Luận văn tốt nghiệp đại học: Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss – Soil bằng hệ phổ kế Gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của Iaea

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

-------------------------

NGUYỄN THUỲ DUNG

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MẪU MOSS – SOIL BẰNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP CHO BÀI TOÁN SO SÁNH QUỐC TẾ CỦA IAEA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

----------------------------------------

TP.HỒ CHÍ MINH – 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

-------------------------

NGUYỄN THUỲ DUNG

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MẪU MOSS – SOIL

BẰNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP CHO BÀI TOÁN SO SÁNH QUỐC TẾ CỦA IAEA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ

Giảng viên hướng dẫn: ThS. HOÀNG ĐỨC TÂM

----------------------------------------

TP.HỒ CHÍ MINH – 2011

0BLỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh em

đã được sự hướng dẫn, giảng dạy, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, đặc biệt là trong thời

gian em thực hiện khoá luận tốt nghiệp đại học.

Để hoàn thành được luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy

Hoàng Đức Tâm – người đã theo dõi trong suốt quá trình làm luận văn của em. Thầy là

người đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn em nhữngkiến thức bổ ích và rất quí báu để giúp em

hoàn thành khóa luận này.

Thầy luôn giúp đỡ và động viên em rất nhiều trong thời gian qua. Thầy đã chỉ dẫn em

nhiệt tình những phần mềm, những chương trình mới, bên cạnh đó Thầy còn hướng dẫn rất

chi tiết về luận văn, luôn hỗ trợ và giúp em giải quyết những khó khăn gặp phải trong thực

nghiệm và quá trình hoàn thiện luận văn này. Qua quá trình được làm việc với Thầy em đã

học hỏi được rất nhiều điều mới mẻ, rất nhiều kinh nghiệm quí giá trong quá trình nghiên

cứu, giảng dạy và trong cuộc sống. Em xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến Thầy.

Em xin gửi lời biết ơn đến gia đình đã ủng hộ, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em có

thể thực hiện được khoá luận tốt nghiệp.

Em xin gửi lời cảm ơn đến các bạn ở tập thể Lớp Lý 5 Ninh Thuận - Đồng Nai đã

quan tâm, chia sẻ, giúp đỡ em trong suốt thời gian học đại học cũng như quá trình thực hiện

luận văn này.

Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn đến quí Thầy cô trong hội đồng đọc, nhận xét, đánh

giá và đóng góp những ý kiến rất quí báu cho khoá luận của em.

Nguyễn Thuỳ Dung

1BMỤC LỤC

3TLỜI CẢM ƠN3T ............................................................................................................ 3

3TMỤC LỤC3T ................................................................................................................. 4

3TMỞ ĐẦU3T .................................................................................................................... 6

3TCHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN3T .............................. 8

3T1.1 Vài nét về hiện tượng phóng xạ3T .................................................................................8

3T1.1.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên3T ...............................................................................9

3T1.1.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo3T ............................................................................ 15

3T1.2 Tình hình nghiên cứu phông phóng xạ tự nhiên3T .................................................... 17

3T1.2.1 Thế giới3T ............................................................................................................. 18

3T1.2.2 Việt Nam3T ........................................................................................................... 19

3T1.2.3. Những ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên đối với con người và môi trường3T ......................................................................................................................... 20

3T1.2.4 Độ trung bình phóng xạ có trong người3T .............................................................. 22

3T1.3 Tương tác của tia gamma với vật chất. Hệ phổ kế gamma phông thấp3T ................ 23

3T1.3.1 Các tương tác của bức xạ gamma với vật chất3T .................................................... 23

3T1.3.2 Detector bán dẫn Germanium3T ............................................................................. 31

3T1.4 Nhận xét3T ................................................................................................................... 49

3TCHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM 3T ................................................................. 50

3T2.1 Các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường3T ............................ 50

3T2.1.1 Phương pháp tương đối3T ...................................................................................... 52

3T2.1.2 Phương pháp tuyệt đối3T ....................................................................................... 53

3T2.2 Phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất ghi của detector đối với mẫu dạng hình trụ3T .......................................................................................................................... 54

3T2.3 Thực nghiệm3T ............................................................................................................ 55

3T2.3.1 Chuẩn bị mẫu chuẩn3T ........................................................................................... 55

3T2.3.2 Chuẩn bị mẫu đo3T ................................................................................................ 56

3T2.4 Phương pháp đo3T ....................................................................................................... 57

3T2.4.1 Cách đo3T .............................................................................................................. 57

3T2.4.2 Hệ phổ kế gamma3T .............................................................................................. 57

3T2.5 Xử lí phổ3T ................................................................................................................... 58

3T2.6 Nhận xét3T ................................................................................................................... 62

3TCHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN3T .......................................................... 63

3T3.1 Hiệu suất ghi nhận của detector đối với mẫu khối dạng hình trụ3T ......................... 63

3T3.2 Hoạt độ và hoạt độ riêng của mẫu Moss-soil3T .......................................................... 66

3T3.3 Nhận xét3T ................................................................................................................... 68

3TKẾT LUẬN3T .............................................................................................................. 70

3TTÀI LIỆU THAM KHẢO3T ...................................................................................... 72

2BMỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành

vật lí hạt nhân nói riêng đã thải vào môi trường sống của chúng ta một lượng chất phóng xạ

đáng kể. Các nhân phóng xạ phân bố không đều giữa nơi này và nơi khác vì hàm lượng

phóng xạ trong môi trường phụ thuộc vào vị trí địa lí, kiến tạo địa chất, nơi con người sống

và làm việc,…[1]. Môi trường đang chịu tác động ngày càng lớn từ những hoạt động của

con người như: quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, thăm dò, khai thác tài

nguyên…Song song đó khoa học công nghệ đặc biệt là kỹ thuật hạt nhân ngày càng phát

triển và hiện đại. Và vấn đề về phóng xạ môi trường cũng là mối quan tâm hàng đầu.

Nghiên cứu phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc đo hoạt độ của các mẫu môi trường: đất,

nước, bụi khí, … Ngày nay, hệ phổ kế gamma phông thấp được sử dụng rộng rãi và phổ

biến trong việc xác định hoạt độ của các nguyên tố quan tâm trong các mẫu môi trường [1].

Luận văn được hình thành trên cơ sở: tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ

phổ kế gamma phông thấp tại phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân trường Đại học Sư phạm

TpHCM [1]. Hệ phổ kế gamma phông thấp có khả năng ghi nhận trực tiếp các tia gamma do

các đồng vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách chiết các nhân phóng xạ khỏi

chất nền của mẫu, giúp chúng ta thu được một cách định tính và định lượng các nhân phóng

xạ trong mẫu [9]. Nhờ những kết quả phân tích trong nghiên cứu môi trường này, chúng ta

có thể đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các chất phóng xạ có trong môi trường đối với

cuộc sống con người.

Xuất phát từ ý tưởng tìm hiểu cách vận hành hệ đo gamma phông thấp và xác định

hoạt độ của các mẫu môi trường có hoạt độ thấp dựa trên việc sử dụng hệ phổ kế, tác giả

của luận văn đã lựa chọn đề tài :“Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss – soil

bằng hệ phổ kế gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của IAEA”. Đối tượng của luận văn

là mẫu Moss-soil (mẫu rong rêu) do cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) cung

cấp nằm trong chương trình so sánh chéo giữa các phòng thí nghiệm trên thế giới (300

phòng thí nghiệm) để xác định hoạt độ của các đồng vị có trong mẫu Moss-soil và so sánh

với kết quả của IAEA.

Nội dung được trình bày trong luận văn gồm 3 chương:

 Chương 1: Trình bày cơ sở lí thuyết về bức xạ hạt nhân và tìm hiểu về hệ phổ kế

gamma phông thấp.

 Chương 2: Trình bày phương pháp thực nghiệm trên hệ phổ kế gamma phông thấp

và phương pháp xác định hoạt độ của mẫu Moss-soil.

 Chương 3:Kết quả và thảo luận.

3BCHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN

Môi trường xung quanh chúng ta luôn tồn tại các hạt nhân phóng xạ. Các hạt nhân này

có thể được tạo ra do tia vũ trụ tương tác với các hạt nhân khác trong bầu khí quyển xung

quanh Trái Đất, do sự tiến bộ của khoa học trong lĩnh vực hạt nhân, hay có nguồn gốc từ

thời kì ban đầu hình thành nên vũ trụ. Thông thường, các chất phóng xạ này thường có hoạt

độ thấp. Tuy nhiên, do sự tồn tại khắp mọi nơi của chúng trong cả mẫu đo, ngay bên trong

và xung quanh detector nên cũng ảnh hưởng đáng kể đến các phép đo mẫu môi trường có

hoạt độ thấp. Việc hiểu rõ đặc điểm của một số hạt nhân và các chuỗi phóng xạ tự nhiên phổ

biến đặc biệt là các chuỗi Thorium, Uranium, và Actinium sẽ giúp ích rất nhiều trong việc

đo đạc mẫu môi trường. Bên cạnh đó, việc nắm vững về lý thuyết tương tác của tia gamma

do các hạt nhân phóng xạ phát ra với vật chất sẽ giúp chúng ta có những hiệu chỉnh cần thiết

khi xác định diện tích của những đỉnh gamma mà chúng ta quan tâm. Chương này trình bày

sơ lược một số hạt nhân phóng xạ phổ biến trong tự nhiên và sự tương tác gamma với vật

8B1.1 Vài nét về hiện tượng phóng xạ

chất.

Phóng xạ là một hiện tượng tự nhiên xuất hiện từ thuở khai thiên lập địa, nhưng chưa

được biết đến cho đến năm 1896, khi Henri Becquerel tình cờ phát hiện các bức xạ từ muối

của Uranium. Sau đó, năm 1889 Pierre và Marie Curie tìm ra hai chất phóng xạ mới là

Polonium và Radium. Năm 1934, Frederic Jiolot và Iren Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ

nhân tạo của phospho và nitrogen. Phát minh này đã mở ra kỉ nguyên của phóng xạ nhân

tạo. Theo định nghĩa, phóng xạ là biến đổi tự xảy ra của hạt nhân nguyên tử đưa đến sự thay

đổi trạng thái hoặc bậc số nguyên tử hoặc số khối của hạt nhân. Khi chỉ có sự thay đổi trạng

thái xảy ra hạt nhân sẽ phát ra tia gamma mà không biến đổi thành hạt nhân khác, khi bậc số

nguyên tử thay đổi sẽ biến hạt nhân này thành hạt nhân của nguyên tử khác, khi chỉ có số

khối thay đổi hạt nhân sẽ biến thành đồng vị khác của nó .[7]

Các công trình nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng phóng xạ đã xác nhận sản phẩm

phân rã của hạt nhân gồm:

+ Tia alpha: là chùm các hạt tích điện dương, bị lệch trong điện trường và từ trường, dễ bị

các lớp vật chất mỏng hấp thụ. Về bản chất, tia alpha là chùm các hạt nhân của nguyên tử

Helium.

P).

+ - P) và các positron(βP alpha. Về bản chất, tia beta là các electron (βP

+ Tia beta: cũng bị lệch trong điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu hơn tia

+ Tia gamma: không chịu tác dụng của điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu

vật chất. Về bản chất, tia gamma là các photon có năng lượng cao [7].

 Nguồn gốc phóng xạ

Từ các tro bụi của vụ nổ các ngôi sao, khoảng 4,5 tỉ năm trước đây đã hình thành hệ

Mặt trời. Trong các đám tro bụi đó có một lượng lớn các nguyên tố phóng xạ. Theo thời

gian đa số các nguyên tố phóng xạ này phân rã và trở thành các đồng vị bền, chúng là thành

phần chính của hệ thống hành tinh chúng ta ngày nay. Tuy nhiên, trong vỏ Trái đất vẫn còn

những nguyên tố phóng xạ, đó là những nguyên tố có thời gian bán rã có tuổi của Trái đất

hoặc lớn hơn. Các đồng vị phóng xạ này cùng một sản phẩm của chúng là nguồn gốc chính

của bức xạ ion hóa tự nhiên tác dụng lên mọi vật trên Trái đất. Phóng xạ có ở khắp mọi nơi:

trong đất, nước, không khí, thực phẩm, vật liệu xây dựng, kể cả con người. Do đó, việc tìm

hiểu áp dụng và phát triển các kĩ thuật đo lường bức xạ ngày càng nhiều với qui mô rộng

lớn trong các lĩnh vực như quân sự, công nghiệp, nông nghiệp, y học, sinh học,... Nguồn

phóng xạ được chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo[2].

Nguồn phóng xạ tự nhiên (thường gọi là phông phóng xạ tự nhiên) là các chất đồng vị

phóng xạ có mặt trên Trái đất, trong nước hay bầu khí quyển. Nguồn phóng xạ nhân tạo là

21B1.1.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên

do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc.

Các nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy

– có từ khi tạo thành Trái đất và vũ trụ và nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ

35B1.1.1.1 Nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy

trụ - được tia vũ trụ tạo ra [7].

Phông phóng xạ trên Trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và sau khi Trái

đất được hình thành. Chúng có chu kỳ bán rã ít nhất khoảng vài triệu năm, gồm có Uranium,

Thorium và con cháu của chúng, cùng với một số nguyên tố phóng xạ khác tạo thành 4 họ

232

238

235

PTh (4n); họ Uranium P

PU (4n+2); Họ Actinium P

241

PPu (4n+1).

phóng xạ cơ bản: Họ Thorium P

(4n+3) và họ phóng xạ nhân tạo Neptunium P

Các đặc điểm của 4 họ phóng xạ tự nhiên:

+ Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu với thời gian bán rã được đo theo các

đơn vị địa chất.

+ Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau

222

PRa(Radon); trong họ Thorium là

của nguyên tố Radon. Ví dụ trong họ Uranium là P

219

220

PRnR86 R(Thoron); trong họ Actinium là P

PRnR86 R(Actinon). Trong họ phóng xạ nhân tạo

206

PPb trong họ Uranium,

Neptunium không có thành viên khí phóng xạ.

208

207

P Pb trong họ Actinium và P

P Pb trong họ Thorium. Trong họ phóng xạ nhân tạo

209

+ Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ tự nhiên đều là chì: P

PBi [7].

Neptunium, thành viên cuối cùng là P

Họ Thorium (4n)

Họ Uranium (4n +2)

Họ Actinium (4n + 3)

Họ Neptunium (4n +1)

Hình 1.1.Các họ phóng xạ [2]

Ngoài các đồng vị phóng xạ trong bốn họ Thorium, Uranium, Neptunium, Actinium,

trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp, một trong số đó là

Kali [2].

PK là có tính phóng

P năm, phát ra tia gamma có

9 xạ với độ phổ cập 0,0117% và thời gian bán rã TR1/2 R = 1,28.10P

Kali là kim loại kiềm có 3 đồng vị ở dạng tự nhiên, nhưng chỉ có P

năng lượng 1,46 MeV. Trong lớp bề mặt của vỏ Trái đất, Kali có hàm lượng cao trong

magma, hàm lượng trong đất sét và đá phiến cỡ 6,5%. Kali có chủ yếu trong sinh vật vì

PK là tất yếu nhưng có sự biến thiên về độ tuổi trong vạch phổ với những

PK trong đá và đất tạo ra nguồn phát

vậyviệc phát xạ P

thay đổi tương ứng trong nồng độ Kali. Sự có mặt của P

PK có hàm lượng trung bình trong đất đá là 27 g/kg và trong đại dương ~ 380

xạ ngoài. P

PK phân rã thành đồng vị ổn định P

PCa (88,8%) bằng bức xạ beta, cũng như phân rã

PAr (11,2%) bằng cách bắt điện tử hoặc bằng bức xạ positron kết hợp với

mg/lít. P

thành đồng vị P

việc phát ra bức xạ gamma 1,461 MeV [2].

+ PK phân rã βP

P và bắt electron tạo P

- P tạo P PAr và phân rã βP

PCa [8]

Hình 1.2. P

PC với chu kỳ bán rã 5600 năm.

PC là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân P

PN. Trước khi xuất

Một đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là P

PC trong khí quyển khoảng 1,5.10P

P MBq

P MBq (13MCi), trong đại dương khoảng 9.10P

P MBq

hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của P

(4MCi), trong thực vật khoảng 4,8.10P

PC. Cho đến năm

P MBq

(240 MCi). Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng P

1960, tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.10P

(3MCi). Cacbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí COR2 R đi vào cơ thể động vật

PC của chúng [7].

qua quá trình hô hấp và vào thực vật qua quá trình quang hợp nên được sử dụng để đánh giá

tuổi các mẫu khảo cổ vật liệu hữu cơ thông qua các số liệu hoạt độ riêng P

Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên quan trọng nhất được dẫn ra trong bảng dưới

đây:

Bảng 1.1. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên phổ biến trong vỏ Trái Đất [2]

235

8 7,04.10P

P năm

Đồng vị Chu kỳ bán rã Hàm lượng / Hoạt độ tự nhiên phóng xạ

0,72% của tổng số Uran tự nhiên

238

9 4,47.10P

Pnăm

99,2745% của tổng số Uran tự

nhiên, 0,5 – 4,7 ppm Uran trong

đất đá. (ppm = g/kg)

232

PTh

P năm

1,6 – 20 ppm trong tất cả các loại 1,41.10P đá

226

PRa

3 1,6.10P

P năm

16 Bq/kg trong các loại đá vôi, 48

Bq/kg trong đá nham thạch.

222

Nồng độ trung bình hàng năm tại

3 Mỹ từ 0,6 – 28 Bq/cmP

P trong

PRn

3,82 ngày

không khí

P năm

-9

P g Kali phóng xạ và 6.10P

P g Radi. Do sự hiện

-3 Trong cơ thể con người có gần 3.10P

1,2504.10P 37 – 1000 Bq/kg trong đất

diện của các đồng vị phóng xạ này, trong cơ thể mỗi giây xảy ra 6000 phân hủy beta và

220000 phân hủy anpha. Ngoài ra, do hậu quả tác dụng của các tia vũ trụ, trong cơ thể con

người xuất hiện các thành phần phóng xạ nhân tạo khác. Nhờ các nguyên tố phóng xạ

PC, mà trong cơ thể con người mỗi giây xảy ra thêm 2500 phân hủy beta/giây. Nhìn

Cacbon P

chung trong cơ thể con người mỗi giây xảy ra 10000 phản ứng phân hủy. Khi mà không khí

xung quanh ta, nước, đất đá đều là những chất phóng xạ, cơ thể con người – một bộ máy

36B1.1.1.2 Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ

phóng xạ, cũng tham gia vào một tiến trình chung tạo nên “quỹ” phóng xạ của tự nhiên.

Các bức xạ đến từ vũ trụ, chủ yếu là từ ngoài hệ Mặt trời của chúng ta, có thể là chùm

hạt photon năng lượng cao, hạt muon, hay chùm hạt nặng mang điện [7]. Các bức xạ này

3 PC, P

7 PT, P

PBe,….với tốc độ không đổi. Các hạt nhân phóng xạ này theo nước mưa đến

tương tác với các hạt nhân nitơ và oxi trong tầng cao khí quyển và tạo ra các hạt nhân phóng

xạ như P

bề mặt của Trái đất. Mặc dù mật độ các hạt nhân phóng xạ này nhỏ nhưng xét đến toàn cầu

thì lượng hạt nhân phóng xạ này không nhỏ. Chúng có chu kì bán rã dài nhưng phần lớn đều

3 bức xạ vũ trụ tạo ra, ba hạt nhân phổ biến nhất là P PT, P

7 PBe. PC, và P

PT)

nhỏ hơn chu kì của các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy. Trong số các hạt nhân phóng xạ do

3  Tritium (P

PN.

Tritium có trên Trái đất một ít là do từ Mặt trời, phần lớn là do các phản ứng hạt nhân,

ví dụ như phản ứng giữa neutron nhanh với P

PN P

3 PT (1.1) PC + P

n + P

- P, có chu kì bán rã là 12,33 năm và phần lớn thời vuông bề mặt Trái đất. Tritium phóng xạ βP

Phản ứng này tạo ra khoảng 2500 nguyên tử Tritium trong mỗi giây, trên mỗi mét

gian tồn tại của nó ở trong nước, tham gia vào chu trình Hidro toàn cầu.

14

PC)

 Cacbon – 14 (P

- P mềm (E RmaxR= 158 keV) có chu kì bán rã 5715 năm. P PC là hạt nhân phóng xạ βP

PN.

được tạo ra trong bầu khí quyển bởi rất nhiều phản ứng hạt nhân khác nhau, trong đó phản

PN P

1 PH (1.2) PC + P

ứng quan trọng nhất là giữa neutron chậm và P

n + P

PC trong mỗi giây trên mỗi mét vuông bề

Phản ứng này tạo ra khoảng 22000 nguyên tử P

mặt của Trái đất. Nếu kể đến sự đóng góp từ các vụ thử hạt nhân, các nhà máy điện hạt

PC là 13,56 ± 0,07 dpm/gC. P

PC được dùng trong các phương pháp để xác định niên đại.

PBe)

nhân, và sự đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thì hoạt độ riêng trung bình toàn cầu hiện tại của

7  Beryllium-7 (P

Beryllium-7 được tạo ra khi bức xạ vũ trụ tương tác với các hạt nhân nitơ và ôxi khí quyển.

Nó có chu kì bán rã là 53,28 ngày.Bảng 1.2 đưa ra hoạt độ trung bình của các hạt nhân có

nguồn gốc từ bức xạ vũ trụ. Ta có thể nhận thấy rằng hoạt độ của các nhân phóng xạ này

tương đối nhỏ và nhìn chung là gần như ít ảnh hưởng đến phông nền phóng xạ môi trường.

Bảng 1.2.Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ [7]

Đồng vị Chu kỳ bán rã Nguồn gốc Hoạt độ tự nhiên phóng xạ

PN(n,p)P

Các tương tác vũ 220 Bq/kg trong 5730 năm trụP vật liệu hữu cơ

Các tương tác vũ

6 PLi(n, trụ N và O P

-3 1,2.10P

P Bq/kg

3 α)P

12,3 năm

PBe

Các tương tác vũ 53,28 ngày 0,01 Bq/kg trụ với N và O

 Bức xạ vũ trụ

Cùng với các nhân phóng xạ tạo nên khi tia vũ trụ tương tác với lớp khí quyển, bản

thân các tia vũ trụ cũng góp phần vào tổng liều hấp thụ của con người. Bức xạ vũ trụ được

8 Bức xạ vũ trụ sơ cấp được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kì cao (lên đến 10P

PeV), đa phần là proton cùng với một số hạt khác nặng hơn. Phần lớn các tia vũ trụ sơ cấp

chia làm hai loại là bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp [7].

đến từ bên ngoài hệ Mặt trời của chúng ta và chúng cũng được tìm thấy trong không gian vũ

trụ. Một số ít bắt nguồn từ Mặt trời do quá trình của Mặt trời [7].

Một số nhỏ bức xạ vũ trụ sơ cấp xuyên xuống bề mặt Trái đất còn phần lớn chúng

tương tác với khí quyển. Khi tương tác với khí quyển, chúng sinh ra các bức xạ vũ trụ thứ

cấp hoặc ánh sáng mà ta có thể thấy trên mặt đất. Những phản ứng này làm sinh ra các bức

xạ có năng lượng thấp hơn, bao gồm việc hình thành các photon ánh sáng, các electron, các

neutron và các hạt muyon rơi xuống mặt đất.

Lớp khí quyển và từ trường Trái đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che chắn các tia

vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt của Trái đất. Như vậy, liều bức

xạ con người nhận được sẽ phụ thuộc vào độ cao người ấy đang ở. Từ bức xạ vũ trụ, hàng

năm con người có thể nhận một liều cỡ 0,27 mSv và sẽ tăng gấp đôi nếu độ cao tăng 2000m.

Lượng bức xạ vũ trụ trên mặt biển chỉ giảm 10% từ vùng cực tới xích đạo nhưng tại độ

cao khoảng 20000m thì mức giảm này là 75%. Rõ ràng là có sự ảnh hưởng của địa từ

22B1.1.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo

trường của Trái đất và từ trường của Mặt trời lên các bức xạ vũ trụ sơ cấp [7].

Trong quá trình sử dụng phóng xạ trong hơn 100 năm trở lại đây, loài người đã đưa

vào tự nhiên những hạt nhân phóng xạ mới, đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên [7]. Các

nguồn phát phóng xạ nhân tạo có thể kể đến như là các nhà máy điện hạt nhân, các vụ thử

vũ khí hạt nhân, các khu chứa chất thải phóng xạ, chất thải rắn,…[2].Những hạt nhân phóng

xạ này ngày càng tăng trong những lần thử vũ khí hạt nhân và trong những sự cố hạt nhân.

Tuy nhiên, chúng có chu kì bán rã ngắn hơn nhiều so với các hạt nhân phóng xạ nguyên

thủy nên hoạt độ của chúng đã giảm đáng kể từ khi ngừng thử vũ khí hạt nhân trên Trái đất

[7].

Nếu kể đến đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên thì các hạt nhân phóng xạ nhân tạo

P có được

đóng góp ít hơn cả, kế đến là các hạt nhân phóng xạ tự nhiên [8].Năm 1934, Irene và

Frederic Joliot Curie tạo ra và cô lập được nguyên tố phóng xạ đầu tiên, đó là PP

P(1.3)

bằng cách bắn tia α vào một lá nhôm [8].

PR15 RPP

1 P + R0 RnP

+ P +eP

P (1.4)

R15 RPP

PR14 RSiP

α + R13 RAlP

37B1.1.2.1 Vũ khí hạt nhân

235

239

Rơi lắng từ các vụ thử vũ khí hạt nhân là nguồn phóng xạ nhân tạo lớn nhất trong môi

PU và P

PPu. Dấu hiệu

trường. Dấu hiệu của bom hạt nhân là các sản phẩm phân hạch của P

238

PU ở lớp vỏ bọc ngoài.Các đồng vị phóng xạ khác cũng được tạo ra do kết

của phản ứng nhiệt hạch là Triti đi kèm các phản ứng phân hạch thứ cấp khi neutron nhanh

tương tác với P

PC được tạo ra do phản ứng sau P

PN (n,p) P

PC làm cho

quả của việc bắt neutron với các vật liệu làm bom và không khí xung quanh. Một trong

những sản phẩm quan trọng nhất là P

PC trong khí quyển tăng gấp đôi vào giữa những năm 1960 [7].

hàm lượng P

Từ khí quyển, các đồng vị phóng xạ sẽ lắng đọng trên địa cầu dưới dạng rơi lắng tại

chỗ (12%), nằm trên tầng đối lưu (10%) và tầng bình lưu (78%). Rơi lắng ở tầng bình lưu là

PH và P

PC đi vào các chu trình khí quyển, thủy

3 vị phóng xạ nằm trên bề mặt Trái đất thì P

rơi lắng toàn cầu và sẽ gây nhiễm bẩn toàn cầu với hoạt độ thấp. Trong khi hầu hết các đồng

quyển và sinh quyển toàn cầu.

137

106

Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào khí quyển qua các thử vũ khí hạt nhân là 3,017 Sv/

P, các đồng vị khác như CsP

P, SrP

P, ZrP

P và RuP

P chiếm phần còn lại

người với 70% là CP

38B1.1.2.2 Điện hạt nhân

[7].

Chương trình hạt nhân bắt đầu từ lò phản ứng Calder Hall ở Tây bắc nước Anh năm

1956. Số các lò phản ứng hạt nhân tăng nhanh, cho đến cuối năm 2002, theo thống kê của

IAEA, điện hạt nhân đã chiếm 16% sản lượng điện toàn thế giới và đang có chiều hướng gia

tăng. Các đồng vị phóng xạ thải vào môi trường đều từ các chu trình nhiên liệu hạt nhân như

khai thác mỏ, nghiền Uran, sản xuất và tái chế các thanh nhiên liệu. Việc thải các chất

39B1.1.2.3 Tai nạn hạt nhân

phóng xạ từ các nhà máy điện có thể lên đến cỡ TBq/năm hoặc nhỏ hơn [7].

Khoảng 150 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân đã xảy ra, lớn nhất là tai nạn

Chernobyl xảy ra ở Ucraina 1986 gây nên sự nhiễm bẩn phóng xạ bởi các chất thải rắn và

lỏng – là hỗn hợp các hợp chất hóa học và các đồng vị phóng xạ.

Ngoài ra, một số nhân phóng xạ nhân tạo còn được tạo thành từ các khu chứa chất thải

phóng xạ, các chất thải rắn hay đồng vị phóng xạ nhân tạo [8].

Bảng 1.3.Liệt kê một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến nhất trong tự nhiên và nguồn

gốc tạo ra chúng

Hạt nhân Chu kì bán rã Nguồn tạo ra

12,3y Được tạo ra từ các vụ thử nghiệm và chế tạo

vũ khí hạt nhân và từ các lò phản ứng phân

121

hạch.

8,04d Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí

hạt nhân, lò phản ứng phân hạch và từ việc

129

7 1,57.10P

điều trị bệnh tuyến giáp.

Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí

PSr

hạt nhân, lò phản ứng phân hạch.

28,78y Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí

PTc

5 2,11.10P

hạt nhân, lò phản ứng phân hạch.

PMo được sử dụng trong

Sản phẩm của P

239

238

PPu

4 2,41.10P

chuẩn đoán bệnh.

PU.

9B1.2 Tình hình nghiên cứu phông phóng xạ tự nhiên

Được tạo ra khi neutron bắn phá P

Khảo sát phông phóng xạ tự nhiên là một trong những hướng nghiên cứu môi trường

nói chung. Việc nghiên cứu này là một yêu cầu bắt buộc của các nước đã, đang và sẽ phát

triển năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình. Cơ Quan Năng Lượng Nguyên Tử Quốc

Tế - IAEA đã lập những dự án hỗ trợ kĩ thuật khi tiến hành việc khảo sát nền phông phóng

xạ môi trường cho các nước thành viên, trong đó có Việt Nam. Các nghiên cứu đo đạc

phóng xạ môi trường đầu tiên đã được tiến hành vào những năm đầu của thế kỉ 20. Năm

1900, Geitel H.., người Đức và R Wilson C.T., đã khảo sát phóng xạ trong không khí và xác

định được Radon. Họ cũng đã phát hiện ra bức xạ vũ trụ và được xác nhận lại vào năm

1910, bằng việc đo phóng xạ trên tháp Eiffel và khinh khí cầu. Vào năm 1902, Wilson đã

nhận ra các sản phẩm phân rã của Radon trong khí quyển bị rửa trôi theo nước mưa. Trong

thập kỉ đầu thế kỉ 20, nhiều nhà nghiên cứu khác nhau đã xác định được các chất phóng xạ

trong đất, đá, nước biển và nước ngọt từ mỏ nước khoáng và suối nước nóng. Sau năm

1945, việc đo rơi lắng phóng xạ toàn cầu, từ các vụ thử hạt nhân trong khí quyển đã được

thực hiện bởi nhiều quốc gia. [10]

Quá trình nhiễm bẩn toàn cầu của môi trường bắt đầu từ ngày 16 tháng 07 năm 1945

sau vụ nổ nguyên tử tại Alamosgordo sa mạc New Mexico. Các vụ thử hạt nhân trong khí

quyển tăng mạnh sau chiến tranh thế giới thứ hai, cả về số lượng lẫn công suất bởi Mỹ và

Liên Xô. Các chương trình cảnh báo môi trường được thiết lập trong nhiều quốc gia, để đảm

bảo về an toàn phóng xạ cho dân chúng. Ví dụ, sau tai nạn Chernobyl tháng 4 năm 1986,

các cuộc kiểm tra thực tế đã được tiến hành trên 15 năm qua dưới sự tài trợ của IAEA, viện

nghiên cứu phóng xạ Thụy Điển và các tổ chức khác.[10]

Việc khảo sát các nhân phóng xạ trong tự nhiên, bao hàm cả chuỗi thực phẩm nhằm:

nhận biết các nguyên tố phóng xạ đóng góp chính vào liều chiếu tới con người, xác định cơ

chế dịch chuyển để có thể đánh giá tình trạng hiện tại, quá khứ và tương lai, xác định tần

suất các hoạt động cảnh báo ngắn và dài hạn.

Nhiều quốc gia và các vùng lãnh thổ trên thế giới đã tiến hành khảo sát phông phóng

xạ tự nhiên và đã thành lập bản đồ phông phóng xạ tự nhiên ở phạm vi quốc gia, trong đó

có: Ấn Độ (1986), Liên Xô cũ(1987), Mỹ(1988), Nhật(2005).[10]

Hầu hết các quốc gia trên thế giới đều có các chương trình kiểm soát phóng xạ tự

nhiên và các trạm quan trắc phóng xạ nhân tạo, để kiểm soát hiện trạng phóng xạ theo thời

23B1.2.1 Thế giới

gian.[10]

Phông phóng xạ tự nhiên phụ thuộc vào hàm lượng chất phóng xạ chứa trong đất,

nước của từng vùng. Do vậy, việc tồn tại các vùng có phông phóng xạ cao hoặc thấp khác

nhau là lẽ đương nhiên [2].

Các nghiên cứu gần đây đã cho thấy, có khoảng 5% dân số trên thế giới sống ở các

khu vực có phông phóng xạ tự nhiên cao. Mức phông phóng xạ cao chủ yếu do nồng độ các

chất khoáng có các nguyên tố đất hiếm rất khó hòa tan có trong các bãi cát ven biển cùng

với khoáng chất ilnemit, cát có màu đen đặc trưng. Các đồng vị phóng xạ chính có trong

226

monazit là các đồng vị có trong dãy Thorium và đôi khi cũng có cả Uranium và con cháu

PRa [2].

của nó như P

Ở Phần Lan, phông phóng xạ tự nhiên rất cao, gần 8 mSv/năm, kế đến là Pháp và Tây

Ban Nha với gần 5 mSv/năm.Có những vùng dân chúng sống trong một môi trường tự nhiên

bức xạ rất cao như ở: Ramsar (Iran), Kerala ( Ấn Độ), Guarpapi (Braxin) và Yangjang

(Trung Quốc). Một số ngôi nhà ở Ramsar, người dân nhận liều bức xạ vào cỡ 132 mSv/

năm, cao hơn trung bình thế giới khoảng 50-70 lần.Tuy nhiên, môi trường phóng xạ trong

lành nhất là hai nước Anh và Australia với phông phóng xạ (hay liều hiệu dụng trung bình)

khoảng 1,6 mSv/năm [2].

Nguồn từ tổ chức nghiên cứu sức khỏe thuộc Kyoto – Nhật Bản

Vùng Ramsar tại miền Bắc Iran có nền phông phóng xạ cao nhất trên thế giới.

Ở Guarapari – Brazil, một thành phố có dân số 80000 dân cũng có độ phóng xạ cao vào cỡ

40 µSv/giờ (cao hơn mức trung bình trên thế giới khoảng 200 lần).

Hình 1.3. Những vùng có phông phóng xạ cao trên thế giới

24B1.2.2 Việt Nam

(đơn vị sử dụng là mSv/năm).[10]

Ở nước ta, một số số liệu đo trên các vùng dân cư ở thành phố, thị xã, ven đường quốc

lộ, đồng bằng và trung du đều chứng tỏ phông phóng xạ tự nhiên nằm trong khoảng 2- 2,5

mSv/năm.Nói chung không vượt quá phông trung bình của thế giới [2].

Còn ở những vùng mỏ phóng xạ và đất hiếm (Tây Bắc), mỏ Graphit (vùng Quảng

Nam) hay vùng mỏ sa khoáng (dọc bờ biển Trung bộ)….., hàm lượng các nguyên tố phóng

xạ trong đất đá cao hơn, và phông phóng xạ cũng cao hơn mức trung bình khoảng 1,5 – 2

lần. Có những khu vực, giữa thân các mỏ quặng, phông phóng xạ cao hơn nhiều lần, liều

hiệu dụng nằm trong khoảng 10 -30 mSv/năm [2].Đặc biệt, tại huyện Thanh Sơn, Phú Thọ,

Cục Kiểm soát và An toàn Bức xạ đã lấy nhiều mẫu đất và đo đạc vào tháng 9 vừa qua, đã

khám phá rằng mức phóng xạ là 10,27 mSv/năm, gấp 10 lần mức phóng xạ trung bình mà

một người dân bình thường tiếp nhận trong một năm.

25B1.2.3. Những ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên đối với con người và môi

Hình 1.4. Phần trăm liều hiệu dụng trung bình hàng năm

trường

Mỗi người trung bình trong một năm nhận khoảng 1,1 mSv tia phóng xạ tự nhiên (nếu

gộp cả 1,3 mSv nhận từ Radon trong không khí thì con số này trở thành 2,4 mSv). Trong đó

khoảng 0,38 mSv từ không gian như các tia vũ trụ, khoảng 0,46 mSv từ đất, ngoài ra còn có

khoảng 0,24 mSv được phát từ cơ thể con người thông qua thức ăn, nước uống hằng ngày

[2].

Dù phải nhận một lượng tia phóng xạ tự nhiên như vậy nhưng sinh vật vẫn sống bình

thường. Chính vì vậy mà chúng ta có thể hiểu là nếu ở mức độ này thì sẽ không có vấn đề

gì. Hơn nữa, do cấu trúc địa chất ở mỗi nơi khác nhau, mức độ phóng xạ tự nhiên cũng khác

nhau theo khu vực. Có những nơi ở Trung Quốc hay Ấn Độ giá trị này lên tới 10 mSv/ năm

nhưng những cuộc điều tra từ trước tới nay cho thấy không hề có biểu hiện bất thường nào

xuất hiện ở người và sinh vật.

Do vậy, có thể hiểu rằng ở mức độ gấp 10 lần của phông phóng xạ tự nhiên trung bình

cũng không có ảnh hưởng xấu nào đến sức khỏe của con người. Điều đó có nghĩa là: đứng

về quan điểm an toàn bức xạ mà nói thì không thể đặt một ngưỡng liều bức xạ để có thể nói

rằng liều trên mức ấy là nguy hiểm, liều dưới ngưỡng đó là an toàn. Tuy nhiên, người ta

cũng định ra một ngưỡng, nếu bị chiếu xạ trên ngưỡng này thì chắc chắn hiệu ứng sẽ xảy ra

đối với cơ thể [2].

Khi nhận một lượng phóng xạ trong thời gian ngắn, cơ thể con người sẽ có những biểu

hiện về sức khỏe như sau:

Bảng 1.4. Liều chiếu xạ [2]

Liều chiếu Các hiệu ứng

Không có tổn thương nào rõ ràng. Không ghi được hiệu 0 ~ 250 mSv ứng lâm sàng, có thể không có hiệu ứng muộn.

250 ~ 500 mSv Có thể thay đổi về máu nhưng không nghiêm trọng.

Có thể thay đổi nhẹ về máu nhưng không có dấu hiệu lâm

500 mSv sàng. Có thể có hiệu ứng muộn, không chắc chắn có hiệu

ứng nghiêm trọng.

Thay đổi về tế bào máu, có vài tổn thương nhưng không 500 ~ 1000 mSv ốm đau bệnh tật.

Buồn nôn, mệt mỏi. Thay đổi rõ về thành phần máu, bình 1000 mSv phục chậm, giảm thọ.

1000 ~ 2000 mSv Có tổn thương, có khả năng ốm đau, bệnh tật.

Buồn nôn, nôn mửa 24 giờ, rụng lông, tóc, biếng ăn, suy

yếu toàn thân, có triệu chứng đau họng, ỉa chảy. Một số cá

2000 mSv thể có thể bị tử vong. Nói chung có khả năng bình phục trừ

trường hợp sức khỏeyếu từ trước, dễ bị bệnh truyền nhiễm,

tổn thương nặng.

2000 ~ 4000 mSv Tổn thương, ốm đau bệnh tật, có thể dẫn đến tử vong.

Buồn nôn, nôn mửa trong 1~ 2 giờ, ủ bệnh 1 tuần bắt đầu

rụng lông, tóc, ăn không ngon miệng, suy nhược chung,

4000 mSv sốt, khô rát mồm họng ở tuần thứ ba, các triệu chứng xanh

xao, ỉa chảy, chảy máu, suy sụp nhanh vào tuần thứ tư.

Khoảng 50% cá thể tử vong.

Buồn nôn, mửa trong 1 ~ 2 giờ, ủ bệnh ngắn, ỉa chảy, khô

6000 mSv rát họng, sốt và tử vong sớm. Chắc chắn tử vong 100% cá

26B1.2.4 Độ trung bình phóng xạ có trong người

thể.

Trong những năm 1970 ở Hungaria, người ta đã đo lượng phóng xạ của các nguyên tố

sinh ra từ tự nhiên cũng như nhân tạo đã xâm nhập vào cơ thể con người. Các số liệu cụ thể

được trình bày ở bảng 1.6.

Bảng 1.5. Hoạt độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ trong các bộ phận của cơ thể con

người

Các đồng vị Hoạt độ phóng xạ (Bq/kg)

phóng xạ Phổi Xương Ở mô mềm Toàn cơ thể

của cơ thể

Tự nhiên 3 - - - 0.2 – 0.9

- - - 40

- - - 60

PRb

- - - 8,5

238

234

PU – P

PTh

226

PRa

- 0,15 0,007 - Dãy P 230 0,02 0,2 0,002 -

210

- 0,3 0,005 -

PPb – P

PPo

- 3,0 0,2 -

232

PTh 224

PRa – P

PRa

0,02 0,2 0,002 - Dãy P 228 - 0,09 0,004 -

Nhân tạo (các vụ

nổ hạt nhân)

- - - 2 – 3

PSr

137

- 8 - 16 - -

PCs

- - - 0,8 – 1,6

Từ kết quả bảng trên chúng ta thấy ở trong phổi của con người các chất phóng xạ ít cư

trú nhưng trên thực tế thì các chất phóng xạ khí Radon và Toron lại cư trú ở phổi nhiều nhất.

10B1.3 Tương tác của tia gamma với vật chất. Hệ phổ kế gamma phông thấp

27B1.3.1 Các tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Bức xạ gamma có bản chất sóng điện từđó là các photon năng lượng cao hàng chục

-10

Pm. Nó không bị lệch trong điện trường và có khả năng đâm xuyên rất lớn,

keV đến hàng chục MeV. Bước sóng của bức xạ gamma nhỏ hơn nhiều so với kích thước

nguyên tử cỡ 10P

thậm chí có thể đi qua lớp chì dày hàng decimet và rất nguy hiểm cho con người [2].

Tương tác của lượng tử gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp

như hạt tích điện. Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ

đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra cặp electron – positron, rồi các electron này gây ion hóa

môi trường. Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện,

tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. Ngoài ra, bức xạ hãm cũng đóng góp vào sự hình

40B1.3.1.1 Hấp thụ quang điện

thành phổ gamma [2].

Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và

toàn bộ năng lượng của nó được truyền hết cho electron quỹ đạo, electron này bay ra khỏi

nguyên tử và được gọi là quang electron (photoelectron) [2].

Năng lượng của lượng tử gamma phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết W RiR của

E = h = W T e

electron trên quỹ đạo i:

(1.5)

Phần năng lượng dư ra TRe R chuyển thành động năng của quang electron bay ra.

Hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với electron lớp K và với tiết diện rất lớn đối

với các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các

nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng

năng lượng thấp [2].

TiaX

Photoelectron

Hình 1.5.Cơ chế hấp thụ quang điện [2]

Khi hiệu ứng quang điện xảy ra trong detector, những electron bị kích thích này mang

điện tích và bị mất năng lượng do ion hóa hoặc kích thích các nguyên tử tinh thể, tạo thành

các cặp electron – lỗ trống. Còn nguyên tử sau khi bị mất electron sẽ ở trạng thái kích thích

với năng lượng kích thích là E Rb R và trở về trạng thái cơ bản bằng một trong hai cách khác

nhau. Nguyên tử có thể khử trạng thái kích thích bằng cách phân bố lại năng lượng kích

thích cho các electron còn lại, điều này có thể dẫn đến việc giải phóng các electron khác từ

nguyên tử (electron Auger) hay phát huỳnh quang tia X (Hình 1.6). Tia X này cũng có thể bị

hấp thụ quang điện. Khi đó tất cả năng lượng của tia gamma đều bị hấp thụ và tạo thành

đỉnh năng lượng toàn phần. (Do nguyên lí bảo toàn động lượng, một lượng rất nhỏ năng

lượng của photon được chuyển thành năng lượng giật lùi của nguyên tử và có thể được bỏ

qua trong thực nghiệm.

Hình 1.6.Cơ chế phát tia X

Đối với những tương tác gần bề mặt của detector, các tia X huỳnh quang, hầu hết là

các tia X của lớp K, có thể thoát ra khỏi detector. Năng lượng tổng cộng bị hấp thụ trong

detector khi đó sẽ là:

ERe R = ERγR - ERK R (1.6)

ở đây ERKR là năng lượng của tia X lớp K.

Quá trình này được gọi là quá trình thoát tia X.Đối với Germanium thì năng lượng tia

X ở lớp K có hai giá trị là 9,9 keV và 11,1 keV, còn của iodine là 1,7 keV và 1,8 keV. Vì

lượng năng lượng này bị mất tạo nên một đỉnh nhỏ có năng lượng thấp hơn đỉnh năng lượng

toàn phần một khoảng đúng bằng lượng năng lượng này. Trong detector germanium, nó còn

gọi là đỉnh thoát germanium và trong detector iodine được gọi là đỉnh thoát iodine (Hình

1.7).

PCo

Hình 1.7.Đỉnh thoát iodine trong phổ của nguồn P

Khi nguyên tử chì có trong các vật liệu che chắn xung quanh detector hấp thụ photon,

phát ra từ nguồn đo hay từ các nguồn xung quanh, nó sẽ phát ra tia X đặc trưng. Các tia X

này thường có năng lượng nằm trong khoảng 70 – 85 keV. Trong thực tế, người ta thường

sử dụng thêm một số lớp vật liệu bọc bên trong buồng chì để chắn các tia X này. Có thể đặt

kế tiếp với lớp chì là một lớp cadmium, lớp này hấp thụ gần như toàn bộ tia X do chì phát

ra. Sau đó đến lượt Cadmium phát ra tia X đặc trưng của nó và được lớp đồng kế tiếp lớp

cadmium hấp thụ hết. Cuối cùng, các tia X do đồng phát ra có năng lượng thấp khoảng 8 – 9

keV thì chỉ cần một lớp lastic mỏng là hấp thụ hết.

41B1.3.1.2 Tán xạ Compton

Tán xạ Compton là tương tác trực tiếp giữa photon với một electron được xem như tự

do. Tán xạ Compton xảy ra mạnh ở vùng năng lượng từ 150keV đến 9 MeV đối với

Germanium và ở vùng năng lượng từ 50keV đến 15 MeV đối với Silicon.

Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các

electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt

đầu hiệu ứng Compton. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng

lượng gamma và tán xạ của gamma lên electron xem như tán xạ lên electron tự do [2].

Trong tán xạ, lượng tử gamma va chạm với một electron tự do ban đầu đứng yên. Khi

đó, gamma truyền một phần năng lượng cho electron và bị lệch khỏi phương chuyển động

một góc φ [2].

′λ lớn hơn bước sóng λ của gamma tới. Gia số

Tia gamma sau tán xạ có bước sóng

tăng bước sóng phụ thuộc vào góc tán xạ φ như sau:[2]

−

∆λ = λ − λ = '

ϕ (1 cos )

h m c e

−

(1.7)

0,0243A

2, 43.10

(m)

λ = e

h m c e

trong đó (1.8)

eλ là bước sóng Compton)

γtán xạ

γtới

(

electron

Hình 1.8.Cơ chế tán xạ Compton [2]

Khi tán xạ xảy ra bên trong detector, electron Compton sẽ bị mất toàn bộ động năng

bên trong detector và detector sẽ tạo ra xung tương ứng với phần động năng này. Do đó trên

phổ xuất hiện vùng lưng Compton chứa các xung trải dài từ năng lượng bằng 0 đến năng

lượng cực đại của electron Compton. Trên phổ gamma, tại vị trí ứng với năng lượng cực đại

của electron tán xạ ngược ứng với sự hấp thụ hoàn toàn photon thứ cấp bị tán xạ ngược và

một cạnh Compton ứng với sự hấp thụ toàn bộ năng lượng cực đại của electron tán xạ. Tổng

năng lượng của đỉnh tán xạ ngược và của cạnh Compton bằng với năng lượng của photon

tới vì đều là kết quả của một sự kiện tán xạ Compton [2].

Trong trường hợp photon thứ cấp bị hấp thụ hoàn toàn trong detector, có thể xảy ra hai

trường hợp, nếu năng lượng photon đủ nhỏ thì chỉ xảy ra hấp thụ quang điện, còn nếu năng

lượng còn khá lớn thì nó sẽ bị tán xạ liên tiếp và cuối cùng kết thúc bằng hiện tượng quang

điện. Khi đó một đỉnh quang điện toàn phần được ghi nhận. Đỉnh quang điện toàn phần này

cách cạnh Compton một khoảng năng lượng đúng bằng năng lượng của photon tán xạ

ngược. Vùng phổ ứng với sự tán xạ Compton nhiều lần của photon thứ cấp kéo dài từ cạnh

137

PCs [7].

Compton đến đỉnh quang điện toàn phần của photon tới. Hình 1.8 minh họa phổ tán xạ

137

Compton của tia gamma có năng lượng 662 keV của P

PCs [7]

Hình 1.9.Phổ của nguồn P

0 P đến 180P

P, mới lọt được vào detector. Dù

0 photon có góc tán xạ lớn nằm trong khoảng từ 120P

Một phần photon phát ra từ mẫu bị tán xạ bởi các lớp chắn xung quanh detector. Các

năng lượng của photon tới bằng bao nhiêu chăng nữa thì năng lượng của các photon tán xạ

này cũng nằm trong khoảng 200 – 300 keV.

Những tia gamma này làm phổ gamma trong vùng năng lượng này bị dâng cao.

Hình 1.10.(a) Tán xạ Compton bởi lớp chì chắn xung quanh detector

(b) Năng lượng của photon tán xạ theo góc tán xạ [7]

Xác suất xảy ra tán xạ Compton phụ thuộc vào năng lượng của gamma. Trong vùng

năng lượng 0,1 MeV – 10 MeV, hiệu ứng Compton đóng vai trò quan trọng nhất trong sự

42B1.3.1.3 Hiệu ứng tạo cặp

tương tác của gamma [7].

Khác với hấp thụ quang điện và tán xạ Compton, sự tạo cặp là kết quả tương tác giữa

tia gamma với toàn bộ nguyên tử. Quá trình này diễn ra trong trường Coulomb của hạt nhân,

kết quả là sự biến đổi từ một photon thành một cặp electron – positron. Tia gamma biến mất

và cặp electron – positron xuất hiện. Tiết diện của quá trình tạo cặp σ Rp R tỉ lệ với bình phương

nguyên tử số của môi trường [7].

Electron

0,511 MeV

Positron

0,511 MeV

Hình 1.11. Hiệu ứng tạo cặp [2]

Để hiện tượng tạo cặp xảy ra, tia gamma phải có năng lượng tối thiểu bằng khối lượng

nghỉ của hai hạt tức là 1022 keV. Trong thực nghiệm, bằng chứng của sự tạo cặp chỉ được

thấy trong phổ gamma khi năng lượng của tia gamma lớn hơn 1022 keV. Hiệu ứng tạo cặp

chỉ chiếm ưu thế ở vùng năng lượng trên 10 MeV. Electron và positron được tạo thành sẽ

chia nhau phần năng lượng ERe R còn lại trong công thức (1.9), và mất phần năng lượng này

khi chúng bị làm chậm [7].

ERe R = ERγR – 1022 (keV) (1.9)

Với EReR là tổng động năng của electron và positron

ERγ R là năng lượng của tia gamma tới

Khi năng lượng của positron giảm xuống gần bằng năng lượng nhiệt nó sẽ gặp electron

và cả hai sẽ bị hủy, giải phóng ra hai photon hủy 511 keV. Trong thực tế thì năng lượng để

giải phóng electron ra khỏi liên kết trong nguyên tử chỉ vào cỡ eV, rất nhỏ so với năng

lượng của photon. Phản ứng tạo cặp xảy ra trong khoảng 1ns trong khi đó thời gian thu thập

diện tích là từ 100 đến 700 ns nên sự hủy được xem như tức thời với sự tạo cặp.

Nếu hai photon hủy bị tán xạ Compton nhiều lần trong detector và kết thúc bằng hấp

thụ quang điện thì trên phổ thu được đỉnh quang điện toàn phần của hai tia gamma. Nếu một

trong hai photon hủy thoát ra khỏi detector thì có thể xuất hiện trên phổ của một đỉnh thoát

đơn, đỉnh này có năng lượng nhỏ hơn đỉnh năng lượng toàn phần 511 keV. Nếu cả hai

photon hủy đều thoát ra khỏi detector thì trên phổ sẽ xuất hiện một đỉnh thoát đôi cách đỉnh

hấp thụ toàn phần 1022 keV [7].

Hiệu ứng tạo cặp xảy ra trong các vật liệu xung quanh detector sẽ tạo ra hai photon

PAl phát ra photon có năng lượng 1778,9 keV (

hủy. Do hai photon này có hướng ngược nhau nên chỉ có một photon hủy lọt vào detector

tạo đỉnh hủy 511 keV, như trường hợp của P

hình 1.12)

PAl [7]

Hình 1.12.Phổ của tia gamma 1778,9 keV của P

PNa,

Đỉnh hủy 511 keV này cũng xuất hiện do nguồn phát positron. Khi positron hủy với

PZn và P

PCu. Do positron và electron trong các quá trình hủy đều có vận tốc dù nhỏ nên hai

một electron cũng tạo hai photon hủy. Một số nguồn phát positron đáng chú ý như P

photon hủy bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler và kết quả là đỉnh hủy 511 keV bị nở rộng.

Hình 1.13. Sự tạo đỉnh hủy 511 keV trên phổ gamma [7]

43B1.3.1.4 Bức xạ hãm

Bức xạ hãm là bức xạ điện từ sinh ra do tương tác giữa electron nhanh với trường

Coulomb của hạt nhân. Bức xạ hãm cũng sinh ra trong trường hợp các hạt mang điện khác

bị làm chậm trong môi trường vật chất. Tuy nhiên, bức xạ hãm chỉ đáng kể đối với các hạt

nhẹ mang điện. Bức xạ điện từ này có phổ liên tục và phần lớn nằm ở vùng tia X [7].

Sự sinh ra bức xạ hãm càng đáng kể khi năng lượng của electron càng lớn và môi

trường làm chậm có nguyên tử số Z càng lớn. Ví dụ như electron có năng lượng 1 MeV sinh

ra bức xạ hãm đáng kể trong chì (Z = 82) nhưng không đáng kể trong nhôm (Z = 13) [7].

Sự xuất hiện bức xạ hãm sẽ làm vùng phổ có năng lượng thấp bị dâng cao. Điều này

làm tăng phông nền của các đỉnh có năng lượng thấp và ảnh hưởng đến độ chính xác của

PAl, do electron phát ra có năng lượng cực đại 2,8

phép đo. Trong trường hợp của nguồn P

MeV nên làm tăng phông vùng năng lượng thấp đáng kể ( hình 1.14)

Hình 1.14. Phổ bức xạ hãm của electron có năng lượng cực đại 2,8 MeV

PAl [7]

28B1.3.2 Detector bán dẫn Germanium

của P

Detector gemanium là loại detector đo tia gamma có độ phân giải cao nhất hiện nay và

chúng được sử dụng rộng rãi cho cả nghiên cứu cơ bản lẫn vật lí ứng dụng. Năng lượng của

tia gamma hoặc beta có thể đo được với độ phân giải lên tới 0,1%.[3]

Có hai hoại detector bán dẫn germanium là: detector germanium trôi lithium hay còn

gọi là detector Ge (Li) và detector germanium siêu tinh khiết hay HPGe (High Pure

Germanium detector). Cả hai loại detector này đều có độ nhạy và độ phân giải tuyệt vời

nhưng detector Ge (Li) có một khuyết điểm là nó không ổn định trong môi trường nhiệt độ

phòng vì lớp lithium được trôi vào trong vùng nội sẽ rò rỉ ra khỏi detector.

Trong các detector siêu tinh khiết, động năng của electron được đo bởi tập hợp sự ion

hóa dọc theo quãng đường của electron. Năng lượng cần để tạo ra một cặp electron – lỗ

trống trong germanium có giá trị trung bình vào khoảng 3 eV. Ví dụ: một hạt electron 1

MeV khi vào detector sẽ vào khoảng 38105 cặp electron – lỗ trống. Chúng ta có thể tập hợp

gần như tất cả những tích này trong detector germanium nếu như các tạp chất trong

germanium được loại bỏ đến một mức độ nào. Tuy nhiên, phương sai thống kê của 38105

cặp là quá nhỏ cho nên nó có thể bị nhiễu loạn từ các cặp electron – lỗ trống kích thích nhiệt

ngẫu nhiên. Để khắc phục và giảm thiểu được điều này, người ta phải làm lạnh tinh thể

germanium và chất làm lạnh được sử dụng chủ yếu là nitơ lỏng với nhiệt độ làm lạnh là

77K.

Tuy tín hiệu được tạo ra là do sự ion hóa của các electron có động năng, năng lượng

của tia gamma có thể được đo bằng detector germanium bởi vì năng lượng của một photon

có thể được chuyển cho các electron. Các tia gamma năng lượng thấp có thể bị hấp thụ hoàn

toàn bởi hiệu ứng quang điện tạo ra một electron đơn với hầu hết năng lượng của photon tới.

Đối với các photon có năng lượng từ khoảng 100 keV đến dưới 1MeV, hiệu ứng Compton

giữ vai trò chủ đạo vì thế để chuyển toàn bộ năng lượng photon cho các electron đòi hỏi

phải có một hay nhiều hơn tán xạ Compton và được kết thúc bằng sự hấp thụ quang điện. Sự

2 2mRe RcP

tạo thành các cặp electron – positron đóng một vai trò quan trọng ở mức năng lượng trên

Các loại mô hình đầu dò: (7 loại) [7]

1. Đầu dò Ge năng lượng siêu thấp (ultra – LEGe).

2. Đầu dò Ge năng lượng siêu thấp.

3. Đầu dò Ge đồng trục.

4. Đầu dò Ge năng lượng rộng (BEGe).

5. Đầu dò Ge phạm vi mở rộng (XtRa).

6. Đầu dò Ge đồng trục đảo cực (REGe).

7. Đầu dò dạng giếng.

44B1.3.2.1 Các khối điện tử chủ yếu trong hệ phổ kế gamma

Khi bức xạ gamma bay vào detector bán dẫn, tương tác của bức xạ gamma với vật chất sẽ

tạo nên các cặp điện tích electron-lỗ trống dưới tác động của điện trường các điện tích này

sẽ chuyển về các điện cực và tạo nên một dòng điện dạng xung. Nhiệm vụ của các khối điện

tử tiếp theo là xử lí các xung này để hình thành phổ gamma [1].

Hình 1.15. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma [1]

 47BDetector

Để ghi phổ gamma hiện nay người ta thường dùng hai loại detector [2].

 Detector nhấp nháy với tinh thể NaI( Tl).

 Detector bán dẫn Ge (cho phổ với độ phân giải cao hơn nhưng giá thành mắc hơn

và yêu cầu cao hơn về thiết bị đi kèm).

Ở đây, ta sử dụng detector bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe).

 Nguyên lí chung của các loại detector bán dẫn [2]

Chất bán dẫn thường dùng là Si hoặc Ge (để ghi các lượng tử gamma người ta dùng

detector bán dẫn Ge).

Khi lượng tử gamma tương tác với phân tử chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên các electron tự

do thông qua ba hiệu ứng chủ yếu. Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ kích thích

các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại lỗ trống. Như vậy tương tác của gamma đã tạo ra

một loạt các electron và lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Dưới tác dụng của điện trường, các

electron sẽ chuyển động về cực dương, các lỗ trống chuyển động về cực âm tạo thành một

xung dòng điện ở lối ra. Năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp electron và lỗ trống trong

Ge là ε = 2,96 eV (đối với Si ε = 3,61 eV).

 Phân loại detector [1]

Ta có thể phân loại detector Ge như sau:

- Về loại bán dẫn: loại p hoặc loại n.

n-type Ge

p-type Ge

Thông thường ta có các loại sau đây:

n+ layer + HV p+ layer - HV

Preamp.

(a) (b) (c)

Hình 1.16. Các loại detector bán dẫn HPGe [1]

+ tạo ra một lớp nP

Pdày khoảng 0,5 – 0,8 mm bằng phương pháp khuếch tán Li. Khi sử dụng

+ Detector HPGe loại p, kiểu đồng trục (hình a): chất bán dẫn xuất phát là loại p. Người ta

phải đặt điện áp cao, dương khoảng 2 -5 kV để kéo các cặp electron – lỗ trống tạo ra. Loại

P [1].

+ lớp chết nP

này có hiệu suất giảm nhiều ở năng lượng tia gamma thấp (dưới 100 keV) vì sự hấp thụ trên

+ tạo ra lớp bề mặt pP

P dày khoảng 0,3 μm bằng phương pháp cấy ion B. Khi sử dụng cần đặt

+ Detector HPGe loại n, kiểu đồng trục (hình b): xuất phát từ chất bán dẫn loại n, người ta

P mỏng hơn [1].

+ lớp chết pP

cao thế phân cực âm. So với loại trên, loại này hiệu suất ít bị giảm hơn ở năng lượng thấp vì

+ Detector hình giếng (hình c): Loại này có hiệu suất hình học cao nên thích hợp với phép

đo hoạt độ nhỏ [1].

Hình 1.17. Cấu tạo detector bán dẫn HPGe

 Cấu hình đầu dò [7]

- Tinh thể Ge đường kính ngoài 52 mm, chiều cao 49,5 mm.

- Bên trong tinh thể có một hốc hình trụ đường kính 7 mm, độ sâu của hốc là 35 mm.

- Mặt ngoài tinh thể là lớp tiếp xúc loại n (lớp Lithium) nối với điện cực dương.

- Mặt trong hốc tinh thể là lớp tiếp xúc loại p (lớp Boron)nối với điện cực âm.

- Đầu dò được đựng trong một hộp kín với bề dày 1,5 mm.

- Các điện cực cách điện bằng Teflon.

- Cửa sổ tinh thể (cryostat window) có bề dày 1,5 mm.

Nắp (Nhôm)

Chất cách điện

Tinh thể siêu tinh khiết Ge Mật độ không tinh khiết dưới 10 10/cm3

Tiền khuếch đại

Khuếch đại

Kim lạnh bằng đồng

Nitơ lỏng

Hình 1.18. Cấu hình đầu dò [2]

Hình 1.19. Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò – buồng chì – nguồn [7]

Thành phần của buồng chì gồm lớp chì dày khoảng 11 cm, bên trong có lót 2 lớp Cu

và Sn với bề dày tương ứng là 1,5 và 1 mm [7].Bình làm lạnh có tác dụng làm giảm nhiệt từ

detector, thiết kế đặc biệt để chống tạp âm cũng như tránh sự suy giảm photon có năng

PC hay 77K) [2], [7]

0 nitơ lỏng (-196P

lượng thấp. Để tránh các electron sinh ra do sự phát nhiệt, detector thường được làm lạnh ở

Hình 1.20.Bình làm lạnh chứa nitơ lỏng [2]

 48BKhối tiền khuếch đại

Khối tiền khuếch đại được nối trực tiếp ngay sau detector. Nhiệm vụ của nó là khuếch

đại sơ bộ tín hiệu rất nhỏ từ detector mà vẫn đảm bảo mức “ồn” khả dĩ là nhỏ nhất (ta

thường nói là đảm bảo tỉ số tín hiệu/ ồn tối đa). Khối tiền khuếch đại có ý nghĩa rất quan

trọng đối với chất lượng của hệ phổ kế, nó góp phần quyết định độ phân giải của hệ [2].

Tùy loại detector mà người ta sử dụng một trong ba loại tiền khuếch đại sau đây: [2]

+ Tiền khuếch đại dòng điện

+ Tiền khuếch đại điện áp

+ Tiền khuếch đại điện tích

 Khối khuếch đại chính

Khối này có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung ra từ khối tiền khuếch đại (thông thường nhỏ

hơn 1V) lên đến khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lí tiếp một cách dễ dàng và chính xác.

Ngoài ra, trong khối này còn có các mạch tạo dạng xung nhằm cải tạo tỉ số tín hiệu/ồn (S/N)

và ngăn ngừa sự chồng chập xung [2].

Hình 1.21. Hình dạng xung ra sau tiền khuếch đại và khuếch đại chính [1]

 Khối biến đổi tương tự - số (ADC)

Tín hiệu tương tự từ khối khuếch đại tuyến tính có biên độ VR0 R sẽ đưa vào khối biến đổi

tương tự - số. Qua đó thực hiện biến đổi xung thành mã số, kết quả biến đổi được ghi vào

thanh ghi [2]. Trình tự biến đổi như sau:[2]

+ Biên độ tín hiệu vào VR0 R được so sánh với một điện áp tăng tuyến tính VRr.

+ Khi VRr Rđạt đến VR0 R thì xuất hiện một xung mở cổng. Độ rộng của xung này bằng thời gian

cần thiết để VRrR đạt giá trị VR0 R.

+ Trong thời gian cổng được mở, các xung tần số cao được đi qua cổng và được đếm bởi

máy đếm địa chỉ.

+ Số xung đếm này là NRc R tỉ lệ với biên độ tín hiệu VR0 R sẽ xác định địa chỉ của tín hiệu, tại

địa chỉ này số đếm sẽ tăng lên một đơn vị.

Với nhiều lượng tử gamma lần lượt được biến đổi như vậy, ta thu được một hình ảnh phân

bố xung theo biên độ xung, tức là một phổ gamma theo năng lượng mà detector hấp thụ

được [2].

 Khối phân tích biên độ đa kênh (MCA)

Máy phân tích biên độ đa kênh là hệ mà trong đó dãy năng lượng quan tâm được chia

thành nhiều kênh năng lượng, mỗi kênh là một cửa sổ năng lượng từ E Ri Rđến ERiR + ΔE. Kết

quả là ta có một hàm phân bố số đếm trong một cửa sổ ΔE với mỗi giá trị năng lượng là E RiR.

Máy phân tích đa kênh dựa trên cơ sở nguyên tắc biến đổi biên độ thành chuỗi số ADC [2].

Các khối chức năng cơ bản của một MCA là ADC và bộ nhớ. Khi một xung được

ADC chuyển từ tín hiệu biên độ sang dãy số, các sơ đồ kiểm tra của bộ nhớ sẽ tìm vị trí

trong thang địa chỉ tương ứng với dãy số và thêm một đơn vị vào vị trí đó. Như vậy một đơn

vị được ghi vào ô địa chỉ ứng với biên độ xung vào, và khối đếm thứ i sẽ ghi thêm một đơn

vị nếu xung vào có biên độ rơi vào kênh thứ i. Sau thời gian đo ta có thể biểu diễn kết quả

trên hệ trục tọa độ hai chiều: trục hoành là số kênh, trục tung là số đếm của từng kênh, tức là

ta có một phổ năng lượng của các bức xạ vào [2].

45B1.3.2.2 Các đặc trưng của detector bán dẫn Germanium

Hình 0.22.Sơ đồ nguyên tắc MCA [1]

 49BSo sánh hiệu suất của đầu dò loại n và loại p[7]

Hiệu suất đỉnh toàn phần thực (intrinsic full energy peak efficiency).

Hình 1.23.Hiệu suất năng lượng toàn phần thực của detector đồng trục (loại n) và đồng trục

đảo cực (loại p) [7].

Ở phần năng lượng dưới 120 keV thì đối với đầu dò loại n và loại p hiệu suất đỉnh

năng lượng toàn phần nội khác nhau: vì đây là vùng hiện tượng quang điện chiếm ưu thế,

loại n đạt hiệu suất gần 100%, tuy nhiên với loại p có bề dày tiếp xúc tốt hơn đã chận hầu

hết hiện tượng này cho nên sẽ có hiệu suất nhỏ hơn [7].

Ở khoảng giữa 120 keV và 1 MeV, hầu hết các tia gamma vẫn còn tương tác bên trong

đầu dò nhưng bây giờ một số sẽ tán xạ Compton và thoát ra hơn là đóng góp vào đỉnh năng

lượng toàn phần [7].

Ở năng lượng trên 1 MeV, một số đáng kể các tia gamma tới có thể đi qua đầu dò mà

không phải trải qua bất kì tương tác nào và hiệu suất đỉnh sẽ giảm xuống nhanh chóng [7].

Tại năng lượng liên kết lớp K của Germanium ở 11 keV đầu dò loại n có sự bất

thường. Đối với các năng lượng chỉ hơi cao hơn giá trị này tia gamma tới bị hấp thụ mạnh

mà không cần xâm nhập sâu hơn vào bên trong bề mặt đầu dò [7].

Nếu tia X đặc trưng của lớp K thoát ra bên ngoài, nó sẽ không đóng góp vào đỉnh năng

lượng toàn phần. Đối với các năng lượng tia gamma tới hơi thấp hơn, sự hấp thụ của lớp K

không có khả năng xảy ra và tương tác ở lớp L sẽ chiếm ưu thế. Bây giờ tia gamma tới sẽ

phải đi sâu vào trong đầu dò, đồng thời năng lượng của tia X huỳnh quang L sẽ thấp hơn,

dẫn tới sự giảm xác suất của việc thoát [7].

 50BĐộ phân giải năng lượng

Độ phân giải năng lượng cho biết khả năng mà detector có thể phân biệt các đỉnh có

năng lượng gần nhau trong phổ. Đại lượng này được xác định bằng bề rộng ở ½ độ cao của

các đỉnh hấp thụ toàn phần (FWHM). Độ phân giải năng lượng của detector bán dẫn HPGe

còn tùy thuộc loại detector, thể tích detector và năng lượng tia gamma [2].

Detector có độ phân giải năng lượng càng nhỏ thì có khả năng phân biệt càng tốt giữa

hai bức xạ có năng lượng gần nhau [2].

Độ phân giải của đầu dò Germanium khá tốt giúp:

 Nhận biết các đỉnh kề nhau.

 Ghi nhận được các nguồn yếu có năng lượng riêng biệt khi nó nằm chồng lên miền

liên tục.

 Tạo nên các đỉnh năng lượng hẹp và cao mà nó có thể nhô lên cao so với vùng nhiễu

thống kê của miền liên tục.

Hình 1.24. Phổ của nguồn phóng xạ Co-60 được đo bởi đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) và đầu

dò HPGe [8]

=> Các đầu dò Germanium có ưu điểm rõ nhất trong phân tích các phổ gamma có nhiều

đỉnh.

 51BTỉ số đỉnh/ Compton (P/T)

Đầu dò Ge có độ phân giải tốt đã cho ta dạng chính xác của phần diện tích dưới đỉnh,

tuy vậy phần đuôi ở phía năng lượng thấp có nhiều khác biệt, phần đuôi này có thể xuất hiện

do sự thu gom diện tích không hoàn toàn trong một số vùng của đầu dò, ảnh hưởng phông,

hoặc do các electron thứ cấp và bức xạ hãm (bremsstrahlung) trong vùng thể tích hoạt động.

Đặc trưng của phần đuôi của một đầu dò được khảo sát khi đưa ra tỉ lệ bề rộng toàn phần ở

một phần mười chiều cao (full width at one-tenth maximum – FW. 1M) và bề rộng một nửa

chiều cao (full width at half maximum – FWHM) của đỉnh năng lượng toàn phần, đầu dò tốt

có tỉ lệ này nhỏ hơn 2 [7].

Bên cạnh đó phần năng lượng của photon không được hấp thụ trong detector đã tạo ra

vùng tán xạ Compton trên phổ (lưng Compton trên phổ) và như vậy thì chỉ có một phần

năng lượng của nó được ghi. Tỉ số của đỉnh năng lượng toàn phần trên lưng Compton được

gọi là tỉ số đỉnh / Compton (peak-to-Compton hay P/C ratio). Đối với một đầu dò HPGe tiêu

biểu, tỉ số đỉnh / Compton thông thường nằm trong khoảng giữa 40:1 và 60:1 đối với đỉnh

năng lượng 1,33 MeV của Co-60. Các đầu dò có kích thước lớn có thể đạt được tỉ số đỉnh /

Compton gần 100:1 [7].

Để làm tăng tỉ số đỉnh Compton, người ta xây dựng hệ thống khử nhiễu Compton.

Trong hệ thống khử nhiễu Compton, tỉ số P/T có thể đạt 800:1, các kết quả này có thể làm

giảm phông đến thừa số 10 [8].

 52BHiệu suất của đầu dò Germanium siêu tinh khiết (HPGe)

Khái niệm hiệu suất

Khi photon tới đầu dò, tương tác với vật liệu đầu dò xảy ra theo một trong các hiệu

ứng sau : hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp, ... Trong đó, hiệu ứng

quang điện sẽ chuyển toàn bộ năng lượng toàn phần của photon cho đầu dò còn các hiệu

ứng khác chỉ chuyển một phần năng lượng của photon cho đầu dò [3].

Điều cần xác định là các đặc trưng của tia gamma cũng như các đặc trưng của nguồn

quan tâm. Các đặc trưng này có thể là năng lượng này có thể là năng lượng tia gamma hay

hoạt độ của nguồn, trong khi đó có cái mà ta thu được chỉ là các số đếm ghi nhận được từ

đầu dò (hay diện tích đỉnh năng lượng). Để có thể suy ngược từ các số đếm này ra hoạt độ

của nguồn cần biết hiệu suất ghi của đầu dò [3].

Bằng cách sử dụng các nguồn chuẩn (nguồn đã biết trước hoạt độ) chúng ta xây dựng

đường cong hiệu suất, và các vấn đề cần quan tâm như hoạt độ nguồn tại thời điểm hiện tại,

năng lượng nguồn,...được giải quyết [7]. Hiệu suất của đầu dò chịu ảnh hưởng của các nhân

tố sau [7] :

Kiểu đầu dò. 

Kích thước và dạng đầu dò. 

Khoảng cách từ đầu dò tới nguồn. 

Loại đồng vị phóng xạ và kiểu bức xạ được đo (alpha, beta, gamma và năng lượng 

của chúng).

Tán xạ ngược của bức xạ tới đầu dò. 

Sự hấp thụ bức xạ trước khi nó đến được đầu dò (bởi không khí và lớp vỏ bọc đầu 

dò).

Các loại hiệu suất

Chúng ta có thể chia hiệu suất của đầu dò thành các loại : hiệu suất tuyệt đối và hiệu

suất nội ; theo sự kiện ta có hiệu suất toàn phần và hiệu suất đỉnh [7].

 Hiệu suất tuyệt đối (absolute efficiency) là tỉ số giữa số các xung ghi nhận được và

số các lượng tử gamma phát ra bởi nguồn. Hiệu suất này phụ thuộc không chỉ vào tính chất

của đầu dò mà còn phụ thuộc vào bố trí hình học [7].

 Hiệu suất nội (intrinsic efficiency) là tỉ số giữa số các xung ghi nhận được và số các

lượng tử bức xạ đến đầu dò [7].

Đối với nguồn đẳng hướng, hai hiệu suất này liên hệ với nhau một cách đơn giản như

sau : εRintR = εRabsR. (4π / Ω) ; (Ω : góc khối được nhìn từ vị trí của nguồn) [7].

Ta thường sử dụng εRintR hơn là εRabsR vì sự phụ thuộc nhỏ hơn của nó vào hình học. Hiệu

suất nội của đầu dò chỉ phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu đầu dò, năng lượng bức xạ, độ dày

vật lí của đầu dò theo chiều của bức xạ tới và khoảng cách giữa nguồn với đầu dò [7]

 Hiệu suất toàn phần (total efficiency) ε Rtotal R: là hiệu suất trong trường hợp tất cả các

tương tác, không quan tâm đến năng lượng, biên độ đều xem như là được ghi nhận.

 Hiệu suất đỉnh (peak efficiency) ε Rpeak R: được tính cho những tương tác mà làm mất

toàn bộ năng lượng của bức xạ tới, không xét đến các ảnh hưởng phụ làm mất đi một phần

năng lượng bức xạ tới.

peak

total

 Tỉ số đỉnh – toàn phần (peak – total ratio) r [7]

(1.10)

Thường dùng ε Rpeak R hơn εRtotalR vì nó sẽ loại bỏ được các hiện tượng gây ra do các hiệu

ứng nhiễu chẳng hạn như tán xạ từ các vật thể xung quanh hay nhiễu loạn.Do đó hiệu suất

đỉnh nội (intrinsic peak efficiency) là hiệu suất có nhiều ưu điểm sử dụng nhất.

Có nhiều loại hiệu suất và các khó khăn của nó khi xác định vì vậy các nhà sản xuất

đầu dò đã đưa ra cách mô tả hiệu suất đỉnh tương đối so với hiệu suất đỉnh của tinh thể nhấp

P với khoảng cách đo là 25 cm để xác định hiệu suất. Tuy vậy, chỉ có diện tích đỉnh

nháy NaI(Tl) kích thước 3’’x 3’’. Thường sử dụng đỉnh quang điện 1,333 MeV từ nguồn

CoP

quang điện của Germanium có thể được đo trực tiếp, còn giá trị hiệu suất của đầu dò

-3 đỉnh tuyệt đối có giá trị 1,2x10P

P[7].

NaI(Tl) được tính bằng cách sử dụng một nguồn chuẩn và bằng cách giả sử một hiệu suất

Hiệu suất ghi đỉnh quang điện cũng là một chỉ tiêu quan trọng của detector, đặc biệt là

những phép đo hoạt độ nhỏ. Hiệu suất ghi này phụ thuộc loại detector, thể tích detector và

năng lượng tia gamma. Hiệu suất ghi đỉnh quang điện được tính bằng tỉ số giữa số đếm của

đỉnh hấp thụ quang điện mà detector ghi nhận được so với số tia gamma do nguồn phát ra

theo mọi phương.

Tỉ lệ hiệu suất tương đối của đầu dò Germanium siêu tinh khiết khi chúng được giới

thiệu lần đầu tiên trong thập kỉ 60 là vài phần trăm nhưng bây giờ đã lên tới 200% đối với

đầu dò lớn nhất hiện nay. Những phát triển trong tương lai chẳng hạn như các kĩ thuật chế

tạo tinh thể vẫn đang được tiếp tục nhằm tạo ra những đầu dò có hiệu suất cao hơn nữa [7].

Đường cong hiệu suất

Khi hiệu suất của đầu dò được đo ở nhiều năng lượng bằng cách sử dụng nguồn chuẩn,

ta nhận thấy cần phải làm khớp nó thành một đường cong từ các điểm này để có thể mô tả

hiệu suất toàn vùng năng lượng mà ta quan tâm. Đối với mỗi loại cấu hình đầu dò chúng ta

có những dạng đường cong hiệu suất khác nhau.[3]

Đầu dò trong luận văn này là loại đầu dò đồng trục trong khoảng năng lượng từ 50keV

đến 2MeV. Người ta sử dụng công thức tuyến tính thể hiện mối tương quan giữa logarit của

hiệu suất và logarit của năng lượng. [3]

Các dạng đường cong hiệu suất theo năng lượng: [3]

 Đường cong hiệu suất kép

Trong phân tích phổ gamma, một số phần mềm của hãng Canberra mô tả hiệu suất bởi một

b ln E

( ) ε =

(

)

∑

 

 

= i 0

hàm đa thức có dạng:

(1.11)

trong đó: bRiR là hệ số được xác định bằng việc làm khớp.

ε là hiệu suất đỉnh ở năng lượng E.

E là năng lượng

Chúng ta gọi là đường cong hiệu suất kép vì tồn tại hai đường cong một cho vùng năng

lượng thấp và một cho vùng năng lượng cao.

log

( ) ε =

∑

1 E

  

  

= i 0

 Đường cong hiệu suất tuyến tính

(1.12)

trong đó: aRiR là hệ số được xác định từ việc làm khớp.

ε là hiệu suất đỉnh ở năng lượng E.

E là năng lượng đỉnh.

( ) ε =

∑

c a E

= i 0

  

  

 c ln  i 

  

 Đường cong hiệu suất theo kinh nghiệm

(1.13)

Với cRiR, E, ε lần lượt là hệ số có được từ việc làm khớp, năng lượng đỉnh, hiệu suất đỉnh ở

năng lượng E tương ứng, c Ra R là hệ số được tính bởi (ER1 R+E R2 R)/2, ER2 Rlà năng lượng chuẩn hoá

lớn nhất và ER1 Rlà năng lượng chuẩn hoá nhỏ nhất.

Từ các số liệu về hiệu suất được làm khớp theo một trong các dạng đường cong nêu trên.

Khi đó ngoại suy giá trị hiệu suất cần quan tâm [3].

 53BDạng của đỉnh

Dạng chi tiết của các đỉnh quan sát được trong phổ Germanium là quan trọng nếu diện tích

dưới đỉnh được đo một cách chính xác [8].

Hình 1.25.Các dạng của đỉnh theo thực nghiệm và mô phỏng

Hầu hết các sự làm khớp thực của dạng đỉnh sử dụng dạng sửa đổi của phân bố Gauss

cho phép thể hiện phần đuôi ở phía năng lượng thấp của phân bố. Phần đuôi có thể xuất hiện

do nhiều hiệu ứng vật lí, bao gồm sự thu gom điện tích không hoàn hảo trong một số vùng

của detector, hay do các electron thứ cấp và bức xạ Bremmstrahlung trong vùng thể tích

hoạt động. Sự khác biệt giữa đuôi ngắn và đuôi dài trong cấu hình là đuôi ngắn có nhiều

hiệu ứng quan trọng hơn trên cạnh của đỉnh gần đáy của nó, trong khi đuôi dài thường có

thể được xem như là phần đóng góp thêm vào của phông nền [8].

Một phương pháp để chỉ ra đặc trưng của phần đuôi của một detector đặc trưng là đưa

ra bề rộng toàn phần ở một phần mười chiều cao (Full Width at One- tenth Maximum –

FW.1M) của đỉnh năng lượng toàn phần, bên cạnh đại lượng thường được sử dụng là bề

rộng toàn phần ở một nửa chiều cao (Full Width at Half Maximum – FWHM). Đối với các

detector có chất lượng tốt với đuôi nhỏ, FW.1M sẽ nhỏ hơn hai lần FWHM (tỉ lệ FW.1M /

FWHM đối với đỉnh dạng Gauss thuần túy là 1,823) một chỉ số khác cũng thường được sử

dụng là tỉ lệ của bề rộng toàn phần ở 1/50 chiều cao trên FWHM thông thường được đo ở

1,333 MeV. Các detector Germanium tốt có giá trị của tỉ lệ này nằm giữa 2,5 và 3,0 (tỉ lệ

46B1.3.2.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất detector

này là 2,376 của dạng Gauss thuần túy) [8].

 54BYếu tố hình học và hiện tượng tự hấp thụ

Yếu tố hình học gây ảnh hưởng đến hiệu suất detector bởi hình dạng của hộp đựng

mẫu. Ta có thể bỏ qua yếu tố này nếu hộp đựng mẫu chuẩn và mẫu đo như nhau [1].

Tại một khoảng cách từ nguồn đến đầu dò cố định, sự phân bố vật liệu phóng xạ bên

trong thể tích khác với việc tập trung nó trong một nguồn điểm làm giảm cường độ tia

gamma đến đầu dò. Với một nguồn điểm việc tính toán góc khối tới đầu dò giúp xác định

cường độ tia gamma đến là dễ dàng. Đối với các nguồn có kích thước, sự tính toán góc khối

hiệu dụng là phức tạp vì mỗi điểm bên trong nguồn đều có một ảnh hưởng khác nhau đối

với đầu dò và do vậy sẽ đóng góp vào cường độ tia gamma toàn phần với các mức độ khác

nhau. Tuy nhiên đây là một việc rất khó nếu phải bao gồm một số lớn các hình học khác

nhau và sẽ rất khó nếu như không có các nguồn chuẩn thích hợp [1].

Đối với nguồn thể tích hay mẫu đo môi trường thì một số tia gamma phát ra bị mất

một phần hay toàn bộ năng lượng của chúng trong nguồn (mẫu) trước khi rời khỏi nguồn

(hộp đựng mẫu). Kết quả này làm giảm bớt số tia gamma được ghi nhận bởi detector. Ảnh

hưởng này gọi là sự tự suy giảm hay sự tự hấp thụ [3].

Hiện tượng tự hấp thụ xảy ra khi tia gamma bị hấp thụ trong thể tích của mẫu. Mức độ

tự hấp thụ phụ thuộc vào hình học (bề dày, thể tích mẫu) và matrix (thành phần) của mẫu.

Để hiệu chỉnh ta có thể dùng phương pháp sau đây:[1]

 Dùng các dung dịch mẫu chuẩn đặt trong các hộp có dạng hình học như nhau nhưng

chiều cao khác nhau.

 Xác định hiệu suất ε tương ứng với các mẫu ứng với các chiều cao h đó.

−

(h)

− α + µ

− 1 e β + µ

 f 1 e  h 

   (1.14)

 Xác định các hệ số làm khớp α, β, f trong phương trình làm khớp ε(h) sau đây:

Với µ là hệ số hấp thụ tuyến tính của mẫu chuẩn. Khi đo mẫu khác thì ta chỉ cần thay

µ bằng µRxR của mẫu cần đo [1].

 55BẢnh hưởng do khoảng cách của nguồn và đầu dò

Cường độ phát ra từ tia gamma phát ra từ một nguồn sẽ giảm theo khoảng cách tương

ứng với quy luật nghịch đảo bình phương. Ta không thể đo trực tiếp khoảng cách thực sự từ

nguồn đến bề mặt hoạt động của đầu dò. Bởi vì sự hấp thụ toàn phần của các tia gamma

thường bao gồm cả tán xạ nhiều lần bên trong đầu dò, điểm tương ứng khoảng cách zero

phải ở đâu đó bên trong đầu dò. Điểm này có thể suy ra bằng thực nghiệm [3].

 56BHiệu ứng trùng phùng tổng

Hiệu ứng này là do hai hay nhiều tia gamma sinh ra trong quá trình dịch chuyển từ các

trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản của hạt nhân. Hình bên dưới cho thấy hiệu ứng

PCo.

trùng phùng tổng trong khi đo nguồn P

Hình 1.26.Sự hình thành đỉnh tổng phổ gamma của Co-60

Hai tia gamma phát ra từ nguồn này xuất hiện trong khoảng thời gian cách nhau rất

nhỏ nên detector ghi nhận như một tia gamma có năng lượng bằng tổng năng lượng hai tia

riêng biệt. Khi đó, hiệu suất ghi 2 tia riêng biệt giảmđi và trên phổ xuất hiện thêm một đỉnh

ứng với năng lượng tổng.

 57BẢnh hưởng của hiệu ứng trùng phùng ngẫu nhiên

Trong quá trình xử lí xung tín hiệu của đầu dò, khi nguồn có hoạt độ cao sẽ có hiện

tượng trùng phùng ngẫu nhiên xảy ra. Một xung được tính trong một tổng bất cứ khi nào nó

không đi được trước hay theo sau một xung khác trong một khoảng thời gian cố định.

Khoảng thời gian t này là thời gian phân giải của hệ điện tử [3].

59BHai yếu tố chính của hệ điện tử thường hay ảnh hưởng đến hiệu suất của detector là

 58BHệ điện tử

thời gian chết và pile-up [3].

 Thời gian chết (dead time) là khoảng thời gian nhỏ nhất mà phải được chia ra giữa

hai sự kiện để đảm bảo rằng chúng được ghi nhận từ hai xung riêng biệt.

 Pile-up (hay tổng ngẫu nhiên) là hiện tượng mà xung khuếch đại của hai sự kiện liên

tục có thể bị chồng lên nhau và tạo ra một xung duy nhất ở ngõ ra [3].

Hai hiệu ứng này dẫn đến hiện tượng mất số đếm ở đỉnh năng lượng toàn phần. Độ lớn

của những sự mất mát này tăng cùng với sự tăng của tốc độ đếm nhưng không phụ thuộc

vào khoảng cách nguồn đến detector hay sơ đồ phân rã. Đối với việc đo định lượng tốc độ

phát của photon thì cần thiết phải xác định xem những mất mát đó có thể bỏ qua được hay

không và nếu không thì phải hiệu chỉnh chúng một cách hợp lí [3].

 60BHiệu chỉnh phân rã phóng xạ

Hoạt độ của các nguồn chuẩn phải được hiệu chỉnh phân rã về cùng một thời gian

ln 2 T 1/2

  

  

R e t

thông qua phương trình phân rã thông thường: [3]

(1.15)

Với RRtR và RR0 R là tốc độ phân rã tại thời điểm t và tại thời gian tham chiếu và T R1/2 R là chu

kì bán rã của hạt nhân.

Để hiệu chỉnh sự rã trong thời gian đo thì RRtR phải được tính như sau:[3]

λ∆ t 1 e−λ∆ −

(1.16)

Với λ là hằng số phân rã, RRtR là hoạt độ ở thời điểm bắt đầu đo và RRM Rlà hoạt độ được đo, ΔRtR

11B1.4 Nhận xét

là thời gian đo toàn phần.

Trong chương này, chúng tôi đã trình bày tổng quan về bức xạ hạt nhân, tình hình

nghiên cứu phông phóng xạ tự nhiên ở thế giới và Việt nam, giới thiệu các thành phần chính

trong hệ phổ kế gamma và các phương pháp xử lí phổ gamma, các khái niệm cơ bản về hiệu

suất, các loại hiệu suất, các đặc trưng của detector bán dẫn Germanium,... Ngoài ra, còn có

các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của detector trong số đó có thể loại trừ bằng thực

nghiệm như sự khác biệt của các dạng hình học nguồn, mật độ nguồn, trùng phùng ngẫu

nhiên, sự tự hấp thụ và hệ điện tử,... Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật hiện nay thì

việc xác định hoạt độ phóng xạ của mẫu môi trường có rất nhiều phương pháp khác nhau.

Phương pháp nào cho chúng ta kết quả tối ưu nhất, phù hợp với mẫu cần đo nhất sẽ được

trình bày ở chương 2: “Cơ sở thực nghiệm”.

4BCHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM

12B2.1 Các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường

Trong xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường có hai phương pháp thường được sử

dụng

 Phương pháp tương đối: mẫu cần đo được đo cùng dạng hình học với mẫu chuẩn. Tỉ

số của diện tích đỉnh tương ứng với nguyên tố quan tâm trong hai phổ dùng để tính hoạt độ

phóng xạ.

 Phương pháp tuyệt đối: dùng đường cong hiệu suất để xác định trực tiếp hoạt độ

phóng xạ.[1]

Mục đích của việc phân tích phổ gamma của các mẫu môi trường là để xác định hoạt độ

riêng của các nhân phóng xạ phát ra tia gamma và độ bất định của kết quả. Phương pháp này

thường được áp dụng cho các mẫu môi trường. Các phép đo phổ gamma gần đây được xem

là phương pháp phân tích đa nhân chủ yếu dựa vào việc sử dụng detector bán dẫn có độ phân

giải cao như detector phẳng, đồng trục hoặc giếng [9].

Phương pháp xác định hoạt độ riêng bằng phép đo phổ gamma gồm các bước sau:

 Chuẩn bị mẫu chuẩn và mẫu đo

 Xử lí số liệu

 Báo cáo kết quả

Quá trình này cũng có thể áp dụng cho các mẫu khác như mẫu sinh học, mẫu kim loại,

mẫu lỏng, …[9]

Hoạt độ riêng của nhân phóng xạ phát gamma có trong mẫu được tính theo công thức

N ε .I .m γ

1 5 = i 1

(2.1)

5 =Π i 1

K K K K K K 2

là tích của các hệ số hiệu chỉnh. Với :

N là diện tích đỉnh thực được hiệu chỉnh từ đỉnh năng lượng quan tâm và được cho bởi

−

= N N

công thức :

t t

(2.2)

trong đó:

 NRS R là diện tích đỉnh thực trong phổ của mẫu đo.

 NRb R là diện tích đỉnh thực tương ứng trong phổ của phông.

ε là hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng quan tâm. 

 IRγ R là xác suất phát tia gamma tại đỉnh năng lượng quan tâm.

 tRsR (s) là thời gian đo mẫu.

 tRb R (s) là thời gian đo phông.

 m (kg) là khối lượng mẫu.

KR1 R là hệ số hiệu chỉnh sự phân rã phóng xạ từ lúc mẫu được tạo ra đến khi bắt đầu đo

= K exp

[9].

× ∆ ln 2 t T R

 − 

  

(2.3)

vớiΔt là thời gian từ lúc mẫu được tạo ra đến lúc bắt đầu đo và TRRR là thời gian bán rã

của nhân phóng xạ. Nếu Δt TRRR thì KR1 R=1.

−

KR2 R là hệ số hiệu chỉnh phân rã phóng xạ trong khi đo [9]. ≪

T R × ln 2 t

ln 2 t T R

  

×  

 1 exp  

  

(2.4)

với t là thời gian đo mẫu. Nếu t TRRR thì KR2 R=1.

KR3 R là hệ số hiệu chỉnh sự tự suy giảm trong mẫu đo so với mẫu chuẩn. Nếu matrix của ≪

mẫu chuẩn và mẫu đo giống nhau thì KR3 R=1 [9].

− exp( 2R )

τ (2.5)

KR4 R là hệ số hiệu chỉnh đối với sự mất mát xung do lấy tổng ngẫu nhiên

với τ là độ phân giải thời gian của hệ đo và R là tốc độ đếm trung bình. Đối với tốc độ đếm

chậm, hệ số hiệu chỉnh này được lấy là 1.[9]

KR5 R là hệ số hiệu chỉnh trùng phùng cho nhân phân rã xuyên qua tầng phát photon liên

tiếp. Nếu nhân không phát gamma theo dạng tầng thì KR5 R= 1. Cũng như nếu mẫu chuẩn và

mẫu đo chứa cùng nhân phóng xạ thì không cần có sự hiệu chỉnh này (K R5 R= 1). Hệ số hiệu

chỉnh KR5 R đối với năng lượng E của nhân phóng xạ phát phóng xạ thành tầng được định

nghĩa là tỉ số giữa hiệu suất biểu kiến εRp R(E) và hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ε(E) tại

cùng một đỉnh năng lượng có được từ đường cong năng lượng đo với nhân phát photon

(E)

đơn:[9]

p ε (E)

(2.6)

KR5 R phụ thuộc vào sơ đồ phân rã phóng xạ, hình học, thành phần mẫu và thông số của

29B2.1.1 Phương pháp tương đối

detector.

Một trong những ưu điểm của phương pháp tương đối là không cần phải có những số

liệu hạt nhân và thông số thực nghiệm như trong phương pháp tuyệt đối. Do đó, công việc

trở nên đơn giản hơn và sai số phân tích chủ yếu phụ thuộc vào sai số của hàm lượng mẫu

chuẩn và sai số thống kê. Các nguồn sai số này có thể giảm hoặc khống chế được. Cần sử

dụng các mẫu chuẩn giống với mẫu phân tích về hàm lượng, về chất nền và sự phân bố

ε I t m γ s

5 = i 1

đồng đều của các nguyên tố ở trong mẫu để tăng độ chính xác.

A m A

N Π ε I t m γ s

5 = i 1

   

   

   

   

(2.7)

Do các mẫu đo được đem đo ở cùng hệ phổ kế gamma nên ε RmR = εRcR, KR4mR = K R4c R. Số đếm

được tính tại đỉnh năng lượng của cùng một đồng vị nên IRγm R = IRγc R. Nếu đồng vị mà chúng ta

quan tâm có chu kì bán rã lớn trong khi thời gian đo mẫu nhỏ (thường khoảng vài ngày), khi

đó xem như K R1m R = K R1c R = 1 và K R2mR = KR2cR = 1. Ngoài ra, mẫu chuẩn và mẫu đo có chứa cùng

một nhân phóng xạ nên KR5mR = KR5cR = 1.[9]

Từ đó chúng ta có công thức tính hoạt độ đồng vị phóng xạ theo phương pháp tương

đối như sau:

N t m m c N t m c m m

(2.8)

trong đó:

 ARm R, ARcR là hoạt độ đồng vị phóng xạ của mẫu đo và mẫu chuẩn.

 NRm R, NRcR là số đếm đã trừ phông của mẫu đo và mẫu chuẩn tại đỉnh năng lượng của

đồng vị cần phân tích.

 mRm R, mRc Rlà khối lượng của mẫu đo và mẫu chuẩn.

 tRm R, tRc Rlà thời gian đo mẫu đo và mẫu chuẩn.

Phương pháp tương đối cho kết quả chính xác cao nhưng việc làm mẫu chuẩn đòi hỏi

mất nhiều thời gian và công sức. Và càng khó khăn, tốn kém hơn khi phải chuẩn bị một loạt

những mẫu chuẩn với những hoạt độ xác định để đo kèm với mẫu cần xác định hoạt độ. Do

đó, nếu trong một phạm vi sai số cho phép thì phương pháp tuyệt đối - tính hoạt độ dựa vào

30B2.1.2 Phương pháp tuyệt đối

đường cong hiệu suất - là một phương pháp tương đối hiệu quả, kinh tế và dễ thực hiện [9].

Đây chính là phương pháp được chúng tôi sử dụng trong luận văn. Trong phương pháp

này, việc xác định hoạt độ chủ yếu dựa vào hiệu suất bức xạ phát ra từ mẫu chuẩn của

detector. Hoạt độcủa đồng vị phóng xạ cần phân tích tại thời điểm đo mẫu được xác định

theo công thức sau:

N (E)I tγ

(2.9)

trong đó:

 A: hoạt độ (Bq).

 N: diện tích (số đếm) đối với đỉnh năng lượng E.

 εR(E) R: hiệu suất của detector tại đỉnh năng lượng E.

t : thời gian đo mẫu (s). 

IRγ R : hiệu suất phát gamma tại đỉnh năng lượng E. 

Việc xác định sai số được thực hiện bằng cách áp dụng công thức tính sai số như

∆ =

A A

sau:[9]

∆ N N

∆ε ∆ t + ε t

∆ m m

   

∆ I γ   

(2.10)

Đối với phương pháp này, chúng ta phải xác định hiệu suất ghi của detector (ε)đối với

từng hình học mẫu nhất định. Việc xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng trong luận văn

này được chúng tôi tiến hành bằng cách sử dụng mẫu chuẩn RGU-1 có các đồng vị phát ra

các đỉnh năng lượng trong phạm vi năng lượng từ 46,54keV đến 1847,42keV.[9]

13B2.2 Phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất ghi của detector đối với mẫu dạng hình trụ

Trong luận văn này, do cần phân tích nhiều đồng vị phóng xạ có trong mẫu, việc sử

dụng phương pháp tương đối mặc dù cho kết quả tốt hơn như đã đề cập ở trên nhưng lại cần

rất nhiều mẫu chuẩn. Do vậy để xác định hoạt độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ có

trong mẫu Moss-soil, chúng tôi sử dụng phương pháp tuyệt đối. Nội dung của phương pháp

đã được trình bày trong mục 2.1.2.

Việc ghi nhận phổ năng lượng được tiến hành bằng chương trình ghi nhận phổ

Maestro-32, việc xác định diện tích đỉnh bằng chương trình Genie-2000 (sẽ được trình bày ở

chương3).Thời gian đo mẫu là 259200s (3 ngày).

Như vậy, trong công thức tính hoạt độ phóng xạ, ngoại trừ phải xác định hiệu suất ghi

nhận của detector, các đại lượng còn lại đều có thể thu thập được từ chương trình ghi nhận

và xử lí phổ.

Nhiệm vụ tiếp theo là xây dựng hàm hiệu suất ghi nhận của detector theo năng lượng

ứng với mẫu có dạng hình trụ (dạng hình học này không thay đổi trong suốt quá trình thực

nghiệm). Nhiều công trình trước đây đã chỉ ra rằng hiệu suất ghi nhận của detector phụ

thuộc chủ yếu vào hai yếu tố: năng lượng và hình học đo.

Trong luận văn này chúng tôi sử dụng một hình học mẫu dạng trụ và tiến hành xây

dựng đường cong hiệu suất theo năng lượng.Việc xây dựng đường cong hiệu suất theo năng

lượng được tiến hành qua các bước sau:

 Bằng thực nghiệm, sử dụng hệ phổ kế gamma phông thấp để xác định hiệu suất ghi

của detector đối với các đỉnh năng lượng có trong mẫu chuẩn RGU-1 (từ 46,54 keV đến

1847,42 keV).

 Từ các số liệu về hiệu suất ghi của detector, tiến hành làm khớp bộ số liệu đo được

bằng chương trình khớp hàm EEFGIE với hàm làm khớp sau:

(

)

( lg E

( a lg E 1

 

 

  4

lg(E)

  [

(2.11)

) ]

]

[

]

[ a lg(E) 3

[ a lg(E) 5

trong đó :

aR0 R, aR1 R, aR2 R, aR3 R, aR4 R, aR5 R, aR6 R: hệ số của hàm làm khớp

E(keV) : Năng lượng

Sau khi đã có được hàm khớp, việc tính toán hiệu suất ghi của các đỉnh năng lượng

của các đồng vị trong mẫu Moss-soil phát ra được tính bằng cách thay từng giá trị năng

lượng vào sẽ được hiệu suất ghi nhận của detector tương ứng.

Cũng cần nói thêm rằng, việc chọn hàm khớp thông thường là hàm lô-ga-rít nê-pe

(Ln). Tuy nhiên do chương trình EFFGIE mà chúng tôi sử dụng hàm lô-ga-rít cơ số mười

nên chúng tôi chọn hàm như ở phương trình (2.11). Việc chọn hàm khớp lô-ga-rít nê-pe hay

lô-ga-rít cơ số mười không làm ảnh hưởng đến kết quả của việc xây dựng đường cong hiệu

suất thực nghiệm.

Khi đã có các giá trị hiệu suất ghi nhận của detectorđối với các đỉnh năng lượng phát

ra từ mẫu Moss-soil và các giá trị N, IRγR, t chúng tôi tính được hoạt độ phóng xạ (Bq) của các

(2.12)

A m

đồng vị có mặt trong mẫu Moss-soil. Hoạt độ phóng xạ riêng (ARmR) được tính như sau:

trong đó:

 A: hoạt độ phóng xạ (Bq)

14B2.3 Thực nghiệm

31B2.3.1 Chuẩn bị mẫu chuẩn

 m: khối lượng mẫu (kg)

Mẫu RGU-1 (mẫu đất) được chúng tôi chọn làm mẫu chuẩn trong việc xây dựng

đường cong hiệu suất do trong mẫu này gồm nhiều đồng vị phát ra nhiều đỉnh năng lượng từ

46,54keV đến 1847,42keV đáp ứng đủ cho việc phân tích hoạt độ các đồng vị phóng xạ có

trong mẫu Moss-soil. Mẫu RGU-1 được đóng vào hộp nhựa dạng trụ với kích thước như

m m 7 4

75mm

hình 2.1 bên dưới.

Hình 2.1. Mô hình hộp đựng mẫu chuẩn RGU-1 và mẫu Moss-soil [5], [12]

Bảng 2.1 bên dưới trình bày các thông tin về mẫu RGU-1. Đây là mẫu được cung cấp bởi

IAEA với các thông tin được chứng thực trong [13].

Bảng 2.1. Thông tin về hoạt độ phóng xạ (Bq/kg) của mẫu RGU-1

Hoạt độ phóng xạ (Bq/kg) Mật độ mẫu chuẩn Đồng vị phóng xạ

3 RGU-1 (g/cmP

238

của mẫu RGU-1

235

4910 – 4970

232

PTh

228 1464 < 4,0

32B2.3.2 Chuẩn bị mẫu đo

< 0,63

Mục đích của luận văn này là xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu

Moss-soil. Mẫu Moss-soil được lấy tại địa điểm ở hình 2.2.

Hình 2.2.Địa điểm lấy mẫu Moss -soil

Mẫu Moss-soil được cơ quan năng lượng nguyên tử quốctế IAEA gửi cho 300 phòng

thí nghiệm trên toàn thế giới trong đó có phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân của trường Đại

Học Khoa học Tự nhiên. Việc xác định hoạt độ này được kết hợp giữa hai phòng thí nghiệm

vật lí hạt nhân của trường Đại Học Sư phạm Tp.HCM và trường Đại học Khoa học Tự

nhiên Tp.HCM.

Mẫu Moss-soil được đóng vào hộp có cùng kích thước với hộp đựng mẫu chuẩn với

15B2.4 Phương pháp đo

33B2.4.1 Cách đo

khối lượng là 145 g.

Việc xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss-soil được thực hiện

qua các bước sau: [2]

 Đo phổ của phông tự nhiên trong thời gian 3 ngày (259200s). Phổ phông gây bởi các

nguyên nhân khác nhau:

Tia vũ trụ gây ra các phản ứng hạt nhân trên khí quyển.

210

Các tia gamma do các họ phóng xạ tự nhiên phát ra.

PPb phát ra

Các chất phóng xạ có sẵn trong buồng chì che chắn detector (như P

o o o tia X đặc trưng).

 Đo phổ mẫu chuẩn.

 Đo phổ của mẫu Moss-soil cần đo (chú ý điều kiện hình học như khi đo mẫu chuẩn).

34B2.4.2 Hệ phổ kế gamma

 Xác định diện tích các đỉnh tương ứng bằng chương trình Genie-2000.

Hệ phổ kế gamma sử dụng trong luận văn này là hệ phổ kế gamma phông thấp thuộc

phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân trường Đại học Sư phạm Tp.HCM. Đầu dò được dùng ở

đây là loại đầu dò HPGe GEM 15P4 của hãng ORTEC cùng với thiết bị như tiền khuếch

đại, khuếch đại, bộ biến đổi tương tự xung thành số, máy phân tích biên độ đa kênh, máy

tính và buồng chì che chắn phông môi trường ảnh hưởng lên đầu dò và nguồn [3].

Hệ điện tử MCA Buồng chì

Đầu dò bên trong buồng chì

Bình làm lạnh

Hình 2.3.Hệ phổ kế gamma phông thấp của Trường Đại học Sư Phạm Tp.HCM [3]

Thông số kỹ thuật : hệ phổ kế gamma phông thấp (sử dụng detector đồng trục loại p).

[2]

 Model detector : GEM 15P4

 Hiệu suất ghi : 15%

 Độ phân giải tại 1,33 MeV của Co-60 : 1,8 KeV

 Tỉ số đỉnh/ Compton : 50 :1

 Phần mềm thu nhận và xử lí phổ : Maestro – 32

 Đường kính detector : 5,12 cm

 Chiều dài detector : 45 cm

16B2.5 Xử lí phổ

 Lớp nhôm : 1,27 mm

Trong quá trình xử lí phổ chúng ta cần chú ý đến phông và đỉnh bức xạ ghi nhận được.

 Phông tại đỉnh: Mỗi đỉnh phổ đều có sự đóng góp tại đỉnh đó. Do đó khi tính toán

để thu được kết quả chính xác về diện tích đỉnh, chúng ta cần phải trừ phông.

 Diện tích đỉnh: Phổ gamma đặc trưng thu được trên hệ MCA có dạng phân bố

Gauss, tổng số đếm các kênh nằm trong giới hạn của đỉnh phổ Gauss được gọi là diện tích

đỉnh phổ.

Trong quá trình đo chúng tôi sử dụng hai chương trình xử lí phổ Gamma đó là phần

mềm xử lí phổ Maestro – 32 của trường Đại học Sư phạm Tp.HCM và phần mềm xử lí phổ

Genie – 2000.[9]

 Chương trình thu nhận phổ Maestro – 32

Maestro-32 là một chương trình thu nhận và xử lí phổ đo gamma đi kèm với hệ phổ kế

gamma của hãng ORTEC. Giao diện chính của chương trình như trong hình sau:

Hình 2.4. Thu nhận phổ bằng chương trình Maestro-32

 Chương trình xử lí phổ Genie – 2000

Hình 2.5. Xử lí phổ bằng phần mềm Genie – 2000

Thực tế việc tiến hành xử lí phổ gamma thu được cũng có thể thực hiện bằng chương

trình Maestro – 32. Tuy nhiên, để thuận tiện trong việc xử lí trong quá trình xử lí phổchúng

tôi lựa chọn chương trình Genie – 2000.

 Một số phổ thực nghiệm được vẽ bằng chương trình Winplots

Hình 2.6. Phổ Moss-Soil đo trong 3 ngày

Hình 2.7. Phổ phông đo trong 3 ngày

Sau khi đã thu nhận phổ gamma của mẫu Moss-soil, chúng tôi tiến hành trừ phông trực

tiếp trong Genie-2000 (Đây cũng là điểm thuận lợi của Genie – 2000). Việc trừ phông sẽ lấy

theo tỉ lệ thời gian đo phông và thời gian đo mẫu. Ở đây, thời gian đo mẫu cùng với thời

gian đo phông đều là 3 ngày (259200s) do vậy hệ số tỉ lệ được chọn bằng một.

Thời gian đo mẫu = Thời gian đo phông (t=259200s) nên tỉ lệ của việc trừ phông là 1

Hình 2.8. Cách chọn tỉ lệ khi trừ phông

17B2.6 Nhận xét

Trong chương này đã trình bày hai phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ của mẫu

môi trường là phương pháp tuyệt đối và phương pháp tương đối, cách chuẩn bị mẫu chuẩn

và mẫu Moss-soil, phương pháp đo, ... Đồng thời, chúng tôi đã tìm hiểu thông tin về hệ phổ

kế gamma phông thấp được sử dụng trong luận văn. Sau khi xác định được phương pháp đo,

phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ, xác định phổ, xử lí phổ, xác định hiệu suất ghi

nhận của detector và xây dựng đường cong hiệu suất cho việc xác định hoạt độ phóng xạ

của mẫu Moss-soilthì việc so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả của cơ quan năng lượng

quốc tế IAEA sẽ được trình bày ở chương 3: Kết quả và thảo luận.

5BCHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

18B3.1 Hiệu suất ghi nhận của detector đối với mẫu khối dạng hình trụ

Mẫu chuẩn RGU – 1 với năng lượng của các đỉnh năng lượng phát ra trong phạm vi từ

46,54 keV đến 1847,42 keV. Ứng với mỗi giá trị năng lượng sẽ có hiệu suất ghi tương ứng.

Các giá trị về hiệu suất ghi nhận của detector đối với các đỉnh năng lượng phát ra trong mẫu

RGU – 1 được thể hiện trong bảng 3.1.

Bảng 3.1. Giá trị hiệu suất của detector tại các đỉnh năng lượng từ 46,54 keV đến 1847,42

keV của mẫu chuẩn RGU-1.

Năng lượng E (keV) Hiệu suất ghi ԑ Sai số của hiệu suất ghi

46,54 0,00219 5,62E-05

63,31 0,01460 3,40E-04

92,58 0,03540 0,00222

186,1 0,03710 3,10E-04

242,00 0,02970 2,08E-04

295,22 0,02510 1,61E-04

338,32 0,02250 7,31E-04

351,93 0,02170 1,39E-04

463,10 0,01510 4,90E-04

583,19 0,01200 3,53E-04

609,31 0,01160 8,54E-05

727,33 0,01130 3,75E-04

768,36 0,01030 8,28E-05

860,56 0,00910 3,28E-04

911,20 0,00902 2,87E-04

968,97 0,00840 2,83E-04

1120,29 0,00685 4,68E-05

1238,11 0,00635 5,13E-05

1377,67 0,00648 5,69E-05

1460,82 0,00575 1,75E-04

1764,49 0,00506 3,72E-05

1847,42 0,00508 5,99E-05

Từ kết quả có được trong bảng 3.1, chúng tôi xây dựng hàm làm khớp theo công

thức (2.11). Sử dụng chương trình EFFGIE, chúng tôi tính được các hệ số làm khớp aR0 R, aR1 R,

aR2 R, aR3 R, aR4 R, aR5 R, aR6 R. Kết quả được chỉ ra trong bảng 3.2.

Bảng 3.2. Giá trị các hệ số làm khớp aR0 R, aR1 R, aR2 R, aR3 R, aR4 R, aR5 R, aR6 R.

Hệ số làm khớp Giá trị

– 512,104511261 aR0

1147,367202760 aR1

– 1074,984977720 aR2

537,917274475 aR3

– 151,554698944 aR4

22,764956117 aR5

– 1,422452770 aR6

Hình 3.8 bên dưới trình bày các giá trị thực nghiệm và đường cong hiệu suất mà ta vừa xây

dựng được.

Hình 3.1. Đường cong hiệu suất

Với các hệ số khớp aR0 R, aR1 R, aR2 R, aR3 R, aR4 R, aR5 R, aR6 R ở bảng 3.2 và phương trình 2.11,chúng tôi

tính hiệu suất ghi nhận của detector đối với các đỉnh năng lượng có phát ra từ mẫu Moss-

soil. Kết quả được thể hiện trong bảng 3.3.

Bảng 3.3. Giá trị hiệu suất ghi nhận của detector cho mẫu Moss-soil

Hiệu suất ghi nhận của Đồng vị phóng xạ Năng lượng E(keV) detector ԑ

1460,82 0,00581 K-40

661,66 0,01114 Cs-137

46,54 0,00219 Pb-210

186,21 0,03668 Ra-226

338,32 0,02200 Ac-228

92,80 0,03665 Th-234

768,37 0,00965 Bi-214

238,63 0,03038 Pb-212

295,22 0,02510 Pb-214

19B3.2 Hoạt độ và hoạt độ riêng của mẫu Moss-soil

Kết quả thu nhận diện tích của các đỉnh năng lượng có trong mẫu Moss-soil được thể

hiện trong bảng 3.4.

Bảng 3.4.Kết quả diện tích đỉnh năng lượng sau khi trừ phông của mẫu Moss-soil

Năng Cường Sai số diện tích Đồng vị Diện tích đỉnh lượng độ phát đỉnh phóng xạ N (số đếm) E ( KeV) N (số đếm) Iγ (%)

1460,82 10,55 12900 395 K-40

661,66 84,99 143000 8337 Cs-137

46,54 4,25 1447 94 Pb-210

186,21 3,56 2061 161 Ra-226

338,32 11,27 3466 96 Ac-228

3,75 2120 92,80 136 Th-234

768,37 4,85 357 54 Bi-214

238,63 43,6 16043 160 Pb-212

295,22 18,28 3800 221 Pb-214

Từ các giá trị N, IRγ R, t trong bảng 3.4và hiệu suất ghi của detectortrong bảng 3.3, sử

dụng công thức 2.11và 2.12 chúng tôi lần lượt tính được hoạt độ phóng xạ và hoạt độ phóng

xạ riêng của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu Moss-soil. Kết quả được trình bày trong

bảng 3.5.

Bảng 3.5. Giá trị hoạt độ phóng xạ A (Bq) và hoạt độ riêng A/m (Bq/kg)

Mẫu Moss-soil

Khối lượng m = 145g = 0,145kg

Năng Hoạt độ Sai số họat Hoạt độ Sai số họat Đồng vị lượng phóng xạ độ phóng riêng A/m độ riêng phóng xạ A (Bq) (Bq/kg) E (keV) xạ A (A)

1460,82 81,2 3,3 560,0 23,0 K-40

661,66 58,3 3,5 401,7 24,4 Cs-137

46,54 60,0 4,5 413,7 30,7 Pb-210

186,21 6,1 0,5 42,1 3,5 Ra-226

338,32 5,4 0,2 37,2 1,7 Ac-228

92,80 6,0 0,5 41,0 3,5 Th-234

768,37 2,9 0,4 20,3 3,1 Bi-214

238,63 4,7 0,1 32,2 0,3 Pb-212

295,22 3,2 0,2 22,0 1,3 Pb-214

Kết quả xác định hoạt độ riêng mà chúng tôi xác định được so sánh với kết quả xác

định của IAEA. Thực chất kết quả mà IAEA công bố mới đây (đầu năm 2011) là kết quả

xác định của nhiều phòng thí nghiệm trên toàn thế giới và kết quả công bố này là kết quả

được nhiều phòng thí nghiệm chấp nhận. Bảng 3.6 trình bày kết quả hoạt độ riêng của các

đồng vị phóng xạ có trong mẫu Moss-soil.

Bảng 3.6. Giá trị hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss-soil của IAEA

Đồng vị phóng Năng lượng E Họat độ riêng Sai số A/m (Bq/kg) xạ (keV)

1460,82 550,0 20,0 K-40

661,66 425,0 10,0 Cs-137

46,54 420,0 20,0 Pb-210

186,21 25,1 2,0 Ra-226

338,32 37,0 2,0 Ac-228

92,8 25,5 3,0 Th-234

768,37 24,8 2,0 Bi-214

238,63 37,0 1,5 Pb-212

295,22 26,0 2,0 Pb-214

Bảng 3.7. So sánh họat độ riêng (Bq/kg) của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu Moss-soil

của chúng tôi và kết quả đo của IAEA

Năng lượng Kết quả đo từ Kết quả đo của Đồng vị phóng xạ E (keV) thực nghiệm IAEA

Pb-210 46,54 413,7 420,0

Th-234 92,8 41,0 25,5

Ra-226 186,21 42,1 25,1

Pb-212 238,63 32,2 37,0

Pb-214 295,22 22,0 26,0

Ac-228 338,32 37,2 37,0

Cs-137 661,66 401,7 425,0

Bi-214 768,37 20,3 24,8

K-40 1460,82 560,0 550,0

Đồ thị. So sánh hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss-soil giữa kết quả đo của

chúng tôi và của IAEA.

Hình 3.2. So sánh hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss-soil giữa kết quả đo

20B3.3 Nhận xét

của chúng tôi và của IAEA.

Từ kết quả đo từ thực nghiệm và kết quả đo của IAEA mà chúng tôibiểu diễn trênhình

3.2, chúng tôi có một số nhận xét sau:

 Hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu Moss-soil mà chúng tôi đo

được và kết quả của IAEA công bố phần lớn là phù hợp với nhau.

 Trong vùng năng lượng thấp, ngoại trừ hoạt độ riêng của Pb – 210 là cho kết quả khá

phù hợp, các giá trị hoạt độ riêng của các đồng vị Th – 234 (92,8keV) và Ra – 226 (186,21

keV) có sự sai biệt khá lớn. Từ đây có thể thấy rằng đối với vùng năng lượng thấp, cần tiến

hành lại những phép đo đồng thời chú ý đến các hiệu ứng có ảnh hưởng lớn đến việc xác

định hoạt độ của các đồng vị phát ra đỉnh năng lượng trong vùng năng lượng thấp như: hiệu

ứng tự hấp thụ, sự ảnh hưởng của phổ tia X (chủ yếu phát ra từ buồng chì).

6BKẾT LUẬN

Luận văn “Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss – soil bằng

hệ phổ kế gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của IAEA”sau một thời gian

thực hiện đã hoàn thành các mục tiêu ban đầu đề ra. Kết quả thu nhận được như sau:

1. Cơ sở lí thuyết

Nắm được các kiến thức về bức xạ hạt nhân và tìm hiểu được mức độ ảnh hưởng của

các nhân phóng xạ đối với môi trường và sức khỏe con người, tìm hiểu được cấu tạo và

chức năng của các bộ phận trong hệ phổ kế gamma phông thấp, ...

2. Cơ sở thực nghiệm

Quá trình thực hiện luận văn giúp sinh viên nắm bắt được các phương pháp thực

nghiệm: xử lí mẫu, phân tích mẫu trên hệ phổ kế gamma phông thấp, xử lí phổ, tính toán, ...

3. Kết quả

 Đã xây dựng được đường cong hiệu suất theo năng lượng dựa trên mẫu chuẩn RGU-

1 theo hình học đo dạng trụ.

 Xác định được họat độ riêng của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss-soil. Cụ thể,

đã xác định được hoạt độ riêng của các đồng vị sau : Pb-210, Th-234, Ra-226, Pb-212, Pb-

214, Ac-228, Cs-137, Bi-214, K-40.

 Đã so sánh giữa kết quả mà chúng tôi đo được và kết quả đo của IAEA và nhận thấy

kết quả là phù hợp.

Ngoài ra, qua quá trình làm luận văn đã giúp tôi củng cố lại kiến thức đã được đào tạo,

tiếp cận được những kiến thức mới mẻ về phương pháp đo ghi bức xạ hạt nhân, hệ phổ kế

gamma phông thấp, các chương trình xử lí phổ và những kinh nghiệm trong quá trình thực

nghiệm, ...

HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Vì thời gian làm luận văn không cho phép nên khoá luận chỉ dừng lại ở việc xác định

hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss-soil. Nếu trong tương lai có điều kiện

cho phép, luận văn có thể mở rộng nghiên cứu thêm một số vấn đề:

 Xác định hoạt độ của các mẫu môi trường khác như mẫu Water – spiked (mẫu nước),

...(Đây cũng là những mẫu mà nhóm chúng tôi đã nhận được từ IAEA).

 Xây dựng đường cong hiệu suất cho các hình học đo khác nhau.

 Đánh giá hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ phát các đỉnh năng lượng trong

vùng năng lượng thấp có tính đến các ảnh hưởng của hiệu ứng tự hấp thụ và sự ảnh hưởng

của tia X do tương tác của tia gamma với buồng chì lên phổ ghi nhận được.

7BTÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Lê Thị Mộng Thuần (2009), Xác định hoạt độ của một số nguyên tố bằng phương pháp

xây dựng đường cong hiệu suất, Khoá luận tốt nghiệp đại học, Trường Đại học Sư phạm

TPHCM.

[2] Phạm Thụy Ý Nhi (2010), Phân tích hàm lượng Kali trong một số mẫu đất, Khoá luận

tốt nghiệp đại học, Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM.

[3] Trương Nhật Huy (2010), Đánh giá hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần bằng phương

pháp Monte Carlo, Khoá luận tốt nghiệp đại học, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM.

[4] Hoàng Đức Tâm, Phạm Nguyễn Thành Vinh, Trịnh Hoài Vinh, Lê Thị Mộng Thuần

(Số 21-2010), Xây dựng đường cong hiệu suất của hệ phổ kế Gamma sử dụng nguồn chuẩn

đĩa, Tạp chí Khoa học ĐHSP TPHCM.

[5] Trần Thiện Thanh, Hoàng Đức Tâm, Hà Xuân Cường (2010), Xác định hàm lượng của

Kali trong một số mẫu muối Kali có trên thị trường ở Việt Nam, Tạp chí Khoa học ĐHSP

TPHCM.

[6] Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lí hạt nhân, NXB Khoa học và kỹ thuật.

[7] Nguyễn Thị Hoàng Oanh (2007), Xây dựng quy trình chế tạo Uran và Kali để xác định

hoạt độ phóng xạ trong mẫu đất, Khoá luận tốt nghiệp đại học, Trường ĐH Khoa học Tự

nhiên Tp.HCM.

[8] Lê Thị Hổ (2008), Xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường bằng phương pháp

FSA, Khoá luận tốt nghiệp đại học, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Tp.HCM.

[9] Hà Xuân Cường (2010), Xác định hàm lượng K-40 trong một số mẫu muối Kali trên thị trường, Khoá luận tốt nghiệp đại học, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Tp.HCM.

[10] Thuyết minh đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ (2009)

Tiếng Anh

[11] Derbetin K and Helmer R.G (1988), Gamma and X-ray Spectrometry with

Semiconductor Detectors, Elsevier Science Publishers B.V.

[12] Trần Thiện Thanh, Hoàng Đức Tâm, Châu Văn Tạo, Lê Thị Hồng Loan, (2010),

Determination of activity of radionucides in Moss-soil sample with self – absorption

correction. Hội nghị NPHEAP.

[13] IAEA Reference Materials Catalogue and Documents – IAEA-RGU-1 (1987).

[14]3Twww.IAEA.org3T

[15]3Thttp://varans.gov.vn3T

Luận văn tốt nghiệp đại học: Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss – Soil bằng hệ phổ kế Gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của Iaea

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-------------------------

NGUYỄN THUỲ DUNG

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MẪU MOSS – SOIL BẰNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP CHO BÀI TOÁN SO SÁNH QUỐC TẾ CỦA IAEA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

----------------------------------------

TP.HỒ CHÍ MINH – 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-------------------------

NGUYỄN THUỲ DUNG

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MẪU MOSS – SOIL

BẰNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP CHO BÀI TOÁN SO SÁNH QUỐC TẾ CỦA IAEA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ

Giảng viên hướng dẫn: ThS. HOÀNG ĐỨC TÂM

----------------------------------------

TP.HỒ CHÍ MINH – 2011

3T2.2 Phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất ghi của detector đối với mẫu dạng hình trụ3T .......................................................................................................................... 54

bằng hệ phổ kế gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của IAEA”. Đối tượng của luận văn

222

219

220

Họ Thorium (4n)

Họ Uranium (4n +2)

Họ Actinium (4n + 3)

Họ Neptunium (4n +1)

3  Tritium (P

14

7  Beryllium-7 (P

238

234

232

n+ layer + HV p+ layer - HV

13B2.2 Phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất ghi của detector đối với mẫu dạng hình trụ

(

)

)

( lg E

( a lg E 1

) ]

]

]

[

]

[ a lg(E) 3

[ a lg(E) 5

3 RGU-1 (g/cmP

HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Có thể bạn quan tâm

Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu sự phụ thuộc của hệ số trùng phùng vào bề dày và mật độ mẫu phân tích

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Lập phương trình phân tích hàm lượng các nguyên tố phóng xạ trong mẫu đất đá trong hệ phổ kế gamma ORTEC

Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phổ gamma tự nhiên đánh giá tính phóng xạ đất đá trên bề mặt tại miền trung nước Lào

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Kỹ thuật xử lý xung số DPP cho hệ đo gamma NaI (Tl)

Luận văn tốt nghiệp đại học: Hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl) bằng phương pháp monte carlo

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

Khóa luận tốt nghiệp Đại học: Khảo sát hiệu ứng trùng phùng tổng trong đo phổ Gamam

Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Khảo sát phông nền và tối ưu hóa hiệu suất cho hệ phổ kế gamma HPGE trong phép đo mẫu môi trường

Khóa luận tốt nghiệp Đại học: Xây dựng chương trình hiệu chỉnh trùng phùng cho hệ phổ kế gamma

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng chương trình hiệu chỉnh trùng phùng cho hệ phổ kế gamma

Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Xác định hoạt độ phóng xạ trong gạch men

Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Xây dựng đường cong hiệu suất Detector HPGe bằng chương trình MNCP4C2

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Áp dụng chương trình MCNP5 để tính toán hiệu suất của detector HPGe GEM 15P4

Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Khảo sát phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Khảo sát độ phóng xạ trong đá ốp lát dùng làm vật liệu xây dựng khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu đánh giá một số thông số kỹ thuật của hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe GEM 15P4

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Khảo sát độ phóng xạ trong xi măng dùng làm vật liệu xây dựng khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu sử dụng hiệu quả chương trình MCNP5 trong bài toán mô phỏng phổ gamma

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe GEM 15P4

Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Xây dựng quy trình phân tích hoạt độ 238U, 232Th, 40K của mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế Gamma Gmx 35p470

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu đặc điểm phân bố và dinh dưỡng của các loài lưỡng cư ở Vườn Quốc gia Bến En và Khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa