Khóa luận Nghiên cứu xác định nhanh sr - 90 / y - 90, ứng dụng trong phân tích môi trường và y học hạt nhân

g fT lớn hơn 5. Dịch chuyển cấm có nhiều bậc như phân loại trong bảng 1.1. Ví dụ một dịch chuyển cấm như sau: 16 40 40 19 20K Ca e ev −⎯⎯→ + + (1.46) Đây là dịch chuyển cấm bậc 3 vì spin hạt nhân 40 19K bằng 4, spin hạt nhân 40 20Ca bằng 0, còn độ chẵn lẻ của các hạt nhân ngược dấu nhau. Đối với dịch chuyển này ( )1/2lg fT 18= và chu kỳ bán rã 91/2T 10= năm. Bảng 1.1. Phân loại các dịch chuyển Loại dịch chuyển Quy tắc chọn lọc ( )1/2lg fT 1. Loại cho phép - Siêu cho phép ΔJ 0, 1=  và Δπ 0= 2,5 – 4 - Cho phép bình thường ΔJ 0, 1=  và Δπ 0= 4 – 6 2. Loại cấm - Cấm bậc 01 - Cấm bậc 02 - Cấm bậc 03 - Cấm bậc 04 ΔJ 0, 1, 2=  và Δπ 0 6 – 9 ΔJ 2, 3=   và Δπ = 0 10 – 13 ΔJ 3, 4=   và Δπ 0 15 – 19 ΔJ 4=  22 1.1.8. Tương tác của hạt beta với vật chất 1.1.8.1. Độ mất năng lượng riêng của hạt electron Đối với các hạt nhẹ tích điện ta chỉ xem xét hạt electron vì hạt positron ít được khảo sát trong thực tế. Sự truyền qua vật chất của hạt electron khác với các hạt nặng tích điện là do khối lượng của nó rất bé dẫn đến độ thay đổi động năng trong một lượt va chạm khá lớn, điều đó dẫn đến các kết quả như sau: Thứ nhất, hạt electron vào bay ra lệch đáng kể khỏi phương bay ban đầu của nó. Thứ hai, trong các va chạm có thể sinh ra các bức xạ điện từ. Có thể tóm lại, quỹ đạo của hạt electron không phải là đường thẳng và nó mất nhiều năng lượng để sinh ra bức xạ điện từ. Ngoài ra khi hạt electron vào va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử môi trường xuất hiện hiệu ứng trao đổi do không phân biệt được hai hạt electron này. Hiệu ứng trao đổi có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình truyền electron qua vật chất. Đối với hạt positron không có hiệu ứng trao đổi 17 nhưng lại có hiện tượng hủy cặp electron – positron như đã nói ở trên, làm ảnh hưởng đáng kể đến sự truyền positron qua vật chất. Cơ chế mất năng lượng đối với electron cũng giống như các hạt nặng tích điện khác. Tuy nhiên có một điểm khác biệt là do khối lượng bé của electron và hiệu ứng trao đổi, nên độ mất năng lượng riêng cuat electron được xác định bằng công thức: ( )e 4 e 2 ion e 4πn edE dx m v   − =     ( ) ( ) 2 2 2 2 2e 2 2 m v E 12ln 2 1 β 1 β ln 2 1 β 1 1 β δ 82I 1 β     − − − + + − + − − −  −     (1.47) Ở đây E là động năng tương đối của electron: 2 2e e 2 m c E m c 1 β = − − (1.48) Trong trường hợp không tương đối β << 1 thì công thức (1.47) trở thành: ( )e 4 2 e e 2 ion e 4πn e m vdE ln dx m v 2I    − =        (1.49) Trong trường hợp siêu tương đối tính 2E mc , ta có: ( )e 4 2 e 2 2 2 ion e 4πn edE E 1 ln dx m v 82I 1 β    − = +      −   (1.50) Khác với các hạt nặng tích điện, đối với electron cả hai giới hạn này đều quan trọng vì 2 em c 0,5 MeV= , tức trở thành siêu tương đối ngay cả khi động năng của nó có giá trị cỡ vài MeV. Do hạt electron có khối lượng bằng khối lượng electron trong nguyên tử nên va chạm giữa chúng làm hạt electron chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu. Do đó electron chuyển động theo đường cong khúc khủyu sau nhiều lần va chạm trong môi trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng để ion hóa. Dọc theo đường này có rất nhiều cặp ion tạo ra nên quá trình ion hóa sơ cấp của hạt electron ban đầu lẫn quá trình ion hóa thứ cấp do các hạt delta electron. Quỹ đạo chuyển động có thể ghi nhận bằng nhũ tương ảnh hay buồng bọt. 18 1.1.8.2. Độ ion hóa riêng Do hạt electron tạo nên các cặp ion dọc theo đường đi của mình nên nó có độ ion hóa riêng. Độ ion hóa riêng là số cặp ion tạo ra trên quãng đường đi đơn vị của hạt electron. Độ ion hóa riêng khá cao đối với hạt electron năng lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng của hạt electron. Nếu biết trước độ mất năng lượng trung bình w sinh cặp ion, thì độ ion hóa riêng s được tính theo công thức sau: dE eV dx cm s = eV w c.i.             (1.51) Trong đó c.i. là cặp ion. 1.1.8.3. Bức xạ hãm Khi hạt electron đi đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu, tức là chuyển động có gia tốc, và mất năng lượng bức xạ điện từ, gọi là bức xạ hãm. Năng lượng bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại 0E của động năng hạt electron vào. Sự mất năng lượng của hạt electron trong trường hợp này gọi là mất năng lượng do bức xạ. Cường độ bức xạ hãm W, là lượng năng lượng bức xạ trong 1 giây, đối với hạt có gia tốc dv a = dt trong trường hợp không tương đối và không lượng tử hóa bằng: 2 2 2 3 3 e z W a 2 c = (1.52) Thay F a = m ta được cường độ bức xạ hãm khi tương tác Coulomb của hạt với tâm điện tích tỉ lệ nghịch với bình phương khối lượng hạt và tỉ lệ thuận với bình phương điện tích của tâm tán xạ. Như vậy sự mất năng lượng bức xạ chỉ có giá trị đáng kể đối với hạt electron chứ không quan trọng đối với hạt nặng tích điện. Chẳng hạn độ mất năng lượng do bức xạ của hạt proton vào khoảng p 6 e m 3.10 m       lần nhỏ 19 hơn đối với electron. Ngoài ra sự mất năng lượng do bức xạ đối với hạt electron chủ yếu do tương tác với hạt nhân chứ không phải do tương tác với electron quỹ đạo. Thật vậy, cường độ bức xạ hãm của hạt electron với hạt nhân 2Z lần lớn hơn so với tương tác với electron trong lúc số electron quỹ đạo chỉ Z lần lớn hơn hạt nhân. Việc tính đến hiệu ứng tương đối và lượng tử hóa không thay đổi các nhận xét nêu trên. Độ mất năng lượng do bức xạ được mô tả bởi các công thức sau: Trường hợp không tương đối, tức là khi 2 eE << m c : ( )e 2 2 e rad Z rdE 16 nE dx 3 137   − =    (1.53) Trong đó: ( )3 A N n ρ g/cm A = (1.54) là mật độ nguyên tử của môi trường, 23 AN 6,02.10= phân tử/ mole, A và Z là khối lượng và số nguyên tử của hạt nhân môi trường. 2 13 e 2 e e r 2,82.10 cm m c −= = (1.55) là bán kính cổ điển của electron. Trường hợp tương đối với 2 2 1/3e e m c << E << 137m c Z − và bỏ qua hiệu ứng che màng của các electron đối với hạt nhân: ( )e 2 2 e 2 rad e Z rdE 2E 4 nE 4ln dx 137 3m c    − = −       (1.56) hoặc đối với trường hợp 2 1/3 e E >> 137m c Z − và tính đến hiệu ứng che màng hoàn toàn của các electron đối với hạt nhân: ( )e 2 2 e 1/3 rad Z rdE 183 2 nE 4ln dx 137 9Z     − = +        (1.57) Theo công thức (1.53), (1.56) và (1.57) thì độ mất năng lượng do bức xạ, nếu bỏ qua sự phụ thuộc logarit, tỉ lệ với bình phương điện tích Z của hạt nhân môi trường, mật độ nguyên tử n và động năng E của electron: 20 ( )e 2 rad dE ~ Z nE dx   −    (1.58) Ta viết dưới dạng đơn giản công thức (1.47) đối với độ mất năng lượng riêng do ion hóa: ( )e e ion dE ~ n ~ nZ dx   −    (1.59) So sánh hai công thức (1.58) và (1.59) với nhau ta được: ( ) ( ) rad ion dE/dx ~ EZ dE/dx (1.60) Nếu E tính theo đơn vị MeV thì tỉ số giữa độ mất năng lượng riêng do bức xạ và độ mất năng lượng riêng do ion hóa bằng: ( ) ( ) rad ion dE/dx EZ dE/dx 800  (1.61) Công thức (1.61) cho thấy độ mất năng lượng riêng do bức xạ trong nước (Z = 8) với E = 100 MeV có giá trị bằng độ mất năng lượng riêng do ion hóa. Đối với chì thì điều đó xảy ra ở năng lượng E 10 MeV . Giá trị năng lượng mà tại đó độ mất năng lượng riêng do bức xạ có giá trị bằng độ mất năng lượng riêng do ion hóa được gọi là năng lượng tới hạn. Từ công thức (1.61) suy ra rằng năng lượng tới hạn er 800 E MeV Z  . Trên miền năng lượng trên năng lượng tới hạn thì độ mất năng lượng do bức xạ đóng vai trò chủ yếu. Khi đó năng lượng electron giảm theo hàm mũ khi đi xuyên qua vật chất: radx/ 0E E e −= (1.62) Trong đó rad gọi là độ dài bức xạ. Trên bảng 1.2 trình bày độ dài bức xạ rad và năng lượng tới hạn erE đối với một số chất. Độ mất năng lượng lớn do bức xạ của electron năng lượng cao được sử dụng để tạo nên chùm năng lượng tử γ trong các máy gia tốc electron. 21 Bảng 1.2. Độ dài bức xạ và năng lượng tới hạn đối với một số chất [5] Chất Độ dài bức xạ rad ( )2g / cm erE ( )MeV Chất Độ dài bức xạ rad ( )2g / cm erE ( )MeV H 63,1 340 Al 24,0 27 He 94,3 220 Fe 13,8 24 C 42,7 103 Cu 12,9 21,5 Không khí 36,2 83 Pb 6,4 6,9 1.1.8.4. Quãng chạy của electron trong vật chất Electron có năng lượng không lớn, nghĩa là trong miền mà độ mất năng lượng chủ yếu do ion hóa, thì đường đi của hạt electron không phải là đường thẳng do khối lượng của nó bằng khối lượng của electron trong nguyên tử. Do đó khái niệm về quãng chạy trong trường hợp này không được xác định đơn trị. Điều đó được minh họa trên hình 1.5 về sự phụ thuộc cường độ electron theo bề dày lớp vật chất khi nó truyền qua môi trường vật chất này. Hình 1.5. Sự phụ thuộc cường độ electron vào bề dày lớp vật chất Sự phụ thuộc cường độ electron I theo bề dày x lớp vật chất được mô tả theo hàm số: μx 0I I e −= (1.63) 22 Trong đó μ là hệ số hấp tuyến tính, đơn vị là 1cm− . Hệ số hấp thụ khối được xác định theo năng lượng cực đại maxE của hạt electron như sau: ( )4/3 2max μ = 22 E g/cm ρ − đối với max0,5 E 6 MeV  (1.64) Trên hình 1.5, số electron giảm đơn điệu theo bề dày và đạt đến 0 tại giá trị maxR . Do đó đối với electron ta có hai đại lượng về quãng chạy là quãng chạy cực đại và quãng chạy trung bình. Quãng chạy cực đại là độ dày tối thiểu của lớp vật chất giữ lại toàn bộ các hạt electron. Đây chính là quãng đường đi toàn phần của hạt electron trong vật chất. Quãng chạy trung bình là độ dày lớp vật chất mà electron truyền qua khi tính trung bình. Trong thực tế người ta hay dùng quãng chạy cực đại hơn. Việc tính toán quãng chạy cực đại gặp nhiều khó khăn nên người ta sử dụng các bảng hay các công thức bán thực nghiệm. Chẳng hạn đối với electron năng lượng thấp erE E ta có công thức: maxR 0,526E 0,24= − (1.65) Trong đó E tính theo đơn vị MeV và maxR tính theo đơn vị 2g/cm . Quãng chạy trung bình của electron năng lượng E (MeV) bằng: ( ) 1,38 2 0,407E 0,15 < E < 0,8 MeV R g/cm 0,542E 0,133 0,8 < E < 3 MeV  =  − (1.66) Ngoài quãng chạy tuyến tính d tính theo centimet người ta còn còn dùng quãng chạy mật độ md , đơn vị 2g/cm , được xác định như sau: ( ) ( ) ( )2 3md g/cm ρ g/cm d cm=  (1.67) Trong đó ρ là mật độ khối của chất hấp thụ, tính theo 3g/cm . 1.2. Tổng quan về Strontium–90 (Sr-90) Strontium – 90 là đồng vị phóng xạ chính của phản ứng phân hạch hạt nhân, thường xuất hiện trong bụi từ các vụ nổ hạt nhân được kể đến như tai nạn hạt nhân ở sông Techa, Chernobyl và Fukushima hoặc trong các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng của lò phản ứng hạt nhân và được coi là một sản phẩm thải. Ở dạng nguyên chất 23 Strontium là một kim loại bạc mềm, sáng, nhưng sẽ chuyển sang màu vàng khi tiếp xúc với không khí [6]. Strontium có đặc tính gần giống với Canxi được thể hiện trong trong bản tuần hoàn Mendeleev, khi được hấp thụ do hít phải, ăn thức ăn và nước uống có chứa Strontium. Trung bình 30 – 40% Sr-90 được hấp thụ vào máu, và hấp thụ khoảng 60% đối với trẻ em trong năm đầu đời, người lớn ăn chay và có chế độ ăn kiêng cũng sẽ tăng sự hấp thụ của ruột đối với Strontium do cơ thể sẽ xem Strontium như Canxi, nó cũng tập trung chủ yếu ở xương và răng, đây là nguyên nhân chính dẫn đến ung thư xương, tủy xương, và các mô mềm xung quanh xương. Strontium không phát gamma nên giảm sự nguy hiểm khi bị chiếu ngoài, ngược lại, sẽ rất nguy hiểm nếu bị chiếu trong do Strontium phát beta và thời gian bán rã tương đối dài, điều này khiến Strontium trở nên nguy hiểm trong bụi phóng xạ. Hình 1.6 cho thấy phân rã beta của Strontium là một phân rã tầng, đầu tiên Sr-90 phát beta với năng lượng 0,546 MeV thành Y-90 không ổn định và sau đó phát beta với năng lượng 2,28 MeV trở thành Zr-90 ổn định. Thời gian tồn tại của Y-90 ngắn hơn rất nhiều so với Sr-90 (Thời gian bán rã tương ứng là 64 giờ và 28,8 năm). Do hai quá trình phân rã liên tiếp đều phát 100% beta, không có sự xuất hiện của tia gamma nên thuận lợi cho việc xác định phân rã và phân tích phổ beta phát ra. Hình 1.6. Sơ đồ phân rã của Sr-90 24 Strontium được sử dụng nhiều trong thương mại và nghiên cứu, chúng ta có thể gặp strontium trong vật liệu quang học, cũng như dùng strontium tạo màu đỏ cho pháo hoa và đèn tín hiệu. Strontium có thể được sử dụng như một chất khử Oxy trong các ống electron, dùng làm chất đánh dấu phóng xạ trong y học hạt nhân và dùng làm nguồn năng lượng cho các ứng dụng nghiên cứu, bao gồm trong các thiết bị SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power) để cấp năng lượng cho trạm thời tiết và vệ tinh [7]. 1.3. Tổng quan về Yttrium–90 (Y-90) Tính chất hoá học của Yttri: Tính chất hoá học của mỗi nguyên tố được đặc trưng bởi số hiệu nguyên tử (Z), do đó các đồng vị của cùng một nguyên tố thì có tính chất hoá học như nhau, nghĩa là tính chất hoá học Yttri không phóng xạ giống với Yttri-90 phóng xạ. Yttri là nguyên tố thuộc nhóm IIIB, chu kì 5, số thứ tự nguyên tử bằng 39 (Z=39), có cấu hình điện tử: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2. Việc chỉ có một electron d làm cho cấu hình 4d15s2 đó kém bền do đó chúng rất hoạt động về mặt hóa học, khác với các nguyên tố d khác, nguyên tố nhóm IIIB này có trạng thái oxy hóa không biến đổi là +3 như bảng tuần hoàn hình 1.7 sau: Hình 1.7. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Đối với Yttri kim loại chuyển tiếp hóa trị ba, Yttri tạo thành các hợp chất vô cơ khác nhau trong các hợp chất Yttri có số ôxi hóa thông thường +3 bằng cách cho đi 25 3 electron hóa trị của nó, ion Y3+ không màu trong dung dịch. Các đặc điểm của Yttri như bảng 1.3 sau: Bảng 1.3. Đặc điểm và tính chất của Yttrium Tên nguyên tố Yttri Ký hiệu hóa học Y Phân loại Kim loại họ lantanoit Nguyên tử số (Z) 39 Khối lượng nguyên tử 88,9 Cấu hình điện tử [Kr] 4d1 5s2 [Xe] Trạng thái oxy hóa +1, +2; +3 Bán kính cộng hóa trị (pm) 180 Độ dài liên kết cộng hóa trị (pm) 190 ± 7 Trong các đồng vị chỉ có Y-89 là đồng vị bền tồn tại trong tự nhiên, Yttri khá bền trong không khí vì chúng được bao bọc bởi một lớp màng oxit bảo vệ nhưng khi nghiền nhỏ và bị đốt nóng thì dễ dàng tạo thành Yttri oxit: Y + O2 → Y2O3 (1.68) Yttri phản ứng chậm với nước lạnh nhưng phản ứng khá nhanh với nước nóng cho ra Yttrihydroxit và giải phóng khí hidro: 2Y (r) + 6H2O (l) → 2Y(OH)3 (l) + 3H2 (k) (1.69) Kim loại Yttri phản ứng với tất cả các halogen trihalides như fluoride Yttrium (III) (YF3), Yttri clorua (III) (YCl3), và Yttri bromide (III) (YBr3) ở nhiệt độ 200 °C. 2Y (r) + 3F2 (k) → 2YF3 (r) (1.70) 2Y (r) + 3Cl2 (k) → 2YCl3 (r) (1.71) 2Y (r) + 3Br2 (k) → 2YBr3 (r) (1.72) 2Y (r) + 3I2 (k) → 2YI3 (r) (1.73) 26 Tương tự như vậy, cacbon, phốt pho, selen, silic và lưu huỳnh tất cả các hình thức hợp chất nhị phân với Yttri ở nhiệt độ cao. Ðồng vị phóng xạ Yttri-90: Yttrium-90 là đồng vị phóng xạ nhân tạo được sinh từ sự phân rã − của hạt nhân 90Sr. ( ) 9090235 U n,f Sr Y ⎯⎯→ (1.74) Hoặc được chiếu xạ trên lò phản ứng với phương trình kích hoạt 89Y(n,γ)90Y. Sau khi phân rã − chuyển thành đồng vị Zr-90 bền và phát ra năng lượng 2,28 MeV. Ngày nay, Yttrium-90 đã trở thành một hạt nhân phóng xạ được sử dụng rộng rãi trong điều trị bệnh ung thư nhờ các tính chất vật lý của nó như năng lượng phát tia beta cao ( max E 2,280 keV− = ) với quãng chạy trong mô dài hơn tất cả các hạt phát tia − khác (11 mm tương ứng khoảng 600 tế bào), không phát tia gamma, thời gian bán rã của nó là 64,14 giờ, nên Y-90 có khả năng tiêu diệt tế bào ung thư nổi trội hơn so với các đồng vị phóng xạ khác, đặc biệt là khối u rắn [8]. Một thuận lợi khác nữa là Y-90 luôn có sẵn nhờ sự phân rã của đồng vị mẹ Sr-90. Bảng 1.3 liệt kê các đồng vị phóng xạ của Y-90. Bảng 1.4. Tính chất hạt nhân của đồng vị Yttrium [8] Đồng vị Tồn tại Chu kỳ phân rã Phân rã Năng lượng (MeV) Đồng vị con 87Y tổng hợp 3,35 ngày ε - 87Zr γ 0,48, 0,38 - 88Y tổng hợp 106,6 ngày ε - 88Zr γ 1,83, 0,89 - 89Y tự nhiên 89Y đồng vị bền 90Y tổng hợp 2,67 ngày β− 2,28 90Zr γ 2,18 - 91Y tổng hợp 58,5 ngày β− 1,54 91Zr γ 1,20 - 27 Hình 1.8. Sơ đồ phân rã rã Y-90 Phân rã phóng xạ của Y-90 tuân theo quy luật động học bậc nhất: t 0N N e −= (1.75) Trong đó N là số nguyên tử của hạt nhân phóng xạ Y-90 đang khảo sát,  là hằng số tốc độ phân rã, N0 là số nguyên tử của hạt nhân phóng xạ ở thời điểm t = 0. Bởi những tính năng ưu việt của chúng, đồng vị phóng xạ Y-90 đã được nghiên cứu và được ứng dụng trong điều trị trong lĩnh vực y học hạt nhân. Đó là đánh dấu Y-90 với protein, peptid, kháng thể và các chất sinh học khác dùng trong điều trị các loại bệnh ung thư khác nhau như: - Keo Y-90 silicate/citrate điều trị viêm khớp. - Y-90 đánh dấu hạt vi cầu tạo thành y-90-microsphere điều trị ung thư gan. - Y-90-Ibritumomab điều trị u lympho bào B không Hodgkin (Zevalin). - Y-90-DOTATATE điều trị u thần kinh nội tiết. - Y-90-EDTMP điều trị giảm đau di căn ung thư xương. - Y-90-kháng thể đơn dòng hoặc peptid để điều trị các ung thư khác. 1.4. Kết luận chương 1 Chương 1 đã trình bày tổng quan và cho chúng ta cái nhìn tổng thể về phân rã beta, các tính chất của bức xạ beta và sự tương tác của bức xạ beta với vật chất. Trong chương 1 cũng đã trình bày tổng quan về những đặc tính của hai đồng vị phóng xạ Strontium -90 và đồng vị con của nó là Yttrium – 90, đồng thời chỉ ra được sự quan trọng của Yttrium – 90 trong y học hạt nhân và ứng dụng của nó vào điều trị ung thư. 28 CHƯƠNG 2 HỆ ĐO TỔNG BETA BẰNG ỐNG ĐẾM GEIGER – MULLER 2.1. Ống đếm chứa khí Geiger – Muller 2.1.1. Nguyên tắc hoạt động Ống đếm GM là loại ống đếm chứa khí hoạt động trong vùng phóng điện, có dạng hình trụ. Anode là một sợi dây chính giữa trụ, cathode là lớp kim loại mỏng được phủ ở thành trong của ống đếm. Hình 2.1. Cấu tạo của ống đếm Geiger - Muller Khi tiếp tục tăng điện thế quá miền tỉ lệ thì số electron thứ cấp tăng nhanh dọc theo dây anode. Khi các electron đập vào dây này, chúng làm phát ra các tia cực tím. Đến lượt mình, các tia cực tím lại giải phóng các electron bổ sung từ thành ngoài ống đếm. Các electron đó được gia tốc hướng tới dây trung tâm, tại đó chúng lại làm phát ra các tia sáng cực tím khác. Quá trình thác lũ này phát triển trong thể tích khí và dọc theo dây anode. Số electron tăng rất nhanh trong ống đếm dẫn đến sự tăng nhanh biên độ tín hiệu ra. Detector khí làm việc trong chế độ thác lũ này gọi là ống đếm Geiger – Muller [5]. Trên miền IV, hình 2.2 ta thấy, đặc trưng vận tốc đếm – điện thế đối với ống đếm G – M có miền plateau, tại đó tốc độ đếm không thay đổi khi tăng cao thế của nguồn. Bởi vì, khi quá trình thác lũ phát triển, các electron là các hạt tương đối nhẹ, được tự hợp lại rất nhanh, còn các ion là các hạt nặng, chuyển động chậm nên không được tụ hợp nhanh như vậy. Do đó có một “ống” các điện tích dương chuyển động chậm hình thành xung quanh dây dẫn trung tâm. Khi đó quá trình thác lũ bị chấm dứt 29 vì các electron rơi vào đám mây các ion dương và bị bắt trước khi đi đến dây trung tâm [5]. Hình 2.2. Đường đặc trưng điện tích – điện thế đối với ống đếm chứa khí [5] Trên hình 2.2, miền I là miền tái hợp, miền II là buồng ion hóa, miền III là ống đếm tỉ lệ, miền IV là ống đếm Gieger – Muller, miền V là miền phóng điện. Khi quá trình thác lũ kết thúc thì đám mây ion này đến gần điện cực ngoài, các electron lại bị kéo ra khỏi điện cực để trung hòa chúng. Một số electron rơi vào quỹ đạo năng lượng cao của ion dương và sau đó chuyển về quỹ đạo năng lượng thấp hơn làm bức xạ tia cực tím. Các tia cực tím đập vào thành ngoài của ống đếm bức electron ra và tạo nên quá trình thác lũ mới, quá trình phóng điện xảy ra liên tục trong ống đếm G – M. Một trong các phương pháp chấm dứt quá trình thác lũ này là bổ sung một số khí đa nguyên tử vào thể tích khí cơ bản (thường là Argon, Neon, Nito). Các khí bổ sung này, chẳng hạn như hơi rượu, etilen, đimêtôxi – mêtan có tác dụng tạo nên môi trường hấp thụ các bức xạ tử ngoại làm ngăn chặn việc bứt các electron từ ống đếm, và do đó làm tắt quá trình thác lũ. Ống đếm G – M cấu trúc theo phương pháp này gọi là ống đếm tự tắt [5]. 2.1.2. Đặc trưng plateau Hình 2.3 thể hiện vùng plateau của ống đếm Gieger – Muller. Khi tăng điện thế làm việc từ Vs đến V2, trong miền V1 đến V2 thì số đếm không tăng thêm nữa, ta nói V1 là điểm đầu của miền plateau và điểm V2 là điểm kết thúc. Thông thường điểm 30 làm việc VP được chọn gần chính giữa của miền plateau. Miền plateau có 2 đặc trưng sau đây: Độ dài plateau = (V2 - V1) vôn (2.1) Độ nghiêng plateau ( ) ( ) ( ) 2 1 2 1 2 1 N N q % .100% N N V V 2 − = +  − (2.2) Đại lượng 0,03 q 3% 100V = = là chấp nhận được trong nhiều ứng dụng thực tế. Hình 2.3. Đặc trưng plateau của ống đếm Geiger – Muller [5] 2.1.3. Thời gian chết và thời gian hồi phục Thời gian chết và thời gian hồi phục là hai thông số có liên quan đến tốc độ đếm của ống đếm Geiger – Muller. Thời gian chết là thời gian mà đầu dò không nhạy với các bức xạ nữa, có nghĩa là trong thời gian này đầu dò không thể ghi nhận số đếm từ bức xạ phát ra. Thời gian hồi phục là khoảng thời gian tính từ hạt tạo được xung điện nhưng có biên độ bé đến khi hồi phục hoàn toàn kích thước xung như lúc ban đầu. Tốc độ đo được tính bởi công thức: 1 N N 1 N = − (2.3) Trong đó:  là thời gian chết, N là tốc độ đếm. Công thức (2.3) chỉ đúng khi N 1  . Thời gian chết của ống đếm Geiger - Muller khoảng 50 – 200 μsec . 31 Hình 2.4. Thời gian chết và thời gian hồi phục của ống đếm Geiger – Muller [5] 2.1.4. Hiệu suất ghi của đầu dò Trong các phép đo phóng xạ khác nhau, cần hiểu rằng không phải hạt nào cũng được ghi khi đi vào ống đếm. Hơn nữa, thậm chí nếu tương tác xảy ra thì tín hiệu cũng chỉ được ghi nhận nếu nó có giá trị lớn hơn độ nhạy của hệ ghi. Do đó hiệu suất ghi là một trong những thông số cơ bản của ống đếm trong quá trình xác định hoạt độ của mẫu phân tích. Hiệu suất ghi bằng tỷ số giữa số bức xạ ghi nhận trên số bức xạ đi vào ống đếm được gọi là xác suất ghi nhận bức xạ. ( ) p N N η % 100 At − = (2.4) Trong đó: N là số đếm đo được tại vị trí tương ứng, pN là số đếm phông, t là thời gian đo, A là hoạt độ nguồn chuẩn tại thời điểm đo (Bq). Xác suất ghi nhận phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại bức xạ, năng lượng của bức xạ, khoảng cách từ nguồn đến detector, kích thước và vật liệu detector, cũng như vào ngưỡng phân biệt của thiết bị ghi. 32 2.2. Các ống đếm Geiger - Muller nghiên cứu trong khóa luận 2.2.1. Ống đếm Geiger - Muller nghiên cứu tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh a) Bộ điều khiển và hiển thị số đếm b) Ống đếm Geiger - Muller Hình 2.5. Ống đếm Geiger - Muller tại bộ môn Vật lý hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM 2.2.1.1. Thông số kỹ thuật: Kính thước: 235x140x110 mm. Thiết bị nặng: 1,6 kg. Nguồn nuôi: 200/240V AC - 50/60 Hz 33 2.2.1.2. Các nút điều khiển của máy POWER: Tắt/Mở máy và nằm ở phía sau, sử dụng nguồn điện 220V và sáng màu đỏ khi bật. SELECT FUNCTION: Dùng để chọn 4 chức năng đếm khác nhau, chức năng được chọn sẽ sáng đèn led và đèn nhấp nháy khi bắt đầu đếm. Count continuously: Đếm liên tục với thời gian tùy ý. 100 sec: Đếm 100 giây rồi dừng. 10 sec: Đếm 10 giây rồi dừng. Rate: Số đếm/ giây, tốc độ đếm được hiển thị là từ 1 đến 10000 số đếm/ giây. START: Bắt đầu đo. Nếu nhấn trong khi đếm, màn hình sẽ đóng băng số đếm. STOP: Dừng đo và số đếm được lưu vào bộ nhớ. RESET: Nhấn sau khi đếm, đặt lại màn hình hiển thị về 0. MEM: Bộ nhớ lưu trữ số đếm đã lưu. Nếu bộ nhớ hoạt động đèn led đỏ sẽ sáng, nếu bộ nhớ đầy đèn led sẽ nhấp nháy. SPEAKER: Điều chỉnh âm thanh loa ngoài, Mỗi tín hiệu vào sẽ phát ra tiếng “click”. GEIGER: Điều chỉnh điện áp đặt vào ống đếm GM từ 200 đến 600V. Điện áp làm việc ổn định của đầu dò khoảng 400V. 2.2.2. Ống đếm Geiger Muller tại viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt 2.2.2.1. Giới thiệu hệ đo tổng hoạt độ beta GC 602A Máy đo tổng hoạt độ beta GC 602A (do hãng Nucleonix System sản xuất) là một hệ thống đếm đa năng được thiết kế trên 1 chip điều khiển 8 bit, được sử dụng trong nghiên cứu và đào tạo. 34 Hình 2.6. Ống đếm Geiger - Muller tại Viện nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt 2.2.2.2. Các thông số chính của thiết bị Ống đếm GM cửa sổ, dạng đứng SG 200. Buồng chì LS 240. Xung ra ống đếm GM phân cực âm, biên độ 500 mV. Thời gian phân giải ~ 6 μs . Màn hình LCD 16 x 2. Cao thế 0 – 1500 V. Thời gian đo 0 – 9999 s. Đại lượng đo được: Số đếm/ giây (cps) tương ứng với ngưỡng đo 0 – 999999 cps. Kích thước 34 x 10,