báo cáo tiểu luận phân tích hạt nhân phóng xạ

Phân tích hạt nhân
phóng xạ
clover
SVTH : Phùng Thị Vân
Nguyễn Thị Hà
Ninh Thị Hường
Nguyễn Thị Phương Nhung
1
Nội dung
Phân tích định tính
1
Hiệu chuẩn định lượng2
Sự nhấp nháy phổ tia gamma
3
Electron biến hoán nội và phổ tia
gamma trong chất bán dẫn
4
5 Đặc điểm phổ tia X
2
Phân tích hạt nhân phóng xạ
Mong muốn phân tích định tính các hạt nhân phóng xạ
1
Xác định phông và sự có mặt của các hạt nhân phóng xạ
2
Phân tích định lượng những bức xạ đó
3
Phần cuối cùng của một phân tích hóa học phóng xạ là xác định hoạt
độ phóng xạ của một hạt cô lập. Sự xác định này bao gồm 3 lý do:
3
1. Phân tích định tính
Xác định thành

phần của
nguyên tố X
trong mẫu Y
Chọn một phản
ứng hạt nhân với
các nguyên tố
tham gia phản
ứng thích hợp
Xác định xem
liệu các sản
phẩm hóa học
riêng biệt có
thuộc tính nào
của sản phẩm
dự kiến không?
4
Xác định thành
phần của Asen
trong tóc người
chết
Dùng neutron
nhanh hay
neutron chậm
phản ứng với
Asen, dự kiến
cho sản phẩm là
74
As hay
76
As

Xác định xem
liệu các sản
phẩm hóa học
riêng biệt của
Asen có thuộc
tính nào của hai
sản phẩm dự
kiến là
74
As hay
76
As không?
1. Phân tích định tính
5
Việc lựa chọn một phản ứng hạt nhân có thể sinh ra một hạt
nhân phóng xạ dễ dàng hơn, hoặc làm giảm sự can thiệp của
các yếu tố khác.
•
Phản ứng (n,γ) cho sản phẩm tương ứng là
76
As chu kì bán rã
26.5 giờ (bị phân rã bởi sự phát xạ của các hạt β- và tia γ)
•
Phản ứng (γ,n) cho sản phẩm
74
As chu kì bán rã 18 ngày (bị
phân rã bởi sự phát xạ của các hạt β+ , β- và bức xạ γ)
1. Phân tích định tính
6
Các thuộc tính của hạt nhân phóng xạ xác định danh tính của nó trong phân

tích hóa học phóng xạ :
1. Phương pháp sản xuất của nó.
2. Tính chất hóa học của một đồng vị trong mẫu mà ta quan tâm.
3. Chu kì bán rã của nguyên tố ấy.
4. Các loại bức xạ nguyên tố đó có thể phát ra.
5. Năng lượng của các tia phóng xạ.
6. Phân chia tia phóng xạ theo loại và theo năng lượng.
1. Phân tích định tính
7

Phân tích phổ tia gamma (phương pháp này được áp dụng cho cả trường hợp mẫu
không tách biệt về mặt hóa học).
Nguyên tố
T
1/2
N L gamma
(mev)
NL Bêta
(mev)
22
Na 2,6 năm 1,277
0,511
0,542
24
Na 15 giờ 1,38
2,76
1,39
46
Sc 85 ngày 0,89
1,12

0,36
60
Co 5,27 năm 1,332
1,172
0,306
95
Nb 35 ngày 0,745 0,160
131
I 8,14ngày 0,364 0,815
198
Au 2.69ngày 0,412 0,963
203
Hg 47 ngày 0,279
0,208
208
Tl 3,1 phút 2,62 1,79
241
Am 500 năm 0,0596
α
So sánh chu kì
bán rã, loại và
năng lượng
của bức xạ với
các giá trị
trong bảng cho
sẵn
Đo phổ
đặc trưng
Đo năng lượng
tia gamma

1. Phân tích định tính
8
2. Hiệu chuẩn định lượng

Độ phóng xạ là số hạt nhân phóng xạ phân rã trong một đơn vị thời
gian :


( 46 )


Việc xác định định lượng hạt nhân phóng xạ trở thành việc xác định
tốc độ phân rã D của hạt nhân từ tốc độ ghi nhận bởi detector và
hiệu suất ghi є:

A = є . D (47)
dN
D N
dt
λ
= − =
9
Xác định tốc
độ phân rã
của hạt nhân
phóng xạ
Text
Text
Phương pháp
tuyệt đối

Phương pháp
tương đối
2. Hiệu chuẩn định lượng
10
2.1. Phương pháp tương đối
+ Phương pháp tương đối đòi hỏi một nguồn phóng xạ chuẩn,
tức là ta đã biết chính xác tốc độ phân rã.
+ Nếu mẫu không rõ (u) được thực hiện với các điều kiện
giống hệt với nguồn chuẩn (s) thì tỷ số các tốc độ phân rã bằng
với tỷ số các tốc độ đếm vì hiệu suất cho hai nguồn giống
nhau.
( 48 )
Hoặc
( 49 )
u u u
s s s
u
u s
s
D D A
D D A
A
D D
A
ε
ε
= =
 
=
 ÷

 
11
Tuyệt đối tính 4π
Tuyệt đối tính 4π
Một số hạt nhân phóng xạ vì chu kì bán rã ngắn, hay đường cong hấp thụ vô
cùng phức tạp. Chuẩn hóa có thể thực hiện theo hai cách phổ biến:
Trùng phùng
Trùng phùng
Đối với những hạt nhân phóng xạ
phát β. Sử dụng máy đếm hình học
4π, trong đó hai nguồn bằng nhau
theo tỷ lệ được đặt trên một bộ
phim siêu mỏng đạt được hiệu suất
lên tới > 99.5%, do đó tốc độ phân
rã bằng tốc độ đếm.
Với những hạt nhân phóng xạ
phát nhiều loại bức xạ.Trong
máy đếm trùng phùng, hai
detector được sử dụng, độ nhạy
của detector khác nhau với các
hạt bức xạ khác nhau, vd, ống
đếm tỷ lệ dùng ghi nhận tia β,
detector nhấp nháy dùng ghi
nhận tia γ
2.1. Phương pháp tương đối
12
Phân rã điện tử chuyển đổi
Phân rã điện tử chuyển đổi
Chỉnh phông detector
Chỉnh phông detector

Trùng phùng ngẫu nhiên
Trùng phùng ngẫu nhiên
Thời gian hao phí
Thời gian hao phí
Một số điều chỉnh là cần thiết :
2.1. Phương pháp tương đối
13
Hình 6.5: Biểu đồ sơ lược của hệ thống đếm hiện tượng trùng phùng
Bêta-Gamma
2.1. Phương pháp tương đối
14
2.1. Phương pháp tương đối
(Trùng phùng tia β và γ)

Tốc độ đếm của ống đếm tia β là : A
β
= є
β
. D ( 50 )

Tốc độ đếm của ống đếm tia γ là : A
γ
= є
γ
. D ( 51 )

Tốc độ đếm trùng phùng : Ac = є
β
. є
γ

. D ( 52 )

Kết hợp (50) và (51) ta được : ( 53 )


.A A
D
Ac
β γ
=
15
2.2. Phương pháp tuyệt đối
Dùng xác định tốc độ phân rã của hạt nhân phóng xạ bằng cách tính toán giá trị
hiệu suất thực tế ε, thông qua việc đánh giá các thông số của nó.
ε = (I) . (G) . F
w
. F
a .
F
c .
F
b
. F
n
. F
s

( 54 )
( I ) là xác suất phát hiện một hạt β đi vào ống đếm chứa khí, có khả năng ion
hóa khí trong ống đếm.

(G) là mối quan hệ hình học giữa nguồn và độ nhạy về khối lượng của máy
đếm.
F
w
là yếu tố cho sự hấp thụ tia β trong cửa sổ của các máy đếm và trong
không khí giữa nguồn và cửa sổ.
F
a
là yếu tố cho các hiệu ứng tán xạ.
F
c
là yếu tố cho hiệu lực của bất kì tài liệu nào, gồm các mẫu với bộ phim
mỏng bảo vệ (ví dụ, giấy bóng kính…)
F
b
là các yếu tố hiệu dụng tán xạ ngược của electron di chuyển ra khỏi ống
đếm của các vật liệu hỗ trợ nguồn.
F
n
là yếu tố cho hiệu quả của các máy đếm hỗ trợ và lá chắn tán xạ electron
từ bên ngoài vào các góc hình học rắn trong máy đếm
F
s
là yếu tố cho sự tự hấp thụ hay tự tán xạ của nguồn
16
3. Sự nhấp nháy quang phổ tia gamma
Tổng số đếm
Tất cả các xung có
độ lớn trên một giá
trị ngưỡng nào đó

Máy đếm đa kênh
Các xung được sắp
xếp theo chiều cao
vào các kênh điện
tử, mỗi số đếm chỉ
những xung trong
dải thu hẹp chiều
cao xung.
Đo bức xạ gamma có thể thực hiện bằng 3 cách :
Chỉ đếm những đỉnh
cao xung rơi giữa 2 giá
trị quy định được đếm
Máy đếm đơn kênh
Quang phổ tia gamma được sử dụng để giải quyết các tia gamma phát ra
đồng vị phóng xạ của nguyên tố bị cô lập
17
Tổng số đếm
Sự gia tăng tốc độ đếm với tăng hiệu điện thế đặt vào trong ống đếm chứa khí xác
định vùng plateau, trong detector nhấp nháy được gọi là “phổ tích phân” đó là
một đặc tính của những nguồn phóng xạ phát ra tia gamma.
Hình 6.6: Tích phân phổ của
85
Sr
18
Tổng số đếm
Tại điện 900V, hiệu suất cho tổng số đếm của một số hạt nhân phóng xạ được thể
hiện trong hình 6.7. Hiệu suất toàn phần cho ống đếm NaI (Tl) 3x3 in khoảng 80%
trở lên ở năng lượng 0,2 MeV và khoảng 40% ở năng lượng lớn hơn 2MeV.
Hình 6.7: Hiệu suất đếm của
detector nhấp nháy NaI (Tl) 3 x3

in
(a): Tổng số đếm với thiết lập cơ
sở ở 0,51 Mev.
(b): Việc đếm đỉnh phổ
19
Máy phân tích đơn kênh
Máy phân tích đơn kênh


Máy phân tích đơn kênh là ống đếm tia gamma cho tách hóa học hoặc đánh
Máy phân tích đơn kênh là ống đếm tia gamma cho tách hóa học hoặc đánh
dấu nguồn phóng xạ. Đặc điểm của máy phân tích đơn kênh:
dấu nguồn phóng xạ. Đặc điểm của máy phân tích đơn kênh:




1. Đường cơ sở (baseline) : Điện áp tối thiểu đặt vào để detector đếm được.
1. Đường cơ sở (baseline) : Điện áp tối thiểu đặt vào để detector đếm được.


2. Cửa sổ
2. Cửa sổ


( window )
( window )
:
:
tăng điện áp đường cơ sở ở đó thiết lập chiều cao tối

tăng điện áp đường cơ sở ở đó thiết lập chiều cao tối
đa xung chấp nhận được
đa xung chấp nhận được
Hình 6.8: Phổ khác nhau
của
85
Sr trong một detector
nhấp nháy NaI (Tl)
3x3inchs được chế tạo với
cửa sổ phân tích xung cao
đơn năng 0,2 V

20
20
Nguồn
Thời gian
bán rã
Năng lượng
Gamma
(Mev)
Số Gamma
trên một
phân rã
Năng lượng
Bêta (Mev)
Cách xác định tốc
độ phân rã
22
Na 2,6 năm 1,277
0,511

1,11
b
2,00
b
0,542
Đếm 4π
Trùng phùng β-γ
24
Na 15 giờ 1,38
2,76
1,00
1,00
1,39
Đếm 4π
Trùng phùng β- γ
46
Sc 85 ngày 0,89
1,12
0,995
1,00
0,36
Đếm 4π
Trùng phùng β- γ
60
Co 5,27 năm 1,332
1,172
1,00
1,00
0,306
Đếm 4π

Trùng phùng β- γ
95
Nb 35 ngày 0,745 1,00 0,160
4π
Trùng phùng β-γ
131
I 8,14ngày 0,364 0,80 0,815
4π
198
Au 2.69ngày 0,412 0,957 0,963
4π
203
Hg 47 ngày 0,279 0,81 0,208
4π
Trùng phùng β-γ
208
Tl 3,1 phút 2,62 1,00 1,79
Đếm α
241
Am 500 năm 0,0596 1,357
α Đếm α
Bảng 6.7: Nguồn chuẩn có ích cho sự chia độ của Gamma tăng cường.
21
21
Máy phân tích đa kênh
•
Máy phân tích đa kênh được sử dụng để xác định phổ (năng lượng và
cường độ của các tia gamma phát ra từ một hỗn hợp của hạt nhân phóng
xạ).
•

Mỗi hạt nhân phóng xạ phát ra tia gamma tạo thành một phổ gamma đặc
trưng trong một hệ thống detector nhấp nháy.
•
Đo phóng xạ :
+ Xác định các phổ đặc trưng
+ Xác định định lượng cường độ phổ.
•
Tương tác của các tia gamma với vật liệu tổng hợp detector dẫn đến phổ
tia gamma phức tạp
22
Phổ đặc trưng
Bảng 6.8: Độ giảm photon và nguồn gốc của đỉnh trong phổ xung cao.
Độ giảm năng lượng
của photon
Nguồn gốc Năng lượng đỉnh Tên đỉnh
0
Hấp thụ toàn phần
E Đỉnh phổ
0,51MeV
Quá trình tạo cặp và giảm
một photon
E – 0,51
Đỉnh tạo cặp đầu
tiên
1.02 MeV
Quá trình tạo cặp và giảm
hai photon
E – 1,02
Đỉnh tạo cặp thứ
hai

E’ = E/(1+2α)
Tán xạ Compton (180
0
)
E
ce
= E/(1+1/2α)
Giới hạn
Compton
E’ tới E Tán xạ Compton một lần
E
ce
tới 0
Một phân bố
Compton
0 tới E Tán xạ Compton nhiều lần E tới 0
Nhiều phân bố
Compton
E
k
= 29 keV
Tia X vạch K của Iot
E – E
k
Đỉnh giảm của
Iot
E, với E’ giật lùi
Tán xạ Compton ngoài
(180
0

)
E’ = E/(1+2α)
Đỉnh tán xạ
ngược
23
Phổ đặc trưng
Hình 6.9: Phổ Gamma của
24
Na thời gian bán rã 15 giờ
24
Phổ đặc trưng
•
Đỉnh phổ đại diện cho sự hấp thu năng lượng tia gamma toàn phần theo
các quy trình của hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton.
•
Trọng lượng tương đối của các đỉnh đối với các quá trình khác phụ thuộc
vào:
+ Năng lượng tia gamma
+ Vật liệu nhấp nháy
+ Các đặc tính vật lý của môi trường hệ thống phát hiện (hình dạng và
kích thước của detector, hình dạng mẫu, mật độ và khoảng cách các tinh
thể ).
25