ngoài với cơ thể con người. Ngoài ra, một số hạt nhân có thể đi vào cơ thể sinh vật sống thông qua đường thức ăn, nước uống, không khí và do đó tạo ra các tia phóng xạ từ bên trong, ảnh hưởng trực tiếp đến các bộ phận bên trong của cơ thể sinh vật cũng như con người [8]. Các tia phóng xạ này với liều lượng khác nhau có ảnh hưởng với mức độ khác nhau. Ngoài ra, các loại bức xạ khác nhau (α, β, γ) do có độ xuyên sâu khác nhau nên cũng có mức độ ảnh hưởng khác nhau. Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các tia phóng xạ lên cơ thể con người, người ta đưa ra khái niệm suất liều phóng xạ (đơn vị là Sv/h) là liều bức xạ ion hóa (Sv) trên một đơn vị thời gian. 8 Nguyễn Thị Minh
  12. Luận văn tốt nghiệp Xét trong một khoảng thời gian ngắn, khi ta bỏ qua yếu tố thời gian, thì cơ thể con người sẽ có những biểu hiện khác nhau với các mức độ nhiễm xạ khác nhau như sau: -Khoảng 0.2 Sv: Không có biểu hiện bệnh lý gì -Khoảng 0.5 Sv: Giảm cầu lympho trong máu -Khoảng 3 Sv: Rụng tóc -Khoảng 10 Sv: Gần như 100% tử vong Mặc dù, với các mức độ nhiễm xạ nhỏ không gây ra những biểu hiện bệnh lý ngay, nhưng do các tia phóng xạ có thể gây ra những biến đổi trong tế bào, dẫn đến đột biến gen là nguyên nhân gây ra ung thư ở tất cả các bộ phận trong cơ thể. Vì thế, các tia phóng xạ có ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe và tính mạng của con người. Điều này càng trở nên nghiêm trọng hơn khi các tế bào sinh sản bị tác động vào. Vì vậy, người ta đặt ra tiêu chuẩn an toàn bức xạ suất liều giới hạn cho phép để đảm bảo an toàn cho sức khỏe của người dân. Theo tiêu chuẩn này thì mỗi suất liều cho phép với dân chúng là 1mSv/năm; suất liều cho phép đối với nhân viên làm việc với bức xạ là 20mSv/năm (lấy trung bình trong 5 năm). Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới, các bức xạ hạt nhân được sử dụng khá phổ biến trong y tế (chủ yếu là dưới dạng X quang) và trong các ứng dụng kỹ thuật hạt nhân khác. Ngoài ra, chúng ta còn sử dụng năng lượng hạt nhân như là một nguồn năng lượng chính để thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Do đó, nhu cầu đặt ra là phải có các thiết bị đo suất liều phóng xạ để theo dõi, kiểm soát mức độ phóng xạ trong môi trường và đưa ra những cảnh báo để chúng ta có thể kịp thời xử lý các sự cố 9 Nguyễn Thị Minh
  13. Luận văn tốt nghiệp liên quan tới rò rỉ bức xạ hạt nhân. Thiết bị này còn được gọi là thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Các thiết bị này đã được các nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, … nghiên cứu, chế tạo và sử dụng trong các cơ sở sử dụng bức xạ hạt nhân của họ từ lâu. Tuy nhiên, bài toán nâng cao độ chính xác và ổn định cho thiết bị vẫn là một vấn đề được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm. 1.2. Cơ sở lý thuyết Để hiểu rõ về nguyên tắc hoạt động của các thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường, ta cần phải hiểu về tương tác của các tia phóng xạ với vật chất. Từ đó ta có thể đưa ra các phương pháp khác nhau để xác định được suất liều phóng xạ trong môi trường. Nếu bỏ qua các tương tác hạt nhân thì tia gamma tương tác với vật chất qua các hiệu ứng chính sau: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp electron - positron. 1.2.1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và điện tử liên kết với hạt nhân, trong quá trình này toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma được truyền cho điện tử. Te = Eγ – Ii (1.1) Trong đó: Te là động năng của electron phát ra photo electron. Eγ là năng lượng của lượng tử gamma. Ii là năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i trong hạt nhân. 10 Nguyễn Thị Minh
  14. Luận văn tốt nghiệp Khi Eγ< IK thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, M... và không thể xảy ra trên lớp vỏ K, khi Eγ< IL hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp vỏ M, N... và không thể xảy ra trên lớp K, L, … Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các điện tử tự do - các điện tử không liên kết với hạt nhân. Năng lượng liên kết của điện tử với nguyên tử càng nhỏ so với năng lượng của lượng tử gamma thì xác suất hiệu ứng quang điện càng nhỏ. Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt quá năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp vỏ trong cùng. Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm E-3. Xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo khi E ≥ EK với EK là năng lượng liên kết của electron trên lớp K, tuân theo quy luật E-7/2. Nhưng khi E >> EK thì xác suất tổng cộng lại tuân theo quy luật E-1 [2] Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện phụ thuộc vào Z theo qui luật Z5. Như vậy tiết diện quang điện: Z5 σ photon = 7/2 (Khi ≥ EK) E (1.2) Z5 σ photon = (Khi E >> EK) E Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay cả ở vùng năng lượng cao còn đối với các nguyên tử nhẹ hiệu ứng quang điện chủ yếu chỉ xảy ra ở vùng năng lượng thấp. Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, một electron bị bứt ra khỏi một lớp nào đó của nguyên tử sẽ để lại một lỗ trống. Lỗ trống này sẽ được một electron từ các lớp ngoài của nguyên tử chuyển xuống chiếm chỗ. Quá trình này dẫn tới làm phát các tia X đặc trưng hay các electron Auger. 11 Nguyễn Thị Minh
  15. Luận văn tốt nghiệp 1.2.2. Hiệu ứng Compton Hình 1.1: Mô hình tán xạ Compton Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma tán xạ đàn hồi lên một electron quỹ đạo ngoài của nguyên tử. Lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng, còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình tán xạ đàn hồi của gamma lên electron tự do. Công thức tính năng lượng của lượng tử gamma bị tán xạ với góc θ như sau [2]:  hv  2 ( hv, = hv / 1 + 1 − cosθ )  (1.3)  mec  Từ công thức (1.3), góc bay của gamma sau tán xạ càng lớn thì hν’ càng bé, nghĩa là gamma càng mất nhiều năng lượng. Gamma chuyển năng lượng lớn nhất cho electron khi bay ra ở góc 1800, tương ứng với tán xạ ngược. Góc bay ra của gamma tán xạ có thể thay đổi từ 00 đến 1800, trong lúc electron chủ yếu bay về phía trước, nghĩa là góc bay của nó thay đổi từ 00 đến 900. Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử và tỷ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy: Z σ compton = (1.4) E 12 Nguyễn Thị Minh
  16. Luận văn tốt nghiệp Trong tán xạ thì electron sau tán xạ tiêu tán động năng của nó theo cơ chế kích thích, ion hoá môi trường một cách trực tiếp như hạt beta. 1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron Khi tia gamma có năng lượng rất cao (Eγ> E0) cùng với hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton, trong quá trình tương tác của gamma với vật chất còn xảy ra hiện tượng tạo cặp electron-positron [2]. Quá trình tạo cặp không thể xảy ra trong chân không, mà đòi hỏi phải ở lân cận hạt nhân hoặc điện tử, khi không có mặt của hạt nhân hoặc electron, quá trình tạo cặp của lượng tử gamma không thể xảy ra. Hình 1.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ. Như vậy, năng lượng ngưỡng E0 để xảy ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối lượng nghỉ của electron: E0 ≥ 2me c 2 (1.5) Khi đó: hv = Te+ + Te− + 2mec 2 (1.6) Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng lượng ngưỡng của lượng tử gamma là: E0 ≈ 4me.c2= 2.04MeV. 13 Nguyễn Thị Minh
  17. Luận văn tốt nghiệp Tiết diện tạo cặp electron - positron trong trường Coulomb của điện tử bé hơn tiết diện hình thành cặp trong trường của hạt nhân cỡ 103 lần. Biểu thức cho tiết diện tạo cặp trong trường hạt nhân khá phức tạp. Trong miền năng lượng 5mec2< E
  18. Luận văn tốt nghiệp Từ sự phụ thuộc các tiết diện vào năng lượng E của tia gamma và điện tích Z của vật chất như trên, suy ra rằng ta có thể chia thành 3 miền năng lượng đặc trưng bởi các cơ chế tương tác khác nhau. Trong miền năng lượng E < E1, cơ chế cơ bản trong tương tác gamma với vật chất là quá trình quang điện, trong miền năng lượng trung gian E1< E < E2 cơ chế chính là quá trình tán xạ Compton chiếm ưu thế, còn trong miền năng lượng cao E > E2 là quá trình tạo cặp electron - positron. Các giá trị năng lượng phân giới E1 , E2 phụ thuộc vào từng môi trường vật chất. 1.2.5. Cấu trúc phổ gamma Hình 1.4: Cấu trúc phổ lý tưởng của tia gamma theo các hiệu ứng: a) quang điện; b) tạo cặp; c) Compton, d) phổ thực [1] 15 Nguyễn Thị Minh
  19. Luận văn tốt nghiệp Để đơn giản, ta xét trường hợp tia gamma đi đến đầu dò có giá trị năng lượng E0. Theo hiệu ứng quang điện, năng lượng này biến thành động năng của photo electron hoặc các electron Auger và bị hấp thụ ngay trong đầu dò. Kết quả là tất cả năng lượng E0 của photon bị hấp thụ trong đầu dò tạo nên xung điện, mà xung này có biên độ tỉ lệ với năng lượng E0 và tạo nên một đỉnh trong phổ gamma. Đỉnh này được gọi là đỉnh quang điện hay đỉnh hấp thụ toàn phần. Với phổ kế lí tưởng, phổ năng lượng tương ứng với đỉnh quang điện được biểu diễn bằng một vạch thẳng đứng như hình vẽ. Khi các tia gamma đơn năng E0 gây nên tán xạ Compton với vật chất, thì các electron tán xạ có động năng Ec phân bố liên tục từ giá trị 0 đến giá trị cực đại: Emax = 2α E0 E0 trong đó α = . Trên Hình 1.4.c biểu diễn phổ lí tưởng liên tục 1 + 2α me− c 2 của hiệu ứng Compton. Giới hạn cực đại của phổ năng lượng liên tục gọi là mép Compton. Phần năng lượng E0 - Ec của các electron tán xạ có thể bị hấp thụ do các quá trình khác nhau và đóng góp vào sự hình thành xung điện. Ngoài ra trên hình còn có thể xuất hiện một đỉnh rất nhỏ nằm ở vùng năng lượng thấp, do tán xạ ngược của các lượng tử gamma với lớp bảo vệ hay môi trường xung quanh đầu dò. Năng lượng Eng của tán xạ ngược liên quan với năng lượng E0 của photon tới và góc tán xạ θ theo công thức: E0 Khi θ = π thì Eng = (1.8) 1 + 2α Nếu năng lượng gamma lớn hơn năng lượng E0 = 2mec2= 1.022 MeV, thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron - positron (positron có khối lượng bằng khối lượng electron nhưng mang điện tích dương +1e). Positron khi dừng lại có thể kết hợp với 1 electron nào đó để tự huỷ và sinh ra hai photon với năng lượng 0.511 MeV. Các photon này có thể 16 Nguyễn Thị Minh
  20. Luận văn tốt nghiệp bị hấp thụ trong đầu dò bởi các quá trình đã biết. Do đó, trên phổ ứng với quá trình tạo cặp cũng xuất hiện một đỉnh hấp thụ toàn phần. Ngoài ra có khả năng một hoặc hai photon thứ cấp bay khỏi đầu dò. Vì thế trên phổ hình thành thêm hai đỉnh tương ứng với thoát đơn và thoát đôi ứng với năng lượng E0 - 0.511MeV và E0 - 1.022MeV. Ở trên ta đã xét riêng lẻ từng hiệu ứng của tia gamma khi đi vào đầu dò tương ứng với các đường phổ hình thành, nhưng trong thực tế cả ba hiệu ứng nêu trên xảy ra một cách đồng thời, vì thế phổ năng lượng của gamma thu được có dạng phức tạp hơn, là sự chồng chất của cả ba hiệu ứng. Ngoài ra trong thực tế chùm gamma là không đơn năng và hệ thống không phải là lí tưởng, do đó phổ năng lượng gamma thực tế có phân bố như hình d. Độ rộng của đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với độ rộng nửa chiều cao của đỉnh (FWHM) gọi là độ phân giải của đầu dò. 1.3. Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường được sử dụng với mục đích đo đạc, theo dõi, kiểm soát và cảnh báo về các sự cố liên quan tới rò rỉ phóng xạ. Qua đó đưa ra những biện pháp xử lý kịp thời nhằm hạn chế ảnh hưởng xấu đối với sức khỏe của người dân cũng như của các nhân viên làm việc trong các cơ quan nghiên cứu, ứng dụng liên quan tới kỹ thuật hạt nhân. Một thiết bị như vậy có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính: đầu dò, khối xử lý trung tâm và khối hiển thị (Hình 1.5). Trong đó, đầu dò biến đổi các tín hiệu phóng xạ thành tín hiệu điện để đưa vào xử lý ở khối xử lý trung tâm rồi đưa ra hiển thị để cho người sử dụng đọc số liệu. Hình 1.5: Sơ đồ khối của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường 17 Nguyễn Thị Minh
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.01: Bộ Luận Văn Thạc Sĩ Quản Trị Kinh Doanh MBA
165 tài liệu
2070 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
9=>0