Khóa luận Xác định suất liều phóng xạ môi trường sử dụng detector nai(tl) 7, 6cm x 7, 6cm

 Tổng quan 3

1.1 Giới thiệu về phóng xạ môi trường tự nhiên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường tự nhiên . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.2 Các chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên Actinium, Uranium, Thorium . . . 4

1.1.3 Phóng xạ từ khí Radon và con cháu của Radon . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2 Các đại lượng vật lý mô tả tương tác bức xạ với vật chất . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.1 Hệ số Kerma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.2 Liều hấp thụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.3 Liều chiếu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.3 Mối tương quan giữa suất liều chiếu và phổ năng lượng – hệ số chuyển đổi suất

liều chiếu G(E) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.3.1 Mối tương quan giữa suất liều chiếu và phổ năng lượng . . . . . . . . . 18

1.3.2 Hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.3.3 Hệ số G(E) của detector NaI(Tl) 7;6cm×7;6cm . . . . . . . . . . . . 19

pdf52 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 14/02/2022 | Lượt xem: 316 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Khóa luận Xác định suất liều phóng xạ môi trường sử dụng detector nai(tl) 7, 6cm x 7, 6cm, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
bền vững Pb-207 (có độ phổ cập là 22,1%). Hình 1.1 trình bày về sơ đồ phân rã của chuỗi U-235. Trong chuỗi U-235 có quá trình phân rã tạo ra khí trơ Rn-219 có chu kỳ bán rã 3,96 giây quá ngắn để vào trong khí quyển và cũng là lí do không khảo sát đồng vị này trong môi trường không khí xung quanh. Bảng 1.1 trình bày về các sản phẩm phân rã, cũng như thời gian bán rã của chuỗi U-235. 5 Bảng 1.1: Chuỗi phân rã phóng xạ Actinium [6]. Đồng vị phóng xạ Phân rã Thời gian bán rã Năng lượng (MeV) Sản phẩm U-235 α 7,038×108 năm 4,679 Th-231 Th-231 β− (99,999999%) α (0,000001%) 25,52 giờ 0,389 0,389 Pa-231 Ra-227 Pa-231 α 32760 năm 5,149 Ac-227 Ra-227 α 42,2 phút 1,325 Rn-223 Ac-227 β− (98,62%) α (1,38%) 21,773 năm 0,045 5,042 Th-227 Fr-223 Th-227 α 18,72 năm 6,146 Ra-223 Rn-223 β− 23,2 phút 1,000 Fr-223 Fr-223 β− (99,994%) α (0,006%) 22,0 phút 1,149 5,430 Ra-223 At-219 Ra-223 α 11,435 ngày 5,979 Rn-219 At-219 α (0,006%) β− (99,994%) 22,0 phút 1,149 5,430 Ra-223 At-219 Rn-219 α 3,96 giây 6,946 Po-215 Bi-215 β− 3,96 giây 6,946 Po-215 Po-215 α (99,999977%) β− (0,000023%) 1,781×10−3 giây 7,526 0,721 Pb-211 At-215 At-215 α 0,1×10−3 giây 8,178 Bi-211 Pb-211 β− 36,1 phút 1,373 Bi-211 Bi-211 α (99,72%) β− (0,28%) 2,14 phút 0,579 6,751 Tl-207 Po-211 xem trang tiếp theo 6 Bảng 1.1: Chuỗi phân rã phóng xạ Actinium [6]. Đồng vị phóng xạ Phân rã Thời gian bán rã Năng lượng (MeV) Sản phẩm Po-211 α 0,516 giây 7,595 Pb-207 Tl-207 β− 4,77 phút 14,230 Pb-207 Pb-207 bền b Chuỗi phóng xạ Uranium (U-238) Hình 1.2: Dãy phân rã phóng xạ Uranium [6]. Đồng vị phóng xạ U-238 được tìm thấy trong hầu hết các loại đá, đất và vật liệu xây dựng, trải qua 14 lần dịch chuyển, thành đồng vị chì bền vững Pb-206 (có độ phổ cập là 24,1%). Hình 1.2 là sơ đồ phân rã của chuỗi U-238. Ngày nay tỉ lệ U−235U−238 ≈ 0,72%. Bảng 1.2 trình bày các sản phẩm phân rã cũng như chu kỳ bán rã có trong chuỗi U-238. 7 Chuỗi phóng xạ Uranium đáng chú ý nhất là đồng vị Ra-226 và khí Rn-222 được sinh ra. Nguyên tố Ra-226 trong môi trường không tồn tại dưới dạng khoáng chất riêng lẻ mà tồn tại ở dạng muối clorua, bromua, nitrat dễ hòa tan trong nước hoặc một số muối ít tan kết hợp với các khoáng chất khác như canxicacbonat, oxit sắt ngậm nước. Đồng vị Ra-226, phát ra nhiều bức xạ gamma, chiếm 85,5% bức xạ gamma của cả dãy. Trong dãy này có khí Rn-222, khi U-238 phân rã trong đất khí Rn-222 được sinh ra ngưng đọng thành chất lỏng dưới bề mặt đất, khi chất lỏng ở bề mặt đất bốc hơi vào khí quyển, Rn-222 sẽ khuếch tán vào bầu khí quyển, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Bảng 1.2: Chuỗi phân rã phóng xạ Uranium [6]. Đồng vị phóng xạ Phân rã Thời gian bán rã Năng lượng (MeV) Sản phẩm U-238 α 4,468×109 năm 4,270 Th-234 Th-234 β− 24,10 ngày 0,273 Pa-234 Pa-234 β− 6,7 giờ 2,197 U-234 U-234 α 245500 năm 4,859 Th-230 Th-230 α 75380 năm 4,770 Ra-226 Ra-226 α 1602 năm 4,871 Rn-222 Rn-222 α 3,8235 ngày 5,590 Po-218 Po-218 α (99,98%) β− (0,02%) 3,1 phút 6,615 0,265 Pb-214 At-218 At-218 α (99,90%) β− (0,10%) 1,5 giây 6,874 2,883 Bi-214 Rn-218 Rn-218 α 35×10−3 giây 7,263 Po-214 Pb-214 β− 26,8 phút 1,024 Bi-214 xem trang tiếp theo 8 Bảng 1.2: Chuỗi phân rã phóng xạ Uranium [6]. Đồng vị phóng xạ Phân rã Thời gian bán rã Năng lượng (MeV) Sản phẩm Bi-214 β− (99,98%) α (0,02%) 19,9 giây 3,272 5,617 Po-214 Tl-210 Po-214 α 0,1643×10−3 giây 7,883 Pb-210 Tl-210 β− 1,3 phút 5,484 Pb-210 Pb-210 β− 22,3 năm 0,064 Bi-210 Bi-210 β− (99,99987%) α (0,00013%) 5,013 ngày 1,426 5,982 Po-210 Tl-206 Po-210 α 138,376 ngày 5,407 Pb-206 Tl-206 β− 4,199 phút 1,533 Pb-206 Pb-206 bền c Chuỗi phóng xạ Thorium (Th-232) Xuất phát là hạt nhân Th-232 (có độ phổ cập là 100%) trong tự nhiên, trải qua 10 lần dịch chuyển, trở thành đồng vị bền vững Pb-208 (có độ phổ cập là 52,4%). Hình 1.3 là sơ đồ chuỗi phân rã của Th-232. Thori phân tán rộng trên vỏ Trái Đất, hàm lượng trung bình của Thori lớp trên cùng của vỏ Trái Đất khoảng 1,2×10−5%. Hàm lượng Thori có xu hướng tăng dần trong các lớp bề mặt. Đó là do các khoáng chất chứa Thori có độ hòa tan cực kỳ thấp. Do đó, kết quả theo sau các quá trình phong hóa là các thành phần khác nhau của đất bị phân hủy ở mức độ rất lớn trong khi các khoáng chất Thori phân hủy ở mức độ thấp hơn, vì vậy mà Thori ở các lớp bề mặt được làm giàu. Nên Thori được tìm thấy trong hầu hết các loại đất, đá, vật liệu xây dựng, bê tông và gạch. Bảng 1.3 trình bày về các sản phẩm phân rã cũng như thời gian bán rã có trong chuỗi Th-232. 9 Hình 1.3: Dãy phân rã phóng xạ Thorium [6]. Bảng 1.3: Chuỗi phân rã phóng xạ Thorium [6]. Đồng vị phóng xạ Phân rã Thời gian bán rã Năng lượng (MeV) Sản phẩm Th-232 α 1,405×1010 năm 4,083 Ra-228 Ra-228 β− 6,7 năm 1,325 Ac-228 Ac-228 β− 6,15 giờ 2,127 Th-228 Th-228 α 1,9131 năm 5,520 Ra-224 Ra-224 α 3,66 ngày 5,789 Rn-220 Rn-220 α 55,6 giây 6,405 Po-216 Po-216 α 0,145 giây 6,906 Pb-212 Pb-212 β− 10,64 giờ 7,263 Bi-212 xem trang tiếp theo 10 Bảng 1.3: Chuỗi phân rã phóng xạ Thorium [6]. Đồng vị phóng xạ Phân rã Thời gian bán rã Năng lượng (MeV) Sản phẩm Bi-212 β− α 60,55 phút 2,254 6,207 Po-212 Tl-208 Po-212 α 2,99×10−7 giây 8,954 Pb-208 Tl-208 β− 3,083 phút 5,001 Pb-208 Pb-208 bền 1.1.3 Phóng xạ từ khí Radon và con cháu của Radon Khí Radon (khí trơ) là sản phẩm của các chuỗi phân rã cùng với các đồng vị con cháu của nó là thành phần đóng góp vào phông nền. Các thành phần đó bao gồm Rn-222 (T1/2 = 3,8 ngày) trong dãy phân rã phóng xạ Uranium, Rn-219 (T1/2 = 3,96 giây) trong dãy phân rã phóng xạ Actinium và Rn-220 (T1/2 = 54,5 giây) trong dãy phân rã phóng xạ Thorium. Trong không khí gần mặt đất, hoạt độ của Radon thay đổi theo gió và thời tiết, hoạt độ thay đổi trong khoảng từ 0,1÷10Bq/m3 [7] (hoạt độ trung bình là 3,7Bq/m3) trong phòng thông hơi kém nhưng chủ yếu là Rn-222 do có chu kỳ bán rã dài. Bức xạ gamma từ phân rã của Rn-222 chủ yếu đến từ đồng vị con cháu Pb-214 (0,45 giờ), Bi-214 (0,33 giờ) và Pb-210 (22,3 năm). Khí Radon khuếch tán từ đất, vật liệu xây dựng vào không khí, con cháu của Radon phóng xạ thường ở dạng rắn ở các điều kiện thông thường và bám vào các hạt bụi khí quyển, khi con người hít bụi sẽ gây ra sự chiếu trong cơ thể rất có hại. Lượng Radon trong nhà ở phụ thuộc vào vùng địa lý, vào mùa trong năm và các yếu tố địa lý, khí hậu. . . Trong các phòng kín lượng Radon lớn hơn rất nhiều so với ở ngoài trời, nếu vượt quá mức cho phép là một trong những nguyên nhân gây nên ung thư phổi. Sống liên tục trong nhà có lượng Radon vào khoảng 150Bq/m3 thì nguy cơ tử vong do ung thư phổi tăng thêm từ 1 đến 3% [8]. 11 1.2 Các đại lượng vật lý mô tả tương tác bức xạ với vật chất 1.2.1 Hệ số Kerma Khi các hạt photon tương tác với môi trường vật chất, sẽ sinh ra các hạt mang điện thứ cấp (electron, positron) và truyền toàn bộ năng lượng hν hay truyền một phần năng lượng của photon cho các hạt mang điện này dưới dạng động năng. Các hạt mang điện thứ cấp này có thể có các động năng khác nhau, tùy thuộc vào kiểu tương tác và vào mức năng lượng liên kết trong nguyên tử. Gọi εtr là năng lượng trung bình bức xạ truyền cho các hạt mang điện thứ cấp trong một vùng thể tích trong một khoảng thời gian. Khi đó hệ số kerma K tại điểm trong vùng thể tích đang xét là [9] K = dεtr dm , (1.1) trong đó dm là vi phân khối lượng vật chất tại điểm trong vùng thể tích đang xét. Vậy kerma (kinetic energy released per mass unit) được định nghĩa là năng lượng mà chùm hạt photon truyền cho các hạt mang điện thứ cấp trong mỗi đơn vị khối lượng tại điểm đang xét, hay cụ thể hơn kerma là tổng tất cả động năng ban đầu của các hạt mang điện thứ cấp được sinh ra bởi chùm hạt photon trong một thể tích xác định của vật chất chia cho khối lượng vật chất chứa trong thể tích đó [9]. Giá trị trung bình kerma trong một vùng thể tích chứa khối lượng vật chất m là εtrm . Đơn vị của kerma là gray(Gy) với 1Gy= 1J/kg= 102 rad = 104 erg/g. (1.2) Khi biết thông lượng năng lượng ψ gây bởi nguồn photon đơn năng tại một điểm thì có thể tính kerma thông qua hệ số suy giảm truyền năng lượng khối µtrρ . Hệ số này đặc trưng cho năng lượng của photon và số nguyên tử Z của vật chất. Khi đó [9] K = ψ ( µtr ρ ) , (1.3) 12 ở đây µtr được gọi là hệ số truyền năng lượng (phụ thuộc vào năng lượng photon và môi trường và thường được xác định bằng thực nghiệm) có đơn vị là m−1, ρ là mật độ có đơn vị là kg/m3, ψ là thông lượng năng lượng có đơn vị là J/m2. Nếu xét toàn bộ phổ năng lượng từ E = 0 tới E = Emax thì ψ ′ (E) là hàm vi phân phân bố theo năng lượng photon và µtrρ cũng là hàm phụ thuộc năng lượng photon, khi ấy [9] K = E=Emax∫ E=0 ψ ′ (E) ( µtr ρ ) dE, (1.4) trong đó ψ ′ (E) = dψdE có đơn vị là J.m −2.keV−1, dE có đơn vị là keV . Từ phương các phương trình (1.3) và (1.4), giá trị trung bình ( µtr ρ ) xét trên toàn phổ năng lượng là [9] ( µtr ρ ) = K ψ = E=Emax∫ E=0 ψ ′ (E) ( µtr ρ ) dE, E=Emax∫ E=0 ψ ′ (E)dE . (1.5) Sau khi chùm photon đơn năng hν đi vào trong vật chất, các hạt mang điện thứ cấp có thể có các động năng khác nhau và chúng mất năng lượng theo hai dạng sau [9]: • Do va chạm với các electron khác trong nguyên tử vật chất hấp thụ. Gọi năng lượng trung bình các hạt này mất đi do va chạm là năng lượng hấp thụ trung bình εen. • Do phát bức xạ (bức xạ hãm, hủy cặp). Gọi năng lượng trung bình các hạt mang điện này phát ra dưới dạng bức xạ là εr. Vậy động năng trung bình của các hạt mang điện thứ cấp có thể được tách thành hai thành phần [9] εtr = εen+ εr, (1.6) gọi g= εr εtr (1.7) 13 là tỉ số giữa năng lượng trung bình phát ra do bức xạ và động năng trung bình của các hạt mang điện thứ cấp (có giá trị phụ thuộc tính chất của môi trường và năng lượng của photon). Như vậy phần năng lượng hấp thụ sẽ là [9] εen = εtr(1−g). (1.8) Kerma K được xem tương ứng với εtr nên kerma K cũng được chia thành kerma va chạm Kc và kerma phát bức xạ Kr [9] K = Kc+Kr, (1.9) Kc và Kr cũng tương ứng với εen và εr, vì thế g= KrK = εr εtr . Vậy [9] Kc = K (1−g) . (1.10) Một điểm đặc biệt ở đây rằng Kc có thể tính bằng thông lượng năng lượng ψ gây bởi nguồn photon đơn năng thông qua hệ số hấp thụ năng lượng khối ( µen ρ ) E,Z , khi đó [9] Kc = ψ ( µen ρ ) E,Z . (1.11) Với các đơn vị tương ứng với phương trình tính kerma (1.3). Trường hợp xét toàn bộ phổ năng lượng từ E = 0 tới E = Emax thì tính tương tự như phương trình (1.4) và (1.5), chỉ cần thay K thành Kc và ( µtr ρ ) thành ( µen ρ ) . Ngoài ra ta có thể tính được suất kerma là kerma tính trong một đơn vị thời gian trong vùng thể tích xác định của vật chất [9] • K = dK dt = d dt ( dεtr dm ) . (1.12) Giá trị kerma trong khoảng thời gian từ t0 đến t1 là [9] K(t0, t1) = t1∫ t0 • K (t)dt. (1.13) 14 Giả sử suất kerma là hằng số thì [9] K (t0, t1) = • K (t1− t0) , (1.14) đây cũng là giá trị trung bình của kerma trong khoảng thời gian t1− t0. 1.2.2 Liều hấp thụ Liều hấp thụ là năng lượng trung bình nhận được trên đơn vị khối lượng của vật chất từ bức xạ [3]. Gọi ε là năng lượng của bức xạ mất đi do sự ion hóa trong đối tượng bị chiếu xạ, thì khi ấy liều hấp thụ tại một điểm trong vùng thể tích đang xét là [9] D= dε dm . (1.15) Giá trị trung bình của liều chiếu trong suốt vùng thể tích chứa khối lượng vật chất m là D= εm . Đơn vị của liều hấp thụ giống với kerma. Giá trị liều hấp thụ bức xạ phụ thuộc tính chất của bức xạ và môi trường. Sự hấp thụ năng lượng của môi trường đối với tia bức xạ là do tương tác của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất. Do đó năng lượng hấp thụ trong một đơn vị khối lượng phụ thuộc vào năng lượng liên kết của các electron với hạt nhân nguyên tử và vào số nguyên tử có trong một đơn vị khối lượng của môi trường vật chất hấp thụ, nó không phụ thuộc vào trạng thái kết tụ của vật chất [3]. Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ tính trong một đơn vị thời gian có giá trị là [9] • D = dD dt = d dt ( dε dm ) . (1.16) Nếu suất liều hấp thụ là một hàm phụ thuộc thời gian, khi đó liều hấp thụ sẽ được tính thông qua công thức [9] D(t0, t1) = t1∫ t0 • D(t)dt. (1.17) 15 Tương tự như kerma, trường hợp suất liều hấp thụ là hằng số thì giá trị trung bình của liều hấp thụ trong khoảng thời gian t1− t0 là [9] D(t0, t1) = • D(t1− t0). (1.18) 1.2.3 Liều chiếu Liều chiếu của tia X và tia gamma là phần năng lượng của nó mất đi để biến đổi thành động năng của hạt mang điện trong một đơn vị khối lượng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn [3]. Nói cách khác thì liều chiếu mô tả khả năng ion hóa không khí của chùm photon. Xét một lượng không khí có khối lượng dm bị chiếu bởi một chùm photon, khi đó liều chiếu X là tỉ số [9] X = dQ dm , (1.19) trong đó dQ(C) là lượng điện tích của các hạt mang điện (electron/ positron) xuất hiện do sự ion hóa không khí bởi photon trong một khối thể tích. Điều kiện áp dụng ở đây là mọi hạt mang điện được sinh ra đều dừng lại trong dm và toàn bộ dQ được ghi nhận. Đơn vị của liều chiếu trong hệ SI làC/kg với 1C/kg= 3876R. (1.20) Một điều cần chú ý khi chùm photon đi vào một vùng thể tích không khí khô, nó sẽ sinh ra trong đó các hạt mang điện thứ cấp (điển hình là electron), các electron này tạo ra các ion bên trong cũng như ở bên ngoài khối không khí này. Do đó, khi định nghĩa liều chiếu theo Roentgen ta phải đảm bảo điều kiện cân bằng electron, nghĩa là tổng năng lượng của các electron mang ra khỏi thể tích nghiên cứu phải bằng với tổng năng lượng của các electron mang vào thể tích này [3]. Liều chiếu X là đại lượng ion hóa tương đương của kerma va chạm Kc trong không khí. Để hiểu rõ mối quan hệ này, chúng ta cần xét đến một đại lượngW là năng lượng trung bình để 16 tạo một cặp ion - electron trong không khí khô. Gọi Ti là động năng ban đầu của electron (hoặc positron) thứ i được phát ra từ chùm photon chiếu đến vùng không khí đang xét. Và gọi gi là số phần động năng Ti được dùng cho quá trình phát bức xạ của các electron ban đầu (bức xạ hãm, hủy cặp). Cho nên 1−gi là số phần động năng Ti được dùng cho quá trình va chạm của electron ban đầu với các electron khác trong nguyên tử. Vậy tổng động năng của các electron mất đi trong quá trình va chạm là ∑ i Ti (1−gi) [9]. Gọi Ni là số cặp ion - electron được sinh ra trong không khí bởi các electron (hay positron) có động năng Ti. Và gọi gi′ là số phần cặp ion - electron được sinh ra bởi photon trong quá trình phát bức xạ của các electron ban đầu (bức xạ hãm, hủy cặp). Vì thế 1−gi′ là số phần cặp ion - electron được sinh ra trong quá trình va chạm của electron ban đầu với các electron khác trong nguyên tử. Vậy tổng số cặp ion - electron sinh ra trong quá trình va chạm là ∑ i Ni (1−gi′) [9]. Từ đó, ta có công thức định nghĩa choW là [9] W = ∑ i Ti (1−gi) ∑ i Ni (1−gi′) . (1.21) Theo định nghĩa này thìW không bao gồm động năng trung bình được truyền cho các cặp ion - electron sinh ra trong quá trình phát bức xạ. Đơn vị củaW thường là eV/i.p. với i.p. là ion pair (cặp ion). Giá trị năng lượng trung bình để tạo một cặp ion - electron trong không khí khô là 33,97eV/i.p. [10]. Ta chuyển đổi đơn vị i.p. thành e đồng thời lấyW chia cho e và đổi đơn vị eV thành J. Khi đó [9] W air e = 33,97eV/e 1,602×10−19C/e ×1,602×10 −19 J/eV ⇔ W air e = 33,97J/C. (1.22) Ta có thể thấy giá trị 33,97J/C của W aire bằng với 33,97eV/i.p. củaW . Hơn thế nữa, giá trị này được xem như một hằng số với mọi chất khí và độc lập với photon năng lượng thấp. 17 Từ đó, ta có mối liên hệ giữa liều chiếu X và kerma va chạm Kc là [9] X = ψ ( µen ρ ) E,air ( e W ) air = (Kc)air ( e W ) air = (Kc)air 33,97 (1.23) với ψ có đơn vị là J/m2, Kc có đơn vị là J/kg, ( e W ) air có đơn vị là C/J vì thế đơn vị của liều chiếu X vẫn làC/kg. Nếu xét toàn bộ phổ năng lượng từ E = 0 tới E = Emax thì ψ ′ (E) là hàm vi phân phân bố theo năng lượng photon và µtrρ cũng là hàm phụ thuộc năng lượng photon, khi ấy [9] X = Emax∫ E=0 ( µen ρ ) E,air ( e W ) air ψ ′ (E)dE. (1.24) Suất liều chiếu là liều chiếu tính trong một đơn vị thời gian có giá trị là [9] • X = dX dt . (1.25) Nếu suất liều chiếu là một hàm phụ thuộc thời gian, khi đó liều chiếu trong khoảng thời gian từ t0 đến t1 là [9] X = t1∫ t0 • X (t)dt. (1.26) Nếu suất liều chiếu là hằng số thì giá trị trung bình của liều chiếu trong khoảng thời gian t1− t0 là [9] X = • X (t1− t0) . (1.27) 1.3 Mối tương quan giữa suất liều chiếu và phổ năng lượng – hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E) 1.3.1 Mối tương quan giữa suất liều chiếu và phổ năng lượng Ta có mối quan hệ giữa suất liều chiếu • X và thông lượng năng lượng của photon ψ j là [9] • X = 65,8 ( µen ρ ) air E jψ j = ( • X ψ ) j ψ j. (1.28) 18 Thêm vào đó, phổ năng lượng n j(cps) phụ thuộc hàm đáp ứng Ri j của detector tương ứng với thông lượng năng lượng của photon ψ j là [1] n j = Ri jψ j. (1.29) Từ đây, ta có mối tương quan giữa suất liều chiếu và phổ năng lượng là [1] • X = ∫ n(E)G(E)dE, (1.30) với hệ số G j (µR/h/cps) được diễn tả như một ma trận đáp ứng nghịch đảo G j = ( • X ψ ) j R−1i j . (1.31) Ở đây, i và j đại diện cho chỉ số năng lượng photon để lại (đo được) và photon tới trong phổ năng lượng, ( µen ρ ) air là hệ số hấp thụ năng lượng trong không khí khô ( cm2/g ) , E j là năng lượng photon tới (MeV ), ( • X ψ ) j là suất liều chiếu trên mỗi đơn vị thông lượng của photon tới với năng lượng E j hay còn gọi là hệ số chuyển đổi thông lượng photon sang suất liều chiếu. 1.3.2 Hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E) Bởi vì phổ năng lượng ghi nhận phụ thuộc vào hàm đáp ứng của detector, nên G(E) là hệ số hiệu quả nhất chuyển đổi tốc độ đếm từ phổ năng lượng ghi nhận từ việc photon tương tác với detector thành suất liều chiếu [1]. Tức suất liều trên mỗi đơn vị tốc độ đếm có thể được ước lượng thông qua hàm đáp ứng của detector dựa trên năng lượng của photon tới. Mặt khác, hàm đáp ứng của detector dựa trên năng lượng của photon tới có thể được tính toán trên mọi vùng năng lượng của photon và với mọi loại detector thông qua mô phỏng Monte Carlo. Vì thế hàm G(E) có thể áp dụng để tính suất liều tổng cộng của phổ bức xạ môi trường cũng như các đồng vị bức xạ gamma nhân tạo [1]. 1.3.3 Hệ số G(E) của detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm Thông thường, hàm đáp ứng của detector phụ thuộc chất liệu và dạng hình học của detector cũng như phụ thuộc hướng và năng lượng của photon tới. Điều này có nghĩa là giá trị của hàm 19 G(E) sẽ khác nhau với các hướng khác nhau của photon tới detector kể cả khi với cùng chất liệu detector [1]. Hình 1.4 diễn tả hàm G(E) được tính toán cho detector NaI(Tl) 7,6cm× 7,6cm cho hai trường hợp hướng photon tới song song với trục xuyên tâm detector [2] và hướng photon tới vuông góc với trục xuyên tâm detector [1]. Có sự khác nhau nhỏ giữa hai hàm G(E) ở vùng năng lượng photon dưới 300keV như trên hình 1.4. Tuy nhiên sự biến thiên của hàm G(E) dựa vào hướng của photon tới sẽ không ảnh hưởng nhiều đến suất liều chiếu khi nhận giá trị hàm G(E) với số đếm thống kê [1]. Hình 1.4: Hệ số G(E) của detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm dựa theo hướng của photon tới [1]. 20 Chương 2 Mô tả thực nghiệm đo phóng xạ môi trường Trong chương 2, chúng tôi mô tả các thí nghiệm đo phóng xạ môi trường trong một phòng thí nghiệm Kỹ thuật hạt nhân, trường đại học Khoa Học Tự Nhiên, đại học Quốc Gia TP.HCM. Các detector được sử dụng để tiến hành đo phóng xạ môi trường là detector HPGe (model GC2518) và detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm (InSpectorTM 1000). 2.1 Thí nghiệm đo phóng xạ môi trường sử dụng detector HPGe 2.1.1 Detector HPGe Detector HPGe model GC2518, Canberra Inc. là loại detector có đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết hình trụ đồng trục với kích thước tinh thể là 61,8mm (đường kính) ×35,8mm (dày). Detector HPGe được kết nối với thiết bị phân tích đa kênh MCA 8k. Detector này được nuôi bởi nitơ lỏng với bình chứa nitơ và được gắn trên hệ thống xe giá đỡ có thể di chuyển được, phù hợp cho các thí nghiệm đo môi trường ngoài trời. Hình 2.3 là hình ảnh của detector HPGe model GC2518. 21 Hình 2.1: Detector HPGe model GC2518, Canberra Inc. [11]. 2.1.2 Các thông số đo thí nghiệm – phổ năng lượng Thí nghiệm đo phổ phóng xạ môi trường được thực hiện liên tục trong một ngày đêm (24 giờ) tại một phòng thí nghiệm Kỹ thuật hạt nhân trực thuộc trường đại học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM. Mục đích của thí nghiệm là đánh giá cũng như ghi nhận các đồng vị phóng xạ có trong một phòng thí nghiệm. Thí nghiệm sử dụng detector HPGe model GC2518, Canberra Inc. (như trình bày ở mục 2.1.1) với các thông số đo thí nghiệm được trình bày như trên bảng 2.1. Kết quả ghi nhận phổ năng lượng gamma trình bày như hình 2.2. Tốc độ đếm ghi nhận trên detector HPGe đo trong môi trường một phòng thí nghiệm là 183 số đếm/giây. 22 Bảng 2.1: Các thông số đo thí nghiệm sử dụng detector HPGe. Thông số đo Giá trị Thời gian hệ đo ghi nhận (s) Livetime 86088 Thời gian thực đo (s) Realtime 86400 Thời gian chết của hệ đo (%) Deadtime 0,36 Số đếm/ngày 15.775.205 Số đếm/giây 183 Hình 2.2: Phổ năng lượng gamma đo phóng xạ môi trường tại một phòng thí nghiệm được ghi nhận bởi detector HPGe. 23 2.2 Thí nghiệm đo phóng xạ môi trường sử dụng detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm 2.2.1 Detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm Detector NaI(Tl) InSpectorTM 1000 là loại detector nhấp nháp với tinh thể NaI hình trụ đồng trục có kích thước tinh thể là 7,6cm (đường kính)×7,6cm (dày). Hình 2.3 là hình ảnh của detector NaI(Tl) InSpectorTM 1000. Thiết bị này cho phép ghi nhận phổ năng lượng cũng như ghi nhận hiển thị giá trị suất liều. Hình 2.3: Detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm InSpectorTM 1000, Canberra Inc. [12]. 2.2.2 Các thông số đo thí nghiệm – phổ năng lượng Thí nghiệm đo phổ phóng xạ môi trường cũng được thực hiện liên tục trong một ngày đêm cùng thời điểm đo với thí nghiệm sử dụng detector HPGe ở mục 2.1.2. Các thông số đo ghi nhận được trình bày như trong bảng 2.2. Kết quả dạng phổ năng lượng ghi nhận như trình bày ở hình 2.4. Tốc độ đếm ghi nhận trên detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm đo trong môi trường một phòng thí nghiệm là 549 số đếm/giây. 24 Bảng 2.2: Các thông số đo thí nghiệm sử dụng detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm. Thông số đo Giá trị Thời gian hệ đo ghi nhận (s) Livetime 86400 Thời gian thực đo (s) Realtime 86774 Thời gian chết của hệ đo (%) Deadtime 0,48 Số đếm/ngày 47.401.480 Số đếm/giây 549 Hình 2.4: Phổ năng lượng gamma đo phóng xạ môi trường tại một phòng thí nghiệm được ghi nhận bởi detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm. 25 Chương 3 Phân tích số liệu và đánh giá kết quả Trong chương 3 này, chúng tôi phân tích các đồng vị phóng xạ có trong môi trường từ phổ năng lượng gamma ghi nhận bởi detector HPGe và NaI(Tl) 7,6cm× 7,6cm. Sau đó chúng tôi tính toán suất liều chiếu tổng cho phổ năng lượng gamma đo được từ detector NaI(Tl) 7,6cm× 7,6cm dựa vào hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E). 3.1 Phổ năng lượng gamma ghi nhận trên detector HPGe và NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm Hình 3.1 là kết quả đo phổ gamma trong môi trường trong 24 giờ tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật hạt nhân trực thuộc đại học Khoa học Tự nhiên, đại học Quốc Gia TP.HCM. Đường màu đen là số liệu đo trên detector NaI(Tl) 7,6cm× 7,6cm với trục số đếm bên trái (số đếm/6,7 keV/ngày), và đường màu xanh là số liệu đo trên detector HPGe với trục số đếm bên phải (số đếm/0,3 keV/ngày). Các đỉnh năng lượng ghi nhận bởi detector HPGe được phân tách rõ rệt, trong khi các đỉnh năng lượng tương ứng này được ghi nhận bởi detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm thì có sự chồng chập. Nguyên nhân rằng detector HPGe có độ phân giải cao hơn rất nhiều so với detector NaI(Tl) 7,6cm× 7,6cm. Vì thế, việc xác định các đồng vị phóng xạ từ phổ năng lượng ghi nhận bởi detector HPGe sẽ cho kết quả tốt hơn nhiều, trong khi đo detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm sẽ khó khăn hơn. Do vậy, để xác định các đồng vị phóng xạ trên detector NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm có thể dựa vào mối tương quan giữa hai phổ với mục đích đối chiếu. 26 Hình 3.1: Phổ năng lượng gamma ghi nhận trên detector HPGe và NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm. 3.2 Phân tích phổ năng lượng gamma HPGe và NaI(Tl) 7,6cm×7,6cm xác định các đồng vị phóng xạ có trong môi trường 3.2.1 Xác định các đồng vị phóng xạ của phổ năng lượng gamma HPGe Chúng tôi thực hiện phân tích tất cả các đỉnh phổ năng lượng có trong phổ ghi nhận bởi detector HPGe và từ đó xác định các đồng vị phóng xạ có trong môi trường. Để thực hiện điều đó, chúng tôi sử dụng phần mềm phân tích phổ chuyên dụng Colegram để xác định vị trí các đỉnh năng lượng từ phổ ghi nhận. Kế đó chúng tôi sử dụng bảng năng lượng các đồng vị phóng xạ [13] và Laraweb [14] để xác định đồng vị phóng xạ. Đối với việc xác định đồng vị phóng xạ có nhiều đỉnh năng lượng trong phổ ghi nhận, chúng tôi dựa vào thông tin về năng lượng và cường độ phát tương ứng với đỉnh năng l

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfkhoa_luan_xac_dinh_suat_lieu_phong_xa_moi_truong_su_dung_det.pdf