Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các nguyên tố phóng xạ trong mẫu thực vật bằng phương pháp phổ gamma

Luận văn thạc sĩ khoa học

I HC QUI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


NGUYỄN NGỌC LỆ

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA CÁC
NGUYÊN TỐ PHÓNG XẠ TRONG MẪU THỰC VẬT
BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ GAMMA


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



i   2013
Luận văn thạc sĩ khoa học
I HC QUI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


NGUYỄN NGỌC LỆ

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA CÁC
NGUYÊN TỐ PHÓNG XẠ TRONG MẪU THỰC VẬT
BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ GAMMA
, hng cao
: 60 44 01 06
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NG DN KHOA HC:
PGS.TS. Bùi Văn Loát

i   2013
Luận văn thạc sĩ khoa học
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị và các bạn. Với lòng
kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin được trình bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:
Phó giáo sư – Tiến sĩ Bùi Văn Loát, người thầy kính mến đã hết lòng giúp
đỡ, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình
học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật lý, các anh chị
và các bạn đang làm việc tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân trường Đại học Khoa học Tự
nhiên đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn
này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè của tôi, những
người luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2013
Học viên

Nguyễn Ngọc Lệ

Luận văn thạc sĩ khoa học
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 5
CHƢƠNG 1. TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA MẪU THỰC VẬT 7
1.1. Hiện tƣợng và qui luật phân rã phóng xạ 7

1.1.1.Quy luật phân rã phóng xạ 7
1.1.2. Chuỗi nhiều phân rã phóng xạ 11
1.1.3. Hiện tượng cân bằng phóng xạ 13
1.2. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên 15
1.2.1. Chuỗi phóng xạ của đồng vị
238
U 15
1.2.2. Chuỗi phóng xạ của đồng vị
235
U 19
1.2.3. Chuỗi phóng xạ của đồng vị
232
Th 21
1.3. Đặc điểm của hoạt độ phóng xạ riêng trong mẫu thực vật 23
1.3.1. Nguồn gốc phóng xạ chứa trong thực vật 23
1.3.2. Thành phần đồng vị phóng xạ chứa trong thực vật 24
1.3.3. Hoạt độ phóng xạ riêng trong mẫu thực vật ở những điều kiện khác
nhau 25
CHƢƠNG 2. XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ THEO PHƢƠNG
PHÁP PHỔ GAMMA 27
2.1. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp 27
2.1.1. Cơ sở của phương pháp 27
2.1.2. Phương pháp phân tích phổ gamma 29
2.1.3. Xác định hoạt độ của đồng vị theo phương pháp phổ gamma 31
2.2. Phổ gamma của các đồng vị phóng xạ tự nhiên 35
2.2.1. Đo hoạt độ của đồng vị
7
Be 36
2.2.2. Đo hoạt độ của đồng vị
40

K 36
2.2.3. Phổ gamma của các đồng vị con cháu của uran và thori 37
2.3. Hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 38
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 43
3.1. Xác định một vài thông số của hệ phổ kế gamma bán dẫn 43
3.2. Khảo sát và đánh giá mức độ giảm phông buồng chì 45
3.3. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi để xác định hoạt độ riêng của
thực vật 50
Luận văn thạc sĩ khoa học
3.2.1. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi 50
3.2.2. Đánh giá độ chính xác của đường cong hiệu suất ghi 54
3.4. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của mẫu thực vật 56
3.4.1. Quy trình phân tích 56
3.3.2. Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ riêng của một số mẫu thực vật 57
KẾT LUẬN 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Luận văn thạc sĩ khoa học

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ
Danh mục bảng biểu
Th t
Ni dung
Trang
Bng 1.1
Chung v
238
U
17
Bng 1.2
Chua ng v
235
U
19
Bng 1.3
Chua ng v
232
Th
21
Bng 1.4
Ho  ca mt s mu thc vt  mt s u kin

25

Bng 2.1
 mnh nht.
32
Bng 3.1
 n ca ph k gammar ORTEC
45
Bng 3.2
Di m cng hp
48
Bng 3.3
M suy gim t m
49
Bng 3.4
Ho   cu chun
50
Bng 3.5
Hiu sut ghi tnh hp th n ca mu chun
TVU-TN
52
Bng 3.6
Hiu sut ghi t  nh hp th  n ca bc x
gamma a mu TVTh-TN
55
Bng 3.7
Ho  cng v 
55
Bng 3.8
Ho  ca m
59
Bng 3.9

Ho  ca m
59
Bng 3.10
Ho  ca m
60
Bng 3.11
Ho  ca m
60
Bng 3.12
Ho  ca mc 
61
Bng 3.13
Ho  ca mu l
61
Bng 3.14
Kt qu  nh ho    
62
Luận văn thạc sĩ khoa học
 t u thc vt.

Danh mục hình vẽ
Th t
Ni dung
Trang

 
88
Ra
226


 

86
Rn
222
+
2
He
4

7

Gi Z-n
8

Quy lu
10

 h ph k n ORTEC
38

Bu     ph k   p
ORTEC
39

Ph ngun chun
60
Co vi th
44


P ng hp m n
che chn  
46

P  ng hp m n      
chn  i gian 21731,72 s.
47

P ng h
chn  ng thi gian 13406,68 s.
47

Ph gamma ca mu chun IAEA RGU-1 vi th  
40001 s.
51

 th ng cong hiu sut ghi ca mu RGU-1 chun
53

Ph gamma ca mu chun IAEA RGTh -1 vi th
50464s
54

Ph gamma ca mn 2 vi thi

57

Ph gamma ca mi th
58

Luận văn thạc sĩ khoa học

MỞ ĐẦU
     




.
Vi gamma cng v  t,
c, nhm ho t c kh 
nhi do hong ci to ra. Nhng v  t
ng ph k gamma bao gm :
40
K,
235
U,
238

232
Th. Nhng
v  t m c ng v 
chu c ng v 

14
C chng hng v c tn ng ha
c x  ng cao vn gn b
mt ct. Trong s ng v  
7

 c bng ph k
gamma.
Vi gamma cng v  
c ht, ho cng v t thn
pht khong th  ph k c thit k
t k
s ng v  t nhi xung
 ng v c to ra do bt
notron hong v  n phm c
137

60
 t n di 
 y cn phi tr c khi tr 
Luận văn thạc sĩ khoa học
nh cng v 
 s ng l ca vinh.




,  , 
 
 u thc vt. 





 c mc

 gia bu i ca detector  nh 122 keV
ca Co
57
nh 1332 keV ca Co
60























 ca mu chun. 






thc vt.
L





 Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các nguyên tố
phóng xạ trong mẫu thực vật bằng phương pháp phổ gamma 

i 66 
14 , 14 16 .
n m t lun, Lu
 ca mu thc vt.
nh ho   Gamma.
t qu thc nghio lun.





Luận văn thạc sĩ khoa học
CHƢƠNG I: TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA MẪU THỰC VẬT
1.1. Hiện tƣợng và quy luật phân rã phóng xạ
Nm 1892 Becquerel  quan st thy mui uranium v nhng hp cht ca n
pht ra nhng tia gm 3 thh phn l tia  (alpha), tt

2
He
4
, tia  (beta), tc
t electron, v tia  (gamma), tc x n t  tia X 
rt ngn. Hi (radioactive decay). Cc
tia , ,  gc x (radiation rays). 
 t s phn y t 
t cht[1]
1.1.1. Quy luật phân rã phóng xạ

,  

226 222
88 86
Ra Rn


(1.1)




Hình 1.1. Sơ đồ phân rã
88
Ra
226


 

86
Rn
222
+
2
He
4

4,591 MeV 5.7%

 4,777 MeV
94,3%
 0,186 MeV
(35% -)
Ra
226

Rn
222


Lun vn thc s khoa hc
.1
226 222
88 86
Ra Rn

222

[1].


1.

Z
100
80
20
40
60
0 20 40 60 80 100 120 140 160 N

-
Z=N
S =0
p
S =0
n
Caực haùt nhaõn phoựng xaù
+
Caực haùt nhaõn

Caực haùt nhaõn ben
phoựng xaù

Hỡnh 1.2. Gin Z-N phõn bit cỏc ht nhõn bn v khụng bn [10].


-
-
- dN = Ndt (1.2)
Luận văn thạc sĩ khoa học
 s t l  gng s  (decay constant),  
i vi mng v . T c  :

dN
N
= - dt (1.3)
Thc hi :
N = N
0
e
-t
(1.4)
 N
0
 h  thu t = 0, N 
h  thm t. a h
x.
Thi gian s  (average life time) ca h c
:












t
00
t
00
tN(t)dt te dt
N(t)dt e dt

Thay 

x
2
x
1
1











0
0
xe dx
e dx

Hay :
T =
1

(1.5)
Luận văn thạc sĩ khoa học
c (1.5) cho thy thi gian sa h bng
ngho ca hng s .
    (decay period)  ng th  s h   
gin:
N(T) = N
0
e
-T
=
e
N
0
(1.6)
Th
1/2
(half-ng th s h
git na. Thay t = T

1/2

N(T
1/2
) =
2
N
0
= N
0
e
T
1 2/


1/2
=
ln2

=
0 693,

(1.7)

Hình 1.3. Quy luật phân rã phóng xạ
1
2
N
0


1
4
N
0


N
(t)
N
0

1
8
N
0


T
1/2
2T
1/2
3T
1/2

t
Luận văn thạc sĩ khoa học
Ho   a ngu trong mt
 thi gian :
H = -
dN
dt
(1.8)
N = N
0
e
-t
(1.9)
1.1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ
1.1.2.1. Chuỗi hai phân rã phóng xạ
 ng v 1, gng v mng v 2, g
ng v con, rng v ng v 3. Chu
bi h :
dN
1
(t)= - 
1
N
1
(t)dt (1.10)
dN
2
(t) = 
1
N

1
(t)dt - 
2
N
2
(t)dt (1.11)

1

2
 hng v i thm t,

1

2
ng s  
c h 

dt
(t)dN
1
= - 
1
N
1
(t) (1.12)

dt
(t)dN
2

= 
1
N
1
(t) - 
2
N
2
(t) (1.13)
Gii h u kiu ti thm
 h
1
(0) = N
10
 h
2
(0) = N
20

m bng:
N
1
(t) = N
10
t
1
e


(1.14)

Luận văn thạc sĩ khoa học
N
2
(t) =
 
t
20
t
t
2
10
221
eNee
N








1
1
(1.15)
Nu  thu ch ng v ng v 
N
20
 
N

2
(t) =
 
t
t
2
10
21
ee
N








1
1
(1.16)
1.1.2.2. Chuỗi ba phân rã phóng xạ




3

30



3


dt
(t)dN
1
= - 
1
N
1
(t) (1.17)

dt
(t)dN
2
= 
1
N
1
(t) - 
2
N
2
(t) (1.18)

dt
(t)dN
3
= 

1
N
1
(t) + 
2
N
2
(t) - 
3
N
3
(t) (1.19)

1

2
(t) 
N
3


 





















)λ)(λλ(λ
e
)λ)(λλ(λ
e
)λ)(λλ(λ
e
Nλλ
ee
λλ
λN
eN(t)N
3231
tλ
2321
tλ
1213
tλ
1021

tλ
tλ
23
220
tλ
303
3
21
3
2
3
(1.20)
Luận văn thạc sĩ khoa học


20

30
















)λ)(λλ(λ
e
)λ)(λλ(λ
e
)λ)(λλ(λ
e
Nλλ(t)N
3231
tλ
2321
tλ
1213
tλ
10213
3
21

(1.21)
1.1.3. Hiện tượng cân bằng phóng xạ
ng hp chu vi N
20
= 0, nng v m 
hng s  ng s ng v  
1
< 
2


thp x bng nhau T
1/2,1
 T
1/2,2
ng v t
lp mt tr      ng. T biu thc (1.16) thy rng, sau
khong thi gian t l hng th hai trong du ngo b qua so vi
s hng th nh(1.16) tr :
N
2
(t) =
tλ
12
110
1
e
λλ
λN


(1.22)
 hai v biu thi 
2
ng N
1
(t) = N
10
t
1
e



ta 
th :
12
2
11
22
λλ
λ
λN
λN


(1.23)
Nng v m t ln so vi thng v
 T
1/2,1
>> T
1/2,2
khong thi gian t >> T
1/2,2
(T
1/2,2
<< t << T
1/2,1
)
ng v m  t ti trng bn, th thc:
N
1


1
= N
2

2
(1.24)
T c:
Luận văn thạc sĩ khoa học
2,2/1
2,1/1
1
2
2
1
T
T
λ
λ
N
N

(1.25)
 th s dng biu th nh tha Ra
226
nu bit
c tha Rn
222
 h
Ra


Rn

Rn1/2,
Rn
Ra
Ra1/2,
T
N
N
T 
(1.26)
Suy rng cho mt chui nhing v  ni tip nhau  tr
bng b
N
1

1
= N
2

2
= . . . . . . = N
n

n
(1.27)
n s  bn, ho
 cng v trong chuu bng nhau T c
biu th (1.26):

N
1
: N
2
: . . . . . : N
n
= T
1/2,1
: T
1/2,2
: . . . . . . : T
1/2,n
(1.28)







Luận văn thạc sĩ khoa học
1.2. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên
ng v  y
ng v   ng v s
238
U,
235

234
ng v

238
U chim nhing
235

234
U chim r
 n t mng v
232
ng v  
ng v ng v  li 
ng v  n khi
ng v cung v bu kin chun, t s
235
U/
238

t c ng v trong chut trng.
 hic ph gamma cng v n phi bi 
c t cng v t trong
chung 1.1, bng 1. bng 1.  ng v
 m
238
U,
235

232
  u
mt s ng n
m ci s dng h ph k gamma.
1.2.1. Chuỗi phân rã của đồng vị

238
U
Chung v
238
ng 1.1. Trong t 
238
U chim 99.25% cng uran t ng v
238
ng v  
ng v
234
ng v ng v   

234m
Pa. Chup ding v cua chu
ng v bn
206
Pb. N ng v g x trong
chui, ta thy chu k a tt c ng v u ngu so vi
chu k ng v m
238
ng ho cng v
a
238
U trong khi uran t  n s n
vi
238
U. Ho cng v  bng vi ho ca
238
U. Tng

s trong chung v   tng ca kh ln
Luận văn thạc sĩ khoa học
 cng v
238
U hoc ca bt k ng v  i 14
ln.
ng hng v  ng v m.
Chng hng hp
234m
Pa/
234
U. Nu ch n
234m
ng
 s n nh ri vi nhng ngun
i gian k t khi c ch to ln chu k ng v m
i gian s a
234m
Pa, thc ch
gng v
238
U. Trong thc tng ho c
trong mu ca bt k ng v con  cng v m
238
a tt c ng v   t
 cng v trong chu 
Trong s ng v con trong chua
238
ng v 
  c t ch ng v trong bng 1.1

c g c mi d. Do v t
 cng v   cng v ui
 n phi kim tra v u ki 
  cng v trong chu
234
Th,
234m
Pa,
226

214
Pb,
214

210
 kiu ki
Cn nhn mu ki u ph n.
ng hc l ng v con s b th 
v ng.



Luận văn thạc sĩ khoa học
Bảng 1.1. Chuỗi phân rã của đồng vị
238
U
(1)
238
U 4,468
9

y

(2)
234
Th 24,1 d

(3)
234m
Pa 1.17 m

IT=0.16%

234
Pa 6,7h
 


(4)
234

5
y

(5)
230

4
y

(6)

226
Ra 1600 y

(7)
222
Rn 3,8232 d

(8)
218
Po 3,094 m

Luận văn thạc sĩ khoa học
(9)
214
Pb 26,8 m

(10)
214
Bi 19,9 m

(11)
214
Po 162,3 s

(12)
210
Pb 22,3 y

(13)
210

Bi 5,013 d

(14)
210
Po 138,4 d


206
Pb
Trong s ng v con trong chua
238
U ch ng v trong
bng 1.1 c g c bng ph k gamma m
i d.



Luận văn thạc sĩ khoa học
1.2.2. Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị
235
U
Trong t ng v 
235
U ch chim 0.72% trong tng s uran.
 l cng v  
 n bc x gamma, tm quan trng c
i tm quan trng cng v
238
U. Chu ca
ng v

235
bng 1.2. Chung v bao gm
11 ti h
chuu b qua mt rt nh.
Bảng 1.2. Chuỗi phân rã của đồng vị
235
U
(1)
235
U 1,7
8
y

(2)
231
Th 25,52 h

(3)
231

4
y

(4)
227
Ac 21,772

y

(5)

227
Th 18,718 d

223


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trong s ng v  nh gamma cng v
235
 d
nh ca mt s ng v 
227
Th,
223

219
Rn 
c  sai s nh gamma cng v  
(6)
223
Ra 11,43 d

(7)
219
Rn 3,96 s

(8)
215
Po 1,781 ms


(9)
211
Pb 36,1 m

(10)
211
Bi 2,14 m

(11)
207
Tl 4,77 m

211




207
P
Luận văn thạc sĩ khoa học
vi cn v ho ca
235
U hoc kim tra v  ca mu.
1.2.3. Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị
232
Th
ng v
232
Th chim 100% trong t ng v 

 3. Chum 10 t
loi h  k  nh ca
228
Ac,
212
Pb,
212

208
Tl m ng v
212
Bi b  
ng v
208
Tl v         ng v
212
 
 c bng ph k gamma. N
208
  c
cn ly ho ca
208
 ca t s r 
Bảng 1.3. Chuỗi phân rã của đồng vị
232
Th
(1)
232
Th 1,405 
10

y

(2)
228
Ra 5,75 h

(3)
228
Ac 6,15 h

(4)
228
Th 1,9127 y

(5)
224
Ra 3,627 d
Luận văn thạc sĩ khoa học

Chui bao gm 10 ti h  k
 nh ca
228
Ac,
212
Pb,
212

208
Tl m a
ng v

212
Bi b    ng v
208
Tl v t
35,94%. N
208
  cn ly ho ca
208
Tl chia
 ca t s r 

(6)
220
Rn 55,8 s

(7)
216
Po 150 ms

(8)
212
Pb 10,64 h

(9)
212
Bi 60,54 m
 

(10)
212

Po 
208
Tl 3,06 m
 


206
Pb