Nâng cao độ chính xác, ổn định cho thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN







Nguyễn Thị Minh









NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH
CHO THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO
PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC










Hà Nội - 2014



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN







Nguyễn Thị Minh

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH
CHO THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO
PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG




Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Đặng Quang Thiệu






Hà Nội - 2014


Luận văn tốt nghiệp

Nguy
ễn Thị Minh
i

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này là kết quả của quá trình học tập trong suốt hai năm tại
trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội và quá trình
làm luận văn của bản thân tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân –
Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam.
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Đặng Quang
Thiệu - Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những
kiến thức chuyên ngành và hướng dẫn em hoàn thành bản luận văn này.
Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Th.S Nguyễn Thị Bảo Mỹ - Viện
Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, đã nhiệt tình giúp đỡ và chỉ bảo thêm về kiến
thức chuyên ngành trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài này.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô đã giảng dạy lớp cao học khóa 2011
- 2013, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Vật lý hạt nhân - Trường Đại học
Khoa học tự nhiên đã tận tình dạy dỗ, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong
suốt thời gian học tập tại trường.
Em cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã bên cạnh em, động
viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề tài này.
Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, nhưng chắc chắn luận văn không tránh
khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung
của thầy cô và bạn bè.
Hà Nội, tháng 03 năm 2014
Học viên

Nguyễn Thị Minh

Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO
PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG 8

1.1. Nhu cầu thực tiễn 8

1.2. Cơ sở lý thuyết 10

1.2.1. Hiệu ứng quang điện 10

1.2.2. Hiệu ứng Compton 12

1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron 13

1.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất 14

1.2.5. Cấu trúc phổ gamma 15

1.3. Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường 17

1.3.1. Đầu dò chứa khí 19

a) Buồng ion hóa 22

b) Ống đếm tỉ lệ 22

c) Ống đếm Geiger-Muller (G-M) 22

1.3.2. Đầu dò bán dẫn 23

1.3.3. Đầu dò nhấp nháy 25

CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) 26

2.1. Đầu dò nhấp nháy 26

2.1.1. Chất nhấp nháy vô cơ 26

2.1.2. Chất nhấp nháy hữu cơ 27

2.2. Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 29

2.2.1. Đặc điểm cấu tạo 29

2.2.2. Sự hình thành xung lối ra 33

2.3. Sử dụng phương pháp chuyển phổ thành liều với đầu dò NaI(Tl) 36

CHƯƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ40

Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
2

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu dò NaI(Tl) 40

3.1.1. Ảnh hưởng của việc xác định đỉnh 40

3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ 40

3.2. Nâng cao độ chính xác 41

3.2.1. Làm trơn phổ 42

3.2.2. Xác định đỉnh 44

3.2.3. Chuyển phổ thành liều 49

3.3. Nâng cao độ ổn định 51

3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đỉnh phổ K-40 51

3.3.2. Bù nhiệt độ cho thiết bị 53

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57




Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các hệ số A(K) cho tinh thể NaI(Tl) hình trụ 2.5 cm x 2.5 cm 39
Bảng 3.1: Kết quả đo suất liều của thiết bị tại các vị trí có suất liều chuẩn khác
nhau 50
Bảng 3.2: Kết quả đo đỉnh K-40 tại các nhiệt độ khác nhau 52

Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


Hình 1.1: Mô hình tán xạ Compton 12
Hình 1.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron 13
Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng [1] 14
Hình 1.4: Cấu trúc phổ lý tưởng của tia gamma theo các hiệu ứng: a) quang
điện; b) tạo cặp; c) Compton, d) phổ thực [1] 15
Hình 1.5: Sơ đồ khối của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường
17
Hình 1.6: Một số thiết bị đo bức xạ cầm tay 18
Hình 1.7: Hình một thiết bị đo bức xạ đặt tại một trạm quan trắc của Nhật
Bản 19
Hình 1.8: Các hiện tượng xảy ra với cặp ion dương và điện tử trong một điện
cực hình trụ với cùng một cường độ bức xạ khi hiệu điện thế thay
đổi [9] 20
Hình 1.9: Mô hình buồng ion hóa 22
Hình 1.10: Đầu dò bề mặt 24
Hình 1.11: Đầu dò Si và Ge-photon 24
Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hệ số suy giảm của tinh thể NaI(Tl) vào năng
lượng của tia gamma [4] 30
Hình 2.2: Lý thuyết và thực nghiệm phổ tia gamma gây ra bởi sự tương tác

Comton và quang điện trong đầu dò NaI(Tl) [5] 31
Hình 2.3: Biên độ xung ra theo hằng số tích phân [3, 6] 36
Hình 3.1: Sơ đồ quá trình nâng cao độ chính xác cho thiết bị quan trắc và
cảnh báo phóng xạ môi trường 41
Hình 3.2: Sơ đồ quá trình xác định đỉnh bằng phương pháp fit Gauss 46
Hình 3.3: Số liệu thu được 47
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
5

Hình 3.4: Số liệu thu được biểu diễn theo thang log 47
Hình 3.5: Phổ đo được sau khi làm trơn 48
Hình 3.6: Phổ đo được sau khi fit Gauss 49
Hình 3.7: Phổ K-40 tại nhiệt độ T = 20
o
C và T = 26
o
C 52
Hình 3.8: Sự phụ thuộc của đỉnh K-40 vào nhiệt độ 53




Luận văn tốt nghiệp


Nguy

ễn Thị Minh
6

MỞ ĐẦU

Ngày nay, năng lượng nguyên tử đang dần trở thành nguồn năng lượng
chính thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Không
chỉ vậy, việc sử dụng nguồn năng lượng hạt nhân còn là cách để giảm thiểu
lượng khí thải CO
2
, một trong những nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà
kính và sự nóng lên của trái đất. Không những vậy, các bức xạ hạt nhân còn
được sử dụng rộng dãi trong nhiều lĩnh vực khác như y tế, khoa học, quân
sự… đem lại lợi ích to lớn đối với đời sống của chúng ta.
Tuy nhiên, năng lượng nguyên tử cũng tiềm ẩn những nguy hiểm đối
với con người. Thực tế, chúng ta cũng đã từng chứng kiến ảnh hưởng nghiêm
trọng của chúng trong vụ nổ bom nguyên tử ở Tokyo và Hirosima, vụ nổ nhà
máy điện hạt nhân Chernobyl và gần đây là nhà máy điện hạt nhân
Fukushima. Chính vì vậy, yêu cầu đặt ra đối với các nhà môi trường và các
nhà quản lý là phải kiểm soát được liều lượng phóng xạ trong môi trường để
có những biện pháp ứng phó kịp thời với các sự cố liên quan tới phóng xạ hạt
nhân.
Các thiết bị quan trắc môi trường và cảnh báo phóng xạ là công cụ
chính để các nhà quản lý và các nhà môi trường theo dõi và kiểm soát ô
nhiễm phóng xạ. Vì thế hầu hết các nước đều quan tâm tới việc xây dựng các
trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Hiện nay, Nhật Bản đã có
37 trạm quan trắc, Hàn Quốc có 13 trạm, Ấn Độ có 16 trạm,… Tại Việt Nam,
chúng ta cũng đã có 3 trạm quan trắc phóng xạ môi trường tại Viện Khoa học
và kỹ thuật hạt nhân, Viện Nghiên cứu hạt nhân thuộc Viện Năng lượng
nguyên tử, Trung tâm Công nghệ xử lý môi trường (Bộ Quốc phòng).

Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
7

Qua thực tế hoạt động, các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi
trường của nước ta đã bộc lộ nhiều hạn chế như: chưa đồng bộ, khả năng thu
thập và phân tích chưa đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu về tính liên tục, độ nhạy
theo tiêu chuẩn quốc tế. Ngoài ra các trạm này chưa có chức năng cảnh báo
trực tuyến về các sự cố rò rỉ để phục vụ cho việc ứng phó với các trường hợp
khẩn cấp.
Nắm được vai trò quan trọng của các trạm quan trắc và cảnh báo phóng
xạ môi trường, Viện Năng lượng nguyên tử đã giao cho Viện Khoa học và kỹ
thuật hạt nhân nghiên cứu và xây dựng thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng
xạ môi trường. Qua quá trình nghiên cứu và triển khai đo đạc thực nghiệm, thì
bài toán được đặt ra cho các nhà nghiên cứu là làm thế nào để có thể nâng cao
được độ chính xác và ổn định cho thiết bị hơn nữa khi đo đạc trong các điều
kiện môi trường khác nhau.
Luận văn này được thực hiện với mục tiêu nâng cao độ chính xác, tính
ổn định của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Trong đó sử
dụng phương pháp JAERI, phương pháp chuyển phổ thành liều dùng hàm
G(E), và ổn định phổ bằng phương pháp bù nhiệt độ và ghim đỉnh K-40. Luận
văn gồm 3 chương với nội dung chính như sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò, nguyên lý và cấu tạo của thiết
bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường.
Chương 2 nghiên cứu về đầu dò nhấp nháy và các phương pháp đo số
liệu sử dụng loại đầu dò này.
Chương 3 đề xuất phương pháp nâng cao độ chính xác và tính ổn định

cho thiết bị.


Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN
TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG
1.1. Nhu cầu thực tiễn
Trong môi trường sống của chúng ta tồn tại rất nhiều các tác nhân
phóng xạ. Các chất này có thể được hình thành từ nguồn gốc tự nhiên trong
quá trình hình thành trái đất hoặc do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất
trên trái đất. Ngoài ra còn có những tác nhân có nguồn gốc nhân tạo được sinh
ra khi con người bắt đầu sử dụng các phản ứng hạt nhân, tia phóng xạ để phục
vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như y tế, nghiên cứu, năng
lượng,…
Theo thống kê, có khoảng hơn 60 các nhân phóng xạ có nguồn gốc tự
nhiên. Các hạt nhân phóng xạ này chủ yếu nằm trong chuỗi phản ứng hạt
nhân của các nhân tố chính như: Urani, Thori, Radi, Kali-40… Trong đó, các
hạt nhân phóng xạ phổ biến là: Radi-226, Thori-232, Kali-40…
Các hạt nhân phóng xạ này thường tồn tại trong môi trường và tạo ra
các tia phóng xạ tác động lên các sinh vật sống cũng như cơ thể con người
gây ra những ảnh hưởng từ bên ngoài với cơ thể con người. Ngoài ra, một số
hạt nhân có thể đi vào cơ thể sinh vật sống thông qua đường thức ăn, nước
uống, không khí và do đó tạo ra các tia phóng xạ từ bên trong, ảnh hưởng trực
tiếp đến các bộ phận bên trong của cơ thể sinh vật cũng như con người [8].

Các tia phóng xạ này với liều lượng khác nhau có ảnh hưởng với mức
độ khác nhau. Ngoài ra, các loại bức xạ khác nhau (α, β, γ) do có độ xuyên
sâu khác nhau nên cũng có mức độ ảnh hưởng khác nhau. Để đánh giá mức
độ ảnh hưởng của các tia phóng xạ lên cơ thể con người, người ta đưa ra khái
niệm suất liều phóng xạ (đơn vị là Sv/h) là liều bức xạ ion hóa (Sv) trên một
đơn vị thời gian.
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
9

Xét trong một khoảng thời gian ngắn, khi ta bỏ qua yếu tố thời gian, thì
cơ thể con người sẽ có những biểu hiện khác nhau với các mức độ nhiễm xạ
khác nhau như sau:
-Khoảng 0.2 Sv: Không có biểu hiện bệnh lý gì
-Khoảng 0.5 Sv: Giảm cầu lympho trong máu
-Khoảng 3 Sv: Rụng tóc
-Khoảng 10 Sv: Gần như 100% tử vong
Mặc dù, với các mức độ nhiễm xạ nhỏ không gây ra những biểu hiện
bệnh lý ngay, nhưng do các tia phóng xạ có thể gây ra những biến đổi trong tế
bào, dẫn đến đột biến gen là nguyên nhân gây ra ung thư ở tất cả các bộ phận
trong cơ thể. Vì thế, các tia phóng xạ có ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe và
tính mạng của con người. Điều này càng trở nên nghiêm trọng hơn khi các tế
bào sinh sản bị tác động vào.
Vì vậy, người ta đặt ra tiêu chuẩn an toàn bức xạ suất liều giới hạn cho
phép để đảm bảo an toàn cho sức khỏe của người dân. Theo tiêu chuẩn này thì
mỗi suất liều cho phép với dân chúng là 1mSv/năm; suất liều cho phép đối
với nhân viên làm việc với bức xạ là 20mSv/năm (lấy trung bình trong 5

năm).
Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới, các bức xạ hạt nhân được
sử dụng khá phổ biến trong y tế (chủ yếu là dưới dạng X quang) và trong các
ứng dụng kỹ thuật hạt nhân khác. Ngoài ra, chúng ta còn sử dụng năng lượng
hạt nhân như là một nguồn năng lượng chính để thay thế cho các nguồn năng
lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Do đó, nhu cầu đặt ra là phải có các thiết
bị đo suất liều phóng xạ để theo dõi, kiểm soát mức độ phóng xạ trong môi
trường và đưa ra những cảnh báo để chúng ta có thể kịp thời xử lý các sự cố
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
10

liên quan tới rò rỉ bức xạ hạt nhân. Thiết bị này còn được gọi là thiết bị quan
trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường.
Các thiết bị này đã được các nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật
Bản, Hàn Quốc, … nghiên cứu, chế tạo và sử dụng trong các cơ sở sử dụng
bức xạ hạt nhân của họ từ lâu. Tuy nhiên, bài toán nâng cao độ chính xác và
ổn định cho thiết bị vẫn là một vấn đề được các nhà khoa học trên thế giới
quan tâm.
1.2. Cơ sở lý thuyết
Để hiểu rõ về nguyên tắc hoạt động của các thiết bị quan trắc và cảnh
báo phóng xạ môi trường, ta cần phải hiểu về tương tác của các tia phóng xạ
với vật chất. Từ đó ta có thể đưa ra các phương pháp khác nhau để xác định
được suất liều phóng xạ trong môi trường. Nếu bỏ qua các tương tác hạt nhân
thì tia gamma tương tác với vật chất qua các hiệu ứng chính sau: hiệu ứng
quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp electron - positron.
1.2.1. Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và
điện tử liên kết với hạt nhân, trong quá trình này toàn bộ năng lượng của
lượng tử gamma được truyền cho điện tử.
T
e
= E
γ
– I
i
(1.1)
Trong đó: T
e
là động năng của electron phát ra photo electron.
E
γ
là năng lượng của lượng tử gamma.
I
i
là năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i trong
hạt nhân.
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
11

Khi E
γ
< I

K
thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, M và
không thể xảy ra trên lớp vỏ K, khi E
γ
< I
L
hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy
ra trên lớp vỏ M, N và không thể xảy ra trên lớp K, L, …

Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các điện tử tự do - các điện
tử không liên kết với hạt nhân. Năng lượng liên kết của điện tử với nguyên tử
càng nhỏ so với năng lượng của lượng tử gamma thì xác suất hiệu ứng quang
điện càng nhỏ.
Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt
quá năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp vỏ trong cùng. Khi năng
lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm E
-3
. Xác suất tổng cộng của
hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo khi E ≥ E
K
với E
K
là
năng lượng liên kết của electron trên lớp K, tuân theo quy luật E
-7/2
. Nhưng
khi E >> E
K
thì xác suất tổng cộng lại tuân theo quy luật E
-1

[2]

Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện
quang điện phụ thuộc vào Z theo qui luật Z
5
. Như vậy tiết diện quang điện:
5
photon
7/2
Z
E
σ
=
(
Khi

≥ E
K
)

5
photon
Z
E
σ
=
(
Khi E >> E
K
)

(1.2)

Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay
cả ở vùng năng lượng cao còn đối với các nguyên tử nhẹ hiệu ứng quang điện
chủ yếu chỉ xảy ra ở vùng năng lượng thấp.
Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, một electron bị bứt ra khỏi một lớp
nào đó của nguyên tử sẽ để lại một lỗ trống. Lỗ trống này sẽ được một
electron từ các lớp ngoài của nguyên tử chuyển xuống chiếm chỗ. Quá trình
này dẫn tới làm phát các tia X đặc trưng hay các electron Auger.
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
12

1.2.2. Hiệu ứng Compton

Hình 1.1: Mô hình tán xạ Compton
Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma tán xạ đàn hồi lên một
electron quỹ đạo ngoài của nguyên tử. Lượng tử gamma thay đổi phương bay
và bị mất một phần năng lượng, còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên
tử. Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình tán xạ đàn hồi của
gamma lên electron tự do. Công thức tính năng lượng của lượng tử gamma bị
tán xạ với góc θ như sau
[2]
:
( )
,

2
/ 1 1 cos
hv
hv hv
mec
θ
 
= + −
 
 
(1.3)
Từ công thức (1.3), góc bay của gamma sau tán xạ càng lớn thì hν’
càng bé, nghĩa là gamma càng mất nhiều năng lượng. Gamma chuyển năng
lượng lớn nhất cho electron khi bay ra ở góc 180
0
, tương ứng với tán xạ
ngược. Góc bay ra của gamma tán xạ có thể thay đổi từ 0
0
đến 180
0
, trong lúc
electron chủ yếu bay về phía trước, nghĩa là góc bay của nó thay đổi từ 0
0
đến
90
0
.

Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của
nguyên tử và tỷ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy:

compton
Z
E
σ
=
(1.4)
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
13

Trong tán xạ thì electron sau tán xạ tiêu tán động năng của nó theo cơ
chế kích thích, ion hoá môi trường một cách trực tiếp như hạt beta.
1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron
Khi tia gamma có năng lượng rất cao (E
γ
> E
0
) cùng với hiệu ứng quang
điện và hiệu ứng Compton, trong quá trình tương tác của gamma với vật chất
còn xảy ra hiện tượng tạo cặp electron-positron
[2]
. Quá trình tạo cặp không
thể xảy ra trong chân không, mà đòi hỏi phải ở lân cận hạt nhân hoặc điện tử,
khi không có mặt của hạt nhân hoặc electron, quá trình tạo cặp của lượng tử
gamma không thể xảy ra.

Hình 1.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron
Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc
proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ. Như vậy, năng lượng ngưỡng
E
0
để xảy ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối
lượng nghỉ của electron:

2
0
2
e
E m c
≥ (1.5)
Khi đó:
2
2
e
e e
hv T T m c
+ −
= + + (1.6)
Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng
lượng ngưỡng của lượng tử gamma là: E
0
≈ 4m
e
.c
2
= 2.04MeV.

Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
14

Tiết diện tạo cặp electron - positron trong trường Coulomb của điện tử
bé hơn tiết diện hình thành cặp trong trường của hạt nhân cỡ 10
3
lần. Biểu
thức cho tiết diện tạo cặp trong trường hạt nhân khá phức tạp. Trong miền
năng lượng 5m
e
c
2
< E <50m
e
c
2
, tiết diện tạo cặp có dạng: σ
pair
~ Z
2
.ln(E). Theo
công thức, tiết diện tạo cặp electron - positron gần như tỉ lệ với Z
2
nên có giá
trị lớn đối với chất hấp thụ có số nguyên tử lớn.
1.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất

Như đã trình bày trên, khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng
chính xảy ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo
cặp electron - positron. Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá
trình này bằng [11]:
σ = σ
photon
+ σ
compton
+ σ
pair
(1.7)
Trong đó tiết diện quá trình quang điện là σ
photon
~
5
7/2
Z
E
, tiết diện quá
trình tán xạ Compton là σ
compton
~
Z
E
và tiết diện quá trình tạo cặp là σ
pair
~
Z
2
.ln(E).

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng [1]
E
1

E
2

Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
15

Từ sự phụ thuộc các tiết diện vào năng lượng E của tia gamma và điện
tích Z của vật chất như trên, suy ra rằng ta có thể chia thành 3 miền năng
lượng đặc trưng bởi các cơ chế tương tác khác nhau. Trong miền năng lượng
E < E
1
, cơ chế cơ bản trong tương tác gamma với vật chất là quá trình quang
điện, trong miền năng lượng trung gian E
1
< E < E
2
cơ chế chính là quá trình
tán xạ Compton chiếm ưu thế, còn trong miền năng lượng cao E > E
2
là quá
trình tạo cặp electron - positron. Các giá trị năng lượng phân giới E

1
, E
2
phụ
thuộc vào từng môi trường vật chất.
1.2.5. Cấu trúc phổ gamma


Hình 1.4: Cấu trúc phổ lý tưởng của tia gamma theo các hiệu ứng: a) quang điện; b)
tạo cặp; c) Compton, d) phổ thực [1]
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
16

Để đơn giản, ta xét trường hợp tia gamma đi đến đầu dò có giá trị năng
lượng E
0
. Theo hiệu ứng quang điện, năng lượng này biến thành động năng
của photo electron hoặc các electron Auger và bị hấp thụ ngay trong đầu dò.
Kết quả là tất cả năng lượng E
0
của photon bị hấp thụ trong đầu dò tạo nên
xung điện, mà xung này có biên độ tỉ lệ với năng lượng E
0
và tạo nên một
đỉnh trong phổ gamma. Đỉnh này được gọi là đỉnh quang điện hay đỉnh hấp
thụ toàn phần. Với phổ kế lí tưởng, phổ năng lượng tương ứng với đỉnh quang

điện được biểu diễn bằng một vạch thẳng đứng như hình vẽ. Khi các tia
gamma đơn năng E
0
gây nên tán xạ Compton với vật chất, thì các electron tán
xạ có động năng E
c
phân bố liên tục từ giá trị 0 đến giá trị cực đại: E
max
=
0
2
1 2
E
α
α
+
trong đó
0
2
e
E
m c
α
−
= . Trên Hình 1.4.c biểu diễn phổ lí tưởng liên tục
của hiệu ứng Compton.
Giới hạn cực đại của phổ năng lượng liên tục gọi là mép Compton.
Phần năng lượng E
0
- E

c
của các electron tán xạ có thể bị hấp thụ do các quá
trình khác nhau và đóng góp vào sự hình thành xung điện. Ngoài ra trên hình
còn có thể xuất hiện một đỉnh rất nhỏ nằm ở vùng năng lượng thấp, do tán xạ
ngược của các lượng tử gamma với lớp bảo vệ hay môi trường xung quanh
đầu dò. Năng lượng E
ng
của tán xạ ngược liên quan với năng lượng E
0
của
photon tới và góc tán xạ θ theo công thức:
Khi θ = π thì
0
1 2
ng
E
E
α
=
+
(1.8)
Nếu năng lượng gamma lớn hơn năng lượng E
0
= 2m
e
c
2
= 1.022 MeV,
thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron - positron
(positron có khối lượng bằng khối lượng electron nhưng mang điện tích

dương +1e). Positron khi dừng lại có thể kết hợp với 1 electron nào đó để tự
huỷ và sinh ra hai photon với năng lượng 0.511 MeV. Các photon này có thể
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
17

bị hấp thụ trong đầu dò bởi các quá trình đã biết. Do đó, trên phổ ứng với quá
trình tạo cặp cũng xuất hiện một đỉnh hấp thụ toàn phần. Ngoài ra có khả
năng một hoặc hai photon thứ cấp bay khỏi đầu dò. Vì thế trên phổ hình thành
thêm hai đỉnh tương ứng với thoát đơn và thoát đôi ứng với năng lượng E
0
-
0.511MeV và E
0
- 1.022MeV.
Ở trên ta đã xét riêng lẻ từng hiệu ứng của tia gamma khi đi vào đầu dò
tương ứng với các đường phổ hình thành, nhưng trong thực tế cả ba hiệu ứng
nêu trên xảy ra một cách đồng thời, vì thế phổ năng lượng của gamma thu
được có dạng phức tạp hơn, là sự chồng chất của cả ba hiệu ứng. Ngoài ra
trong thực tế chùm gamma là không đơn năng và hệ thống không phải là lí
tưởng, do đó phổ năng lượng gamma thực tế có phân bố như hình d. Độ rộng
của đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với độ rộng nửa chiều cao của đỉnh (FWHM)
gọi là độ phân giải của đầu dò.
1.3. Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường
Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường được sử dụng với
mục đích đo đạc, theo dõi, kiểm soát và cảnh báo về các sự cố liên quan tới rò
rỉ phóng xạ. Qua đó đưa ra những biện pháp xử lý kịp thời nhằm hạn chế ảnh

hưởng xấu đối với sức khỏe của người dân cũng như của các nhân viên làm
việc trong các cơ quan nghiên cứu, ứng dụng liên quan tới kỹ thuật hạt nhân.
Một thiết bị như vậy có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính: đầu dò, khối xử
lý trung tâm và khối hiển thị (Hình 1.5). Trong đó, đầu dò biến đổi các tín
hiệu phóng xạ thành tín hiệu điện để đưa vào xử lý ở khối xử lý trung tâm rồi
đưa ra hiển thị để cho người sử dụng đọc số liệu.

Hình 1.5: Sơ đồ khối của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
18

Đây là cấu tạo chung của một thiết bị đo vật lý. Tuy nhiên, điểm khác
biệt giữa các loại thiết bị này là đầu dò và phương pháp tính toán xử lý số liệu
đối với mỗi đại lượng nhất định. Không những vậy, đầu dò còn là bộ phận
đóng vai trò quan trọng quyết định độ nhạy và khả năng thu nhận tín hiệu.
Trong đó, có 3 loại đầu dò chính (phân loại dựa trên nguyên tắc hoạt động của
chúng): đầu dò chứa khí, đầu dò bán dẫn, đầu dò nhấp nháy. Mỗi loại đầu dò
này có đặc điểm riêng, phù hợp với dải đo, yêu cầu khác nhau.
Với cấu tạo như vậy, các thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi
trường sử dụng trong những mục đích khác nhau có thể có kích thước khác
nhau rất nhiều. Ví dụ như các thiết bị quan trắc cá nhân, di động có kích
thước rất nhỏ, có thể dễ dàng mang theo (Hình 1.6) trong khi một số trạm đo
chuyên dụng lại có kích thước tương đối lớn (Hình 1.7) chứa nhiều thiết bị để
có thể phân tích chi tiết nhiều thông số khác nhau.

Hình 1.6: Một số thiết bị đo bức xạ cầm tay

Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
19


Hình 1.7: Hình một thiết bị đo bức xạ đặt tại một trạm quan trắc của Nhật Bản
Để hiểu sâu hơn về cấu tạo của thiết bị này và có thể chọn ra được các
loại đầu dò phù hợp cho từng mục đích sử dụng khác nhau, chúng ta sẽ tìm
hiểu kỹ hơn về nguyên tắc của từng loại đầu dò.
1.3.1. Đầu dò chứa khí
Đầu dò chứa khí thường là các tụ phẳng hoặc tụ hình trụ, có chất điện
môi là khí. Giữa hai bản cực của tụ được nuôi bằng một hiệu điện thế cao tạo
nên một cường độ điện trường giữa 2 bản cực, khi một hạt ion hóa (α, β, các
hạt nặng) đi vào không gian của tụ thì nó sẽ ion hóa các phân tử khí tạo thành
các ion dương và điện tử [10]. Với số cặp ion dương và điện tử được xác định
như sau:
abs
i
E
n
E
= (1.9)
Trong đó: + E
abs
là năng lượng mà chất khí hấp thụ
+ E
i

là năng lượng ion hóa của chất khí
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
20

Như đã biết, ở điều kiện bình thường các điện tích và phân tử khí
chuyển động tự do. Khi có tác động của điện trường, các điện tích này sẽ
đồng thời bị tác động bởi điện trường giữa 2 phía của điện cực. Với giá trị độ
lớn của điện trường khác nhau thì các hiệu ứng khác nhau xảy ra như sau
(Hình 1.8):

Hình 1.8: Các hiện tượng xảy ra với cặp ion dương và điện tử trong một điện cực
hình trụ với cùng một cường độ bức xạ khi hiệu điện thế thay đổi [9]
Nếu cường độ điện trường tăng lên, các ion dương và điện tử sẽ chuyển
động tới các điện cực tạo nên dòng điện giữa 2 bản điện cực. Tuy nhiên, do
cường độ điện trường yếu, nên trong quá trình chuyển động, các điện tử và
ion dương có thể tái hợp với nhau làm suy giảm tín hiệu. Ngoài ra, dòng điện
thu được trong vùng này rất nhỏ do đó khó thu nhận được.
Nếu tăng cường độ điện trường tới một giá trị giới hạn nào đó thì tín
hiệu lối ra sẽ không đổi (ion chamber region). Với cường độ dòng điện lúc đó
được xác định như sau:
Luận văn tốt nghiệp


Nguy
ễn Thị Minh
21

ne Q
I= =
t t
(1.10)
Nếu tiếp tục tăng cường độ điện trường thì các điện tử sẽ nhận được
năng lượng lớn dần lên. Khi năng lượng của các điện tử này đủ lớn thì trong
quá trình chuyển động về phía các điện cực, nó sẽ va chạm với các nguyên tử,
phân tử khác sinh ra thêm các điện tử thứ cấp. Các điện tử này cũng tham gia
vào quá trình ion hóa thứ cấp tiếp theo. Do đó, tổng điện tích về các điện cực
sẽ được nhân thêm với một hệ số M phụ thuộc vào độ lớn của cường độ điện
trường.
q
M
= M.n.e (1.11)
Vùng mà M không phụ thuộc vào n và vị trí tương tác được gọi là vùng
ống đếm tỉ lệ (proportional counting region).
Nếu cường độ điện trường tiếp tục được tăng lên, thì hệ số nhân M
cũng sẽ tăng theo. Đến một giá trị nào đó khi số cặp điện tử thứ cấp tạo ra quá
lớn sẽ tạo nên đám mây ion dương quanh anot gây ra sự suy giảm của cường
độ dòng điện. Vùng này được gọi là vùng tỉ lệ giới hạn.
Khi cường độ điện trường vượt qua ngưỡng của vùng tỉ lệ giới hạn thì
mỗi một cặp điện tử và ion dương tạo ra sẽ gây ra hiện tượng tự phóng điện
trong môi trường. Vùng này được gọi là vùng Geiger (Geiger region).
Dựa trên ảnh hưởng của độ lớn cường độ điện trường lên các cặp điện
tử và ion dương mà ta có các loại đầu dò chứa khí khác nhau như sau:
Luận văn tốt nghiệp


Nguy

ễn Thị Minh
22

a) Buồng ion hóa

Hình 1.9: Mô hình buồng ion hóa
Như đã biết ở trên, trong vùng ion hóa thì giữa hai bản cực sẽ xuất hiện
một dòng điện nhỏ tỉ lệ với số cặp điện tử và ion dương (hay chính là năng
lượng của bức xạ bị hấp thụ). Bằng cách xác định cường độ dòng điện ta sẽ
xác định được năng lượng bức xạ. Tuy nhiên, cường độ dòng điện ở đây là
tương đối nhỏ, nên việc xác định chính xác cũng là một vấn đề khó khăn.
Thông thường, tín hiệu lối ra thường được đo bằng mạch tích phân dòng lên
điện áp của một tụ điện. Do đó, khả năng phân giải thời gian của đầu dò này
là không cao.
b) Ống đếm tỉ lệ
Thông thường ống đếm tỉ lệ thường có dạng tụ hình trụ với catot là mặt
ngoài của trụ và anot là một sợi dây mảnh ở trung tâm. Khi đó thể tích không
gian xung quanh anot sẽ rất nhỏ so với toàn thể tích không gian của buồng và
tín hiệu lối ra sẽ không phụ thuộc vào vị trí của hạt.
Do có hệ số nhân M nên tín hiệu lối ra của ống đếm tỉ lệ lớn hơn khá
nhiều so với buồng ion hóa. Tuy nhiên, hệ số nhân M lại phụ thuộc rất mạnh
vào hiệu điện thế, năng lượng của hạt và áp suất chất khí trong buồng.
c) Ống đếm Geiger-Muller (G-M)