Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ GAMMA TRONG
MẪU MÔI TRƢỜNG BẰNG
PHƢƠNG PHÁP FSA SỬ DỤNG HỆ PHỔ KẾ HPGe

SVTH: Võ Thanh Bình
CBHD: TS. Trƣơng Thị Hồng Loan
CBPB: TS. Trần Duy Tập

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2014



LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHCM, em đã được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giảng dạy, và đặc biệt
trong thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp tại bộ môn Vật Lí Hạt Nhân.
Em xin chân thành cảm ơn TS.Trương Thị Hồng Loan, người đã theo dõi
suốt quá trình thực hiện luận văn của em. Cô là người đã tận tình giảng dạy, hướng
dẫn em những kiến thức bổ ích và cần thiết để giúp em hoàn thành khóa luận này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các quí thầy cô trong khoa Vật Lí, đặc biệt là các
thầy cô trong bộ môn Vật Lí Hạt Nhân đã truyền đạt cho em những kiến thức quí
báu giúp em hoàn thành khóa luận này.
Em xin gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè đã ủng hộ giúp đỡ để em có thể
hoàn thành khóa luận này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả các bạn lớp 10VLHN đã luôn giúp đỡ mình
trong thời gian qua.
Võ Thanh Bình

-i-


MỤC LỤC
Lời cảm ơn ................................................................................................................... i
Mục lục ........................................................................................................................ii
Danh mục viết tắt ....................................................................................................... iv
Danh mục bảng ........................................................................................................... v
Danh mục hình vẽ và đồ thị ....................................................................................... vi
Mở đầu. ...................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƢỜNG ............. 3
1.1.
. .......................................................................... 3
1.2. C đ
ƣ
. .......................................................... 4
1.2.1. H ng ố phân rã λ. ...................................................................................... 4
1.2.2. Chu ì b n rã T1/2........................................................................................ 4
1.2.3. Thời gian ống trung bình τ. ....................................................................... 4
1.2.4. Định luật phân rã ph ng ạ. ....................................................................... 4
1.2.5. Độ ph ng ạ. .............................................................................................. 5
13 P
ƣờ . .................................................................................... 5
1.3.1. h ng ạ nguy n thủy. ............................................................................... 5


1.3.2. h ng ạ v trụ. .......................................................................................... 6
1.3.3. h ng ạ nhân tạo. ..................................................................................... 6
14 M
đ
đ . .............................................. 7
1.4.1. Uranium. ..................................................................................................... 7
1.4.2. Thorium. ..................................................................................................... 8
1.4.3. Kali. ............................................................................................................ 8
15 C
đ
..................................................... 8
1.5.1. Chu i Uranium (A=4n+2). ......................................................................... 8
1.5.2. Chu i Thorium (A=4n). ............................................................................. 9
1.5.3. Chu i ctinium (A=4n+3). ........................................................................ 9
1.5.4. Đồng vị Kali. ............................................................................................ 11
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................... 13
2 1 Đ ƣợ
ứ . ................................................................................. 13
2.2. Th ế b
ậ -H
ổ kế
HPGe. ...................... 13
2.2.1. Giới thiệu. ................................................................................................. 13
2.2.2. Hệ phổ kế gamma GMX đầu dò HPGe. ................................................... 16
23 Gớ
ƣơ
đ
đ
ƣờ . .... 18
2.3.1. hương ph p W . .................................................................................... 18
2.3.2. hương ph p FS . ................................................................................... 21
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO UẬN ......................................................... 25

-ii-


3.1. Xác đ nh ho đ c a m t s ngu n đ ểm bằ
ƣơ
FSA........ 25
3.1.1. Các nguồn chuẩn. ..................................................................................... 25
3.1.2. Nguồn phân tích. ...................................................................................... 25
3.1.3. Dạng phổ thu được. .................................................................................. 26
3.1.3.1. Phổ phông ............................................................................................ 26
3.1.3.2. Phổ chuẩn ............................................................................................ 26
3.1.3.3. Phổ phân tích ....................................................................................... 27
3.1.4. Kết quả và thảo luận. ................................................................................ 29
3.1.4.1. Phương pháp FSA ............................................................................... 29
3.1.4.2. Phương pháp WA ................................................................................ 30
3.1.4.3. So sánh kết quả FSA và WA ............................................................... 31
3.2. Xác đ nh ho đ c a mẫ
ƣờng bằ
ƣơ
FSA. ........... 33
3.2.1. Hình học mẫu. .......................................................................................... 33
3.2.2. Chuẩn bị mẫu. ........................................................................................... 34
3.2.2.1. Mẫu chuẩn. .......................................................................................... 34
3.2.2.2 Mẫu phân tích. ...................................................................................... 35
3.2.3. Dạng phổ thu được. .................................................................................. 35
3.2.3.1. Phổ phông. ........................................................................................... 35
3.2.3.2. Phổ chuẩn. ........................................................................................... 36
3.2.3.3. Phổ phân tích. ...................................................................................... 38
3.2.4. Kết quả và thảo luận. ................................................................................ 39
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. ............................................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO. ..................................................................................... 47
PHỤ LỤC. ................................................................................................................ 48
Phụ lục A. Phổ đo ................................................................................................. 48
Phụ lục B. Thông tin về hệ đo, mẫu chuẩn, mẫu phân tích .................................. 56
Phụ lục C. Đỉnh năng lượng của một số đồng vị .................................................. 58

-iii-


DANH MỤC VIẾT TẮT

EC: Electron Capture
FSA: Full Spectrum Analysis
HPGe: High Pure Germanium
GMX: Gamma-X ray
RGU1: Mẫu chuẩn Uranium 238U
RGTh1: Mẫu chuẩn Thorium 232Th
RGK1: Mẫu chuẩn Kali 40K
WA: Window Analysis

-iv-


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Độ phân giải năng lượng ( eV) đối với các loại đầu dò khác nhau. .................13
Bảng 3.1. Thông tin về các nguồn điểm chuẩn. .................................................................25
Bảng 3.2. Thông tin các nguồn cần phân tích. ..................................................................26
Bảng 3.3. Giá trị hoạt độ các nguồn điểm tính b ng phương ph p FSA ...........................29
Bảng 3.4. Giá trị hoạt độ các nguồn điểm tính b ng phương ph p WA. ..........................30
Bảng 3.5. So sánh giá trị hoạt độ tính toán của hai phương ph p WA và FSA đối
với nguồn điểm phân tích. ................................................................................31
Bảng 3.6. Hoạt độ của c c đồng vị có trong 3 mẫu chuẩn đất (Bq/kg) .............................34
Bảng 3.7. Thời gian đo và hối lượng của các mẫu chuẩn đất ..........................................35
Bảng 3.8. Thời gian đo và hối lượng của các mẫu phân tích. .........................................35
Bảng 3.9. Hoạt độ phóng xạ của mẫu phân tích và sai số tính b ng FSA .........................39
Bảng 3.10. Hoạt độ phóng xạ của mẫu phân tích và sai số tính b ng WA .......................39
Bảng 3.11. Đ nh gi độ lệch hoạt độ tính bởi phương ph p FS

o với W đối với

12 mẫu đất ở Đa lak ........................................................................................40
Bảng 3.12. Đ nh gi độ lệch hoạt độ tính bởi phương ph p FS

o với WA đối với

12 mẫu đất ở Đa lak (tiếp theo). .....................................................................41

-v-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Chu i Uranium A=4n+2 ....................................................................................10
Hình 1.2. Chu i Thorium A=4n ........................................................................................11
Hình 1.3. Chu i Actinium A=4n+3 ...................................................................................12
Hình 1.4. Sơ đồ K40 phân rã β+ và bắt electron tạo 40 r và phân rã β- tạo 40Ca ................12
Hình 2.1. Phổ của nguồn phóng xạ 60Co ...........................................................................14
Hình 2.2. Detector bán dẫn và hệ thống làm lạnh .............................................................15
Hình 2.3. Hệ phổ kế gamma GMX đầu dò HPGe .............................................................17
Hình 3.1. Phổ phông c đặt gi đỡ mi ca. .........................................................................26
Hình 3.2. Phổ của mẫu chuẩn 133Ba chưa trừ phông .........................................................27
Hình 3.3. Phổ của mẫu chuẩn 109Cd chưa trừ phông. ........................................................27
Hình 3.4. Phổ của mẫu 133Ba chưa trừ phông ....................................................................28
Hình 3.5. Phổ của mẫu 109Cd chưa trừ phông ...................................................................28
Hình 3.6. Phổ của mẫu kết hợp (gồm 65Zn-137C ) chưa trừ phông....................................29
Hình 3.7. Biểu đồ so sánh kết quả tính toán hoạt độ của hai phương ph p FS



WA đối với nguồn điểm có một đồng vị ..........................................................32
Hình 3.8. Biểu đồ so sánh kết quả tính toán hoạt độ hai phương ph p FS

và W

của nguồn điểm kết hợp hai đồng vị .................................................................32
Hình 3.9. Tỉ số hoạt độ (FSA/WA) của nguồn điểm và sai số tương ứng. .......................33
Hình 3.10. Hộp đựng mẫu Marinelli. ................................................................................33
Hình 3.11. Mặt cắt dọc hộp đựng mẫu Marinelli. .............................................................34
Hình 3.12. Phổ phông được đo trong 24 giờ .....................................................................36
Hình 3.13. Phổ chuẩn 238U (RGU1) ..................................................................................36
Hình 3.14. Phổ chuẩn 232Th (RGTh1) ...............................................................................37
Hình 3.15. Phổ chuẩn 40K (RGK1) ....................................................................................37
Hình 3.16. Phổ của mẫu đất BB ........................................................................................38
Hình 3.17. Phổ của mẫu đất BD ........................................................................................38
Hình 3.18. Biểu đồ so sánh hoạt độ 238U của các mẫu b ng FSA và WA .........................42

-vi-


Hình 3.19. Biểu đồ so sánh hoạt độ 232Th của các mẫu b ng FSA và WA .......................42
Hình 3.20. Biểu đồ so sánh hoạt độ 40K của các mẫu b ng FSA và WA ..........................43
Hình 3.21. Tỉ số hoạt độ (FS /W ) đối với 238U .............................................................43
Hình 3.22. Tỉ số hoạt độ (FS /W ) đối với 232Th ............................................................44
Hình 3.23. Tỉ số hoạt độ (FS /W ) đối với 40K ...............................................................44
Hình A.1. Phổ của nguồn điểm

57

Co ................................................................................48

Hình A.2. Phổ của nguồn điểm

60

Co ................................................................................48

Hình A.3. Phổ của nguồn điểm

54

Mn ...............................................................................49

Hình A.4. Phổ của nguồn điểm

22

Na ................................................................................49

Hình A.5. Phổ của mẫu 65Zn ..............................................................................................50
Hình A.6. Phổ của nguồn điểm

137

Cs ...............................................................................50

Hình A.7. Phổ của mẫu đất BC .........................................................................................51
Hình A.8. Phổ của mẫu đất BEB .......................................................................................51
Hình A.9. Phổ của mẫu đất BM .........................................................................................52
Hình A.10. Phổ của mẫu đất BR ........................................................................................52
Hình A.11. Phổ của mẫu đất BK .......................................................................................53
Hình A.12. Phổ của mẫu đất T1.........................................................................................53
Hình A.13. Phổ của mẫu đất BCH. ...................................................................................54
Hình A.14. Phổ của mẫu đất BT ........................................................................................54
Hình A.15. Phổ của mẫu đất YT ........................................................................................55
Hình A.16. Phổ của mẫu đất TH........................................................................................55
Hình B.1. Mẫu chuẩn được đặt trong hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe .....................56
Hình B.2. Các mẫu chuẩn RGU1, RGTh1, RGK1 ............................................................56
Hình B.3. Các mẫu đất cần phân tích ................................................................................57

-vii-


MỞ ĐẦU
Trong việc xác định hoạt độ của các mẫu phóng xạ, phương pháp phổ biến
nhất là phương pháp Window Analysis (WA). Trong phương pháp này, hoạt độ của
mẫu sẽ được xác định dựa trên các diện tích đỉnh, kết hợp với các thông số như xác
suất phát gamma, thời gian đo, hiệu suất ghi nhận của detector,… Việc xác định
hoạt độ bằng phương pháp này đòi hỏi việc trừ phông và tách đỉnh phổ tốt. Bên
cạnh đó, các hiệu ứng trong quá trình đo đạc như sự trùng phùng thực, tự hấp thụ
hay các sai số trong số liệu từ các thư viện hạt nhân sẽ dẫn đến sự tăng thêm hay
giảm bớt giá trị diện tích đỉnh và gây sai lệch đáng kể cho kết quả tính toán hoạt độ
bằng phương pháp WA. Để hạn chế điều này, thay vì xác định hoạt độ dựa trên các
đỉnh gamma riêng rẽ, chúng ta sẽ sử dụng một phương pháp khác nhằm xác định
hoạt độ dựa trên toàn phổ gamma ghi nhận, phương pháp này được gọi là phương
pháp phân tích toàn phổ Full Spectrum Analysis (FSA). Do phương pháp FSA lên
quan đến việc tính toán trên toàn phổ nên có một số ưu điểm nổi trội so với phương
pháp truyền thống chẳng hạn như loại bỏ phần lớn các sai số trong việc xác định
diện tích đỉnh do trùng phùng, do trừ phông nền Compton, do thống kê và những sai
số về mặt kĩ thuật do hệ đo gây ra.
Một trong những công trình đầu tiên áp dụng phương pháp FSA vào phân
tích phổ gamma thu được từ hệ phổ kế HPGe là công trình của Katse Piet Maphoto
(2004) [7]. Tác giả đã xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ nguyên thủy 238U,
232

Th và 40K trong các mẫu cát, đất và quặng. Kết quả cho thấy có sự phù hợp khá

tốt giữa hai phương pháp WA và FSA. Ở trong nước, phương pháp FSA lần đầu
tiên được tìm hiểu trong khóa luận tốt nghiệp của Lê Thị Hỗ (2008) [2]. Tuy nhiên,
độ lệch hoạt độ tính bởi phương pháp FSA so với WA đạt được trong khóa luận cỡ
30%. Trong luận văn của Nguyễn Thị Cẩm Thu (2010) [3], khi tính toán hoạt độ
của một số mẫu đất bằng phương pháp FSA đã chú ý đến việc hiệu chỉnh sự trôi
kênh đối với phép đo dài của mẫu môi trường trong tính toán. Trong khóa luận này
tác giả tiếp tục nghiên cứu chi tiết cách tiến hành thực hiện phương pháp FSA nhằm
xây dựng một quy trình phân tích tốt, nâng cao khả năng và độ chính xác trong phân
-1-


tích hoạt độ. Nội dung khóa luận bao gồm: Phần mở đầu, ba chương, kết luận và
kiến nghị, tài liệu tham khảo và các phụ lục.
Chương 1 giới thiệu tổng quan về hiện tượng phóng xạ, nguồn gốc nền
phông phóng xạ môi trường, phả hệ các đồng vị phóng xạ phát alpha, beta, gamma
trong mẫu môi trường.
Chương 2 trình bày đối tượng nghiên cứu, thiết bị ghi nhận bức xạ và các
phương pháp phân tích hoạt độ gamma.
Chương 3 trình bày kết quả phân tích hoạt độ gamma của 7 nguồn điểm phát
gamma đơn năng và đa năng của hãng TSpectrum và 12 mẫu đất chứa các đồng vị
238

U, 232Th, 40K cần phân tích thu thập từ vùng đất ở Đắk lắk sử dụng phương pháp

toàn phổ FSA. So sánh và đánh giá phương pháp FSA so với phương pháp truyền
thống WA.

-2-


CHƢƠNG 1.
NG

N Ề H NG

NG

I

Ƣ NG

1.1. ị
Khám phá tia X của oentgen năm 1985 (giải thưởng Nobel năm 19 1) cho
phép xác định cấu trúc của điện tử quanh nhân. Năm 1896, ecquerel nhận ra một
tia bức xạ xuyên thấu rất mạnh phát ra từ vài chất như muối Uranium có thể làm
đen phim (giải Nobel năm 19 3) đã góp phần xác định cấu trúc của nhân nguyên tử.
Các tính chất của tia phóng xạ dần dần được phát hiện. ecquerel năm 18981899, rồi sau đó là utherford năm 19 3 nhận thấy có một phần của chùm tia phóng
xạ bị lệch khi xuyên qua từ trường (tia , tia ) và phần còn lại không chịu ảnh
hưởng của từ trường (tia γ).
Vào năm 19 3,

utherford và Soddy kết hợp sự phóng thích



với sự

thay đổi bậc số nguyên tử của nguyên tố phóng xạ. Và sau đó, vào năm 19 5,
Schweidler chứng minh được bản chất thống kê của hiện tượng phóng xạ.
Năm 1934, Irenn và Fréderic Joliot Curie tạo ra và cô lập được nguyên tố
phóng xạ nhân tạo đầu tiên, đó là nguyên tố

30

P có được bằng cách bắn tia

vào

một lá nhôm:
31
30
n
 27
15
P

13 Al
15 P  n

30
15


P
30
14 Si  e

Từ đó số loại nhân phóng xạ nhân tạo không ngừng tăng lên. Với khoảng 14
loại nhân được biết hiện nay, có khoảng 11
khoảng 1

nhân phóng xạ, trong đó chỉ có

nguyên tố là phóng xạ tự nhiên. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo chiếm

đa số và được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực như k thuật,hóa học, sinh học,
nông nghiệp, y học,… Người ta c ng nhận thấy hoàn toàn không có sự khác biệt về
tính phóng xạ giữa nguyên tố phóng xạ tự nhiên và nguyên tố phóng xạ nhân tạo
[5].

-3-


ƣ

1.2.
1.2.1. H

λ

Mỗi đồng vị phóng xạ có xác suất phân rã (số đồng vị bị phân rã trong một
đơn vị thời gian) là không đổi, xác suất phân rã này còn được gọi là hằng số phân rã
λ.
Thí dụ: đồng vị 226 a có hằng số phân rã là λ ≈ 10-13 (1 s), nghĩa là:
- Nếu

có 1

13

hạt nhân 226 a thì trong một giây có một hạt nhân bị biến đổi.

- Nếu có một hạt nhân 226 a thì trong một giây xác suất biến đổi nó là 1
1.2.2.

-13

.

1/2

Chu kì bán rã là khoảng thời gian để cho số hạt nhân ban đầu N 0 giảm đi một
nửa, nghĩa là số hạt nhân phóng xạ còn lại bằng một nửa (N = N0/2).
τ

1.2.3.

Mỗi một đồng vị phóng xạ có thời gian sống trung bình nhất định. Phóng xạ
là quá trình thống kê, các đồng vị phóng xạ có thời gian sống khác nhau nhưng thời
gian sống trung bình của một số lớn hạt là đại lượng đặc trưng cho loại hạt nhân đó.
Mối quan hệ giữa chu kì bán rã T1/2 và hằng số phân rã: T1 / 2 

ln 2


Mối quan hệ giữa hằng số phân rã và thời gian sống trung bình:  
1

Đị

(1.1)

1
(1.2)




hân rã phóng xạ là hiện tượng thống kê, ta không biết trước một hạt nhân
phóng xạ phân rã lúc nào. Để mô tả các định luật thống kê ta phải dùng đến các khái
niệm xác suất.
Như ta đã biết rằng hằng số phân rã λ là xác suất để một hạt nhân phân rã
trong một đơn vị thời gian. Nếu như có N hạt nhân phóng xạ tại thời điểm t thì trong
một đơn vị thời gian có λN hạt nhân phân rã. Mỗi một hạt nhân có một λ đặc trưng.
Ta gọi N là số hạt nhân phóng xạ A* tại thời điểm t. Trong một đơn vị thời
gian số hạt nhân phân rã là λN. Trong khoảng thời gian dt số nhân phân rã sẽ là:
dN với:

-4-


dN  .N.dt

(1.3)

Dấu (-) chỉ rằng hạt nhân phân rã giảm theo thời gian, nên số hạt nhân A* tại
thời điểm t nhỏ hơn số hạt nhân A* tại thời điểm trước t. Gọi N( ) là số hạt nhân A*
tại thời điểm ban đầu t = 0, N(t) là số nhân phóng xạ còn lại tại thời điểm t. Dễ dàng
chứng minh được: N( t )  N(0)e  t

(1.4)

Đây chính là định luật cơ bản của phân rã phóng xạ đơn.
1

Đ
Độ phóng xạ C(t) là đại lượng đặc trưng cho khả năng phóng xạ tại thời điểm

t, nó bằng số hạt nhân phóng xạ phân rã tại thời điểm t trong một đơn vị thời gian
của nguồn. Dễ dàng chứng minh được:

C( t ) 

dN
 N(0)e t  N( t )  C(0)e t
dt

(1.5)

Các đơn vị của độ phóng xạ là Becquerel ( q) và đơn vị ngoại hệ Curi (Ci).
Trong đó:
1 q 1 phân rã trên một giây.
1Ci=3,7×1010 phân rã trên một giây = 3,7×1010 Bq. Nó chính là độ phóng xạ
của 1 gram adi. Các ước số: 1mCi=10-3 Ci, 1μCi 1

-6

Ci.

Từ năm 1974 bắt đầu dùng đơn vị ecquerel (Bq).
1

ƣ
hóng xạ trên trái đất có thể chia làm ba loại khác nhau: phóng xạ nguyên

thủy có trong các đất, đá mẹ từ lúc trái đất mới sinh ra, phóng xạ có nguồn gốc từ
v trụ, phóng xạ nhân tạo có nguồn gốc từ sử dụng và hoạt động của con người.
1

1
Các nhân phóng xạ nguyên thủy có chu kì bán rã ít nhất khoảng vài triệu

năm, tồn tại từ khi trái đất hình thành. Từ phân rã phóng xạ của những nhân phóng
xạ nguyên thủy sẽ tạo ra những nhân phóng xạ thứ cấp. Một số nhân phóng xạ
nguyên thủy sẽ tồn tại tới bây giờ có chu kì bán rã gần với tuổi của trái đất.

-5-


Ví dụ:

238

U có chu kì bán rã 4,47.109 năm,

232

Th có chu kì bán rã 1,41.1010

năm và 40K có chu kì bán rã 1,28.109 năm.
1
Là những bức xạ đến từ v trụ, tia phóng xạ chủ yếu là proton và những hạt
nhân nặng khác, đầu tiên từ bề mặt v trụ gọi là bức xạ v trụ, liên tục bắn phá
những nguyên tử bền trong khí quyển và tạo ra những nhân phóng xạ như: 22Na, 7 e
và 14C.
Các nhân phóng xạ v trụ khi đi vào trái đất, một phần tương tác với vật chất
trong bầu khí quyển, một phần truyền xuống bề mặt trái đất.
Có hai loại tia bức xạ v trụ: tia sơ cấp và tia thứ cấp.
ức xạ v trụ sơ cấp: Được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kì cao (lên
đến 1

8

eV), đa phần là proton cùng với một số hạt nặng khác. hần lớn các tia v

trụ sơ cấp đến từ bên ngoài hệ mặt trời và chúng c ng đã được tìm thấy trong không
gian v trụ. Một số ít bắt nguồn từ mặt trời do quá trình cháy sáng của mặt trời.
ức xạ v trụ thứ cấp: Là các bức xạ tạo ra khi tia sơ cấp tương tác với các
nguyên tử của bầu khí quyển, đồng thời sinh ra bức xạ năng lượng thấp, ánh sáng
thấy được, electron và nơtrơn. Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ có năng
lượng thấp hơn. Lớp khí quyển và từ trường trái đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc
che chắn các tia v trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt trái
đất [4].
1
Năm 1934, Irene và Frederic Joliot Curi tạo ra và cô lập được nguyên tố
phóng xạ đầu tiên, đó là 30 có được bằng cách bắn tia

vào một lá nhôm. Từ đó số

đồng vị phóng xạ nhân tạo không ngừng tăng lên. Ngoài ra, các nhân phóng xạ nhân
tạo còn được tìm thấy trong:
- Các vụ kiểm tra v khí hạt nhân: Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào khí
quyển qua các vụ thử v khí hạt nhân là 3,1 7 Sv người với 7
khác như 137Cs, 90Sr, 95 r và 106 u chiếm phần còn lại.

-6-

là 14C, các đồng vị


- Điện hạt nhân: cho đến cuối năm
nhân đã chiếm 16

, theo thống kê của IAEA, điện hạt

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 phóng xạ từ các nhà máy điện có thể lên đến cỡ T q năm hoặc nhỏ hơn.
- Tai nạn hạt nhân: khoảng 15 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân đã xảy ra,
lớn nhất là tai nạn Chernoboyl xảy ra ở Ucraina năm 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.
- 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 đánh dấu.
Con người đã bị chiếu xạ bởi nhiều nguồn nhân tạo khác nhau như: tia X
trong chuẩn đoán y khoa, các ứng dụng kĩ thuật hạt nhân trong công nghiệp và nông
nghiệp, các tia phóng xạ phát ra từ tro bụi phóng xạ do các vụ nổ hạt nhân gây ra.
Các hoạt động của con người làm phát ra những nhân phóng xạ tự nhiên vào
môi trường dưới dạng chất thải hoặc những sản phẩm phụ. Đó là sự khai mỏ và
nghiền quặng Uranium. Những hoạt động khác bao gồm việc đốt cháy những nhiên
liệu hóa thạch, sản xuất phốt phát từ đá phốt phát, khai thác mỏ và nghiền đá vô cơ.
1


hần lớn nhân phóng xạ tự nhiên thuộc 3 họ phóng xạ khởi đầu đầu từ các

nhân mẹ sống lâu như: 238U, 235U và 232Th.
1.4.1. Uranium
Uranium là nhân phóng xạ có mặt khắp nơi. Nó có hầu hết trong môi trường
vật chất và được nghiên cứu rộng rãi trong đá và đất. Trong tự nhiên Uranium có ba
đồng vị là 238U, 235U, 234U với độ phổ cập tương ứng là 99, 8 ; ,7

; ,

57 .

Uranium phân tán rộng khắp trong tự nhiên, có nhiều trong đá, muối
Uranium có thể hòa tan vào nước biển. Người ta ước tính hàm lượng Uranium
trong nước biển cỡ 1

-6

gram lít và hàm lượng trung bình trong lớp vỏ trái đất cỡ

4×10-4 %.

-7-


1.4.2. Thorium
Thorium phân tán rộng trên vỏ trái đất, hàm lượng trung bình của Thorium
trong lớp trên cùng khoảng 1,
khoảng 1,6 1

-5

1

-5

. Trong khi đó hàm lượng trung bình của chì

nên độ giàu của Thorium tương đương với chì, do vậy Thorium

không được xem là một nguyên tố hiếm.
Thorium có 6 đồng vị trong tự nhiên nhưng 232Th phân tán rộng hơn cả.
1.4.3. Kali
Kali là kim loại kiềm có ba đồng vị, nhưng chỉ có
với độ phổ cập , 117

40

K là có tính phóng xạ

và thời gian bán rã T1/2=1,28×109 năm, phát ra tia gamma

có năng lượng 1,46 MeV.
Trong lớp bề mặt của vỏ trái đất, Kali có hàm lượng cao trong đá magma,
hàm lượng trong đất sét và đá phiến cỡ 6,5%.
Hoạt động của nước và cacbon dioxide làm cho Kali trong đá ngầm dần dần
bị hòa tan và được các dòng nước mang ra biển, một phần khác được lưu lại trong
đất.

hần lớn kali trong đất tồn tại dưới dạng muối tan có trong silicat và

aluminosilicat. Các muối này phân biệt thành hai loại là Kali đã qua quá trình trao
đổi chất giữa thực vật với đất và Kali không trao đổi chất.
Kali chủ yếu trong sinh vật, vì vậy việc phát xạ

40

K là tất yếu nhưng có sự

biến thiên về độ tuổi và giới tính trong vạch phổ với những thay đổi tương ứng
trong nồng độ kali. Sự có mặt của 40K trong đá và trong đất tạo ra nguồn chiếu xạ
ngoài [4].
1


1

1

[5]

(A=4n+2)
Trong tự nhiên nó bắt đầu bởi đồng vị phóng xạ nặng nhất là

này trải qua quá trình phân rã alpha và beta để trở thành

234

238

U. Uranium

U .Sau đó trải qua nhiều

lần phóng xạ alpha, beta liên tiếp và kết thúc bởi đồng vị bền 206Pb. Hình 1.1. trình
bày phả hệ của chuỗi Uranium này.

-8-


1

(A=4n)
Các nhân trong chuỗi Thorium có số khối A 4n. Chuỗi này mang tên của

đồng vị sống lâu nhất còn trong tự nhiên là 232Th có T1/2=13,9.109 năm (gấp hai lần
tuổi trái đất). Vì thời gian sống lâu như vậy nên

232

Th còn tồn tại trong tự nhiên

cùng với các sản phẩm phân rã của nó tạo nên chuỗi Thorium. Thực ra nhân mẹ của
232

Th là

236

U phát

với T1/2=2,4.107 năm, khoảng 1 1

tuổi của trái đất và do đó

không còn được tìm thấy trong tự nhiên. Theo những chứng cứ địa vật lí tìm thấy
được chứng tỏ rằng 236U là một trong những đồng vị của Uranium khi v trụ còn rất
tr . hả hệ của chuổi Thorium được cho trong hình 1. .
1

(A=4n+3)
Chuỗi này được nghiên cứu từ năm 19

, khi Giesel khám phá ra sự phóng

xạ của Actinium. Nhưng mãi cho đến năm 1935, khi đồng vị

235

U được nhận diện

bằng khối phổ kế và chứng tỏ là thủy tổ của chuỗi Actinium thì nó mới được hiểu
đầy đủ, bởi vì là đồng vị còn trong tự nhiên duy nhất phân hạch bởi neutron nhiệt.
Do đó, chuỗi Actinium chứa trong nhánh phụ của nó
nguyên tố Astatine (

đồng vị tự nhiên của

85) và Francium (Z=87). Hình 1.3. trình bày phả hệ của

chuỗi Actinium. Actinium (227Ac) tự nó có thể được tách ra từ khoáng chất Uranium
bằng cách kết tủa với đất hiếm Lanthanium và là nguồn cho chuỗi Actinium lâu dài
ở phòng thí nghiệm.

-9-


Hình 1.1. Chuỗi Uranium A=4n+2 [9]
hổ

của

227

Ac có năng lượng cực đại khoảng , 4 MeV. Nhánh phân rã

có độ phổ cập rất thấp nhưng rất quan trọng vì nó dẫn tới Francium (223Fr) là đồng
vị nặng duy nhất có trong tự nhiên. Francium biến đổi bằng cách phân rã
223

a, nhưng c ng có , 4

Francium biến đổi bằng cách phân rã

(215At).

-10-

thành

thành Astatine


Hình 1.2. Chuỗi Thorium A=4n [9]
1.5.4. Đ ng ị 40K
Đồng vị phóng xạ

40

K có chu kì bán rã 1, 8 1

kiểu phân rã cạnh tranh nhau, phân rã
xác suất phát là 1 ,3
89, 8

phân rã

-

+

9

năm. Hình 1.4 cho thấy

với xác suất phát là ,

để tạo thành hạt nhân bền

1

và bắt EC với

40

Ar. Trong khi đó, có tới

để tạo thành 40Ca. Hình 1.4 trình bày sơ đồ 40K phân rã

electron tạo 40Ar và phân rã
Trong môi trường

40

-

+

và bắt

tạo 40Ca.

K chiếm một lượng đáng kể trong đất đá nguyên thủy

c ng như ở vùng đất nông nghiệp sử dụng phân bón thường xuyên. Do đó

40

K có

mặt trong các nguồn nước, lương thực, thực phẩm của con người. Việc đánh giá
hoạt độ của 40K giúp cho việc đánh giá liều chiếu ngoài đáng kể của môi trường.

-11-


Hình 1.3. Chuỗi Actinium A=4n+3 [9]

Hình 1.4. 40K phân rã

+

và bắt electron tạo 40Ar và phân rã

-12-

-

tạo 40Ca [9]


HƢƠNG .
ĐỐI ƢỢNG À HƢƠNG HÁ NGHIÊN Ứ

1 Đ

ƣợ



Khóa luận tập trung nghiên cứu về phương pháp đánh giá hoạt độ phóng xạ
gamma trong môi trường do các đồng vị Uranium, Thorium, Kali trong đất đá đóng
góp. Đối tượng nghiên cứu là bảy nguồn điểm phát gamma đơn năng và đa năng
của hãng TSpectrum và mười hai mẫu đất thu thập ở khu vực Đắk lắk. Phương pháp
phân tích là phương pháp toàn phổ FSA sử dụng hệ phổ kế GMX phông thấp đầu
dò HPGe có tại phòng thí nghiệm K thuật Hạt nhân.
ế



ậ -H

ổ ế

H Ge [4]

1 Gớ
Detector H Ge là loại detector đo tia gamma có độ nhạy và 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 được đo với độ phân giải lên
đến ,1 .
Người ta xét độ phân giải năng lượng không phải chỉ xét ở giá trị của nó mà
phải xem detector đang ghi bức xạ gì, năng lượng bao nhiêu và mức độ đơn năng
của nguồn đó. Detector có độ phân giải 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.
Bảng 2.1. Độ phân giải năng lượng (keV) đối với các loại đầu dò khác nhau [4]
Đầ dò
Ống đếm tỉ lệ
NaI(TI) tia X
7,6×7,6 NaI(TI)
Si(Li)
Ge planar
Ge đồng trục

5,9 keV
1,20
3,00
0,16
0,18
-

122 keV
12,00
12,00
0,50
0,80

-13-

1332 keV
60,00
1,80


Hình 2.1 trình bày sự so sánh độ phân giải trong phổ của nguồn 60Co được đo
bởi detector nhấp nháy và detector bán dẫn siêu tinh khiết.

Hình 2.1. hổ của nguồn 60Co được đo bởi [4]:
a. Detector nhấp nháy NaI (Tl); b. Detector bán dẫn Germanium
Trong các detector siêu tinh khiết, động năng của một electron được đo bởi
tập hợp các điện tích được tạo bởi sự ion hóa dọc theo quãng đường của electron.
Năng lượng để tạo một cặp electron-lỗ trống trong germanium có giá trị trung bình
vào khoảng 3 eV.
Ví dụ một hạt electron 1MeV khi vào trong detcector sẽ tạo ra khoảng 381 5
cặp electron-lỗ trống. Chúng ta có thể tập hợp gần như tất cả điện tích này trong
detector germamium nếu như các tạp chất trong germanium được loại bỏ đến một
mức độ nào đó. Tuy nhiên phương sai thống kê của 38 15 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 đuợc sử dụng chủ yếu là nitơ lỏng với nhiệt độ làm
lạnh là 770K. Tuy tín hiệu được tạo ra là do sự ion hóa của các electron có động

-14-


năng, năng lượng của tia gamma có thể có được đo bằng detector germanium bởi vì
năng lượng của một photon có thể được chuyển sang 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 1

keV đến dưới 1 MeV, hiệu

ứng Compton chiếm vai trò chủ đạo, vì vậy để chuyển toàn bộ năng lượng photon
cho các electron đòi hỏi phải có một hay nhiều hơn các tán xạ Compton và được kết
thúc bằng sự hấp thụ quang điện.
Sự tạo thành các cặp electron-positron đóng vai trò quan trọng ở các mức
năng lượng trên mec2 (hay 1,022MeV).
Hình 2.2 trình bày hệ thống làm lạnh bằng Nitơ lỏng cho detector HPGe.

Hình 2.2. Detector bán dẫn và hệ thống làm lạnh [9]

-15-


G

2.2.2. H phổ kế

ầu dò HPGe [6]

 Detector
Detector được sử dụng trong khóa luận này là detector HPGe loại n, cửa sổ
Be (GMX35P4-70) của ORTEC với đường kính và chiều dài tinh thể lần lượt là
55,8 mm và 78,1 mm được làm lạnh bằng hệ X-Cooler III.
Hoạt động của detector HPGe: Khi một bức xạ ion hóa đi vào detector, nó sẽ
tạo nên electron tự do thông qua các hiệu ứng chủ yếu với tinh thể bán dẫn. Các
electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển
lên vùng dẫn, đồng thời để lại lỗ trống mang điện tích dương ở trong vùng hóa trị.
Các cặp electron – lỗ trống được tạo ra trong vùng nghèo dọc theo qu đạo của bức
xạ tới. Chúng được kéo về hai điện cực bởi điện trường do hiệu điện thế ngược
được áp vào detector: các electron sẽ chuyển động đến cực dương, còn các lỗ trống
sẽ chuyển động về phía cực âm, kết quả là ta có một xung dòng điện ở lối ra. Khi
đó, ở mạch ngoài detector xuất hiện một tín hiệu điện thế. Xung điện thế này được
ghi nhận ở lối ra bởi hệ điện tử tiếp sau.
 Bu ng chì giảm phông phóng x
Chì là loại vật liệu có Z cao nên có khả năng hấp thu tia gamma trong môi
trường và làm giảm phông cho detector. Tương tác của tia gamma với chì c ng tạo
ra các tia X có năng lượng trong khoảng 75 ÷ 80 keV. Các tia X này có thể được
detector ghi nhận và làm cho phổ gamma bị nhiễu. Vì vậy, nên ngoài lớp chì dày thì
mặt trong lớp chì có phủ lớp đồng, dưới lớp đồng là lớp thiếc. Hai lớp này dùng để
giảm (hấp thụ) tia X phát ra từ chì.
 H th

nt

Một hệ thống điện tử phục vụ cho việc ghi nhận bức xạ bao gồm rất nhiều
thành phần, chúng thường được chia thành các khối khác nhau mà mỗi khối sẽ thực
hiện một công việc cụ thể như:
Cao thế: Để thu góp các hạt mang điện hình thành trong detector cần phải
được cung cấp một cao áp. Giá trị cao áp tối ưu thường được nhà sản xuất đánh giá

-16-


và quy định, giá trị này từ vài trăm Volt với detector nhỏ đến trên 4000 Volt với
detector lớn.
Tiền khuếch đại: Bộ tiền khuếch đại được nối trực tiếp ngay sau detector.
Nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ tín hiệu ban đầu từ detector và tải nó nhờ vào
cáp nối tiền khuếch đại với phần còn lại của hệ thiết bị. Vì tín hiệu vào tiền khuếch
đại tương đối yếu cho nên tiền khuếch đại được lắp đặt sao cho càng gần với
detector để giảm thiểu độ dài dây cáp.

Hình 2.3. Hệ phổ kế gamma GMX đầu dò HPGe
Khuếch đại tuyến tính: Bộ khuếch đại có hai nhiệm vụ chính, đó là khuếch
đại trực tiếp xung ra từ tiền khuếch đại lên đến giá trị thích hợp và hình thành xung
để có dạng thuận tiện cho việc xử lý tiếp theo. Yêu cầu quan trọng của một khuếch
đại là độ tuyến tính, dạng xung lối ra, sự ổn định và mức độ nhiễu. Nó có thể
khuếch đại biên độ xung lên hàng nghìn lần hoặc nhiều hơn nữa.
Hệ phân tích đa kênh MCA: Hệ MCA được sử dụng để đo phổ năng lượng
(hay phân bố năng lượng) của bức xạ hạt nhân. Từ phổ năng lượng chúng ta có thể

-17-


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×