giáo trình ghi đo bức xạ bê ta

GHI ĐO BỨC XẠ BETA VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU MÔI
TRƯỜNG
Nguyễn Thị Linh
Viện Nghiên cứu Hạt nhân
Đà Lạt
Mở đầu (1)
Nghiên cứu, kiểm soát phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc đo đạc hoạt độ của các nguyên tố phóng xạ
tự nhiên và nhân tạo trong các mắt xích khác nhau của chúng. Phân tích phóng xạ là lĩnh vực thách thức vì chất
phóng xạ và môi trường mà chúng tồn tại vô cùng phức tạp. Chất phóng xạ có thể xuất hiện theo nhiều dạng, phần
trăm, mode và năng lượng phân rã khác nhau, và mỗi nuclides có hơn một mode phân rã. Ngoài ra, sự khác nhau về
sơ đồ phân rã từ chuỗi phân rã, sự cân bằng giữa các đồng vị con cháu và đồng vị mẹ, tốc độ phân rã sẽ làm cho quá
trình phân tích đối với từng nuclide trở nên phức tạp. Vấn đề phân tích còn bị chi phối bởi môi trường hóa học và
vật lý.
Hiện nay, có nhiều phương pháp phân tích hiện đại phát triển ứng dụng phân tích hoạt độ phóng xạ. Các loại detector
khác nhau sử dụng đo phóng xạ với số lượng khổng lồ, và thiết kế ở trạng thái khí, lỏng và rắn. Các loại này khác nhau không chỉ
về trạng thái vật lý mà cả trạng thái hóa học. Thiết bị và vành chắn điện tử kết hợp với đetector ghi bức xạ cũng khác nhau. Kết
quả là các detector ghi bức xạ, thiết bị được kết hợp với nhau phục vụ đo phóng xạ với hiệu suất ghi của detector khác nhau, phụ
thuộc nhiều hệ số như: đặc trưng của thiết bị, loại năng lượng mà bức xạ sinh ra, cũng như tính chất mẫu phân tích.
Sự lựa chọn phù hợp một loại detector ghi bức xạ hay phương pháp phân tích phóng xạ phù hợp, yêu cầu sự hiểu biết
về tính chất của bức xạ hạt nhân, cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất, chu kỳ bán hủy của nhân phóng xạ, sơ đồ phân rã,
phần trăm phân rã, năng lượng phân rã là vấn đề cơ bản đối với các phương pháp xác định và đo phóng xạ. Sự lựa chọn detector
và thiết bị phù hợp nhất phụ thuộc vào yêu cầu riêng đối với từng trường hợp cụ thể.
Mở đầu (2)
2. TỔNG QUAN (1)
2.1. Các ĐVPX tự nhiên
+ Các ĐVPX có nguồn gốc từ vũ trụ
⇓
Bề mặt Trái đất.
+ Các ĐVPX có nguồn gốc từ vỏ Trái đất

Phổ biến nhất là

40
K và các ĐVPX tạo thành chuỗi:
235
U,
238
U và
232
Th (T
1/2
dài).

Một số ĐVPX khác hoạt độ nhỏ, ít phổ biến hơn:
50
V,
87
Rb,
113
Cd,
115
In,
123
Te,
138
La,
142
Ce,
144
Nd,
147
Sm,

174
Hf…
+ Tăng phông các ĐVPX tự nhiên do CN
Bức xạ từ vũ trụ (photon năng lượng cao, hạt nặng mang điện…) tương tác với
các hạt nhân N và O trong tầng cao của KQ → các ĐVPX
3
H,
7
Be,
14
C,
22
Na…
4
5
Sơ đồ phân rã của
238
U
6
Sơ đồ phân rã của
235
U
7
Sơ đồ phân rã của
232
Th
2.2. Các ĐVPX nhân tạo
Có nguồn gốc từ:
+ Các vụ thử hạt nhân
+ Chôn cất thải phóng xạ dưới đáy đại dương

+ Sự cố hạt nhân
+ Phóng thích thông lệ mức thấp có kiểm soát của các cơ sở BX, HN (NMĐHN, cơ sở xử lý
nhiên liệu)
2. TỔNG QUAN (2)
8
9
2.2. Các ĐVPX nhân tạo.
Các ĐVPX nhân tạo được quan tâm chủ yếu là
90
Sr,
137
Cs và
239
Pu. Chúng được sinh ra từ các vụ thử vũ khí hạt nhân,
thải từ các sự cố hạt nhân, các sự cố từ lò phản ứng hạt nhân,…
- Sơ đồ tạo thành
90
Sr:
β
-
32.3s
β
-
153s
β
-
28.8y
β
-
64.1h

90
Kr
90
Rb
90
Sr
90
Y
90
Zr
6.5%
β
-
93.5%
β
-
3.82m
β
-
97%
β
-
(24.5s)
136
Xe (beàn)
137
Xe
137
Cs
137

I
- Sơ đồ tạo thành
137
Cs:
3%
137
Ba (beàn)
137m
Ba
β
-
23.54m
β
-
2.3d
α
2.4×10
4
y
238
U (n,γ)
239
U
239
Np
239
Pu
- Sơ đồ tạo thành
239
Pu:

γ (2.55m; 661KeV)
2. T NG QUAN Ổ
(3)
10
2.3. Các kỹ thuật phân tích

Đ m alphaế

Đ m bêta phông th pế ấ

Ph k nh p nháy l ngổ ế ấ ỏ

Ph k gamma phông th p ổ ế ấ

Ph k alpha phân gi i cao tr c ti pổ ế ả ự ế

Ph k alpha phân gi i cao, k t h p v i k thu t tách hóaổ ế ả ế ợ ớ ỹ ậ
Ở đây chỉ xin trình bày phương pháp ghi đo bức xạ beta.
2. TỔNG QUAN (4)
•

11
3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (1)
3.1. Phân rã beta
•

12
3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (2)
3.1. Phân rã beta
13

Ionization and Excitation by α- or β- rays
α-ray or β-ray loses a part of energy by ionization and / or excitation in material, and a
large number of electron and positive ion are produced. The average energy to produce a
pair of electron & ion is 25 ~ 40 eV in gas, and about 3 eV in solid material.
δ- ray is a produced electron which can ionize other atoms. If a neutral atom
captures an electron, it becomes a negative ion. Finally, all of radiation energy
changes to thermal energy.
7
Orbital
electrons
Nucleus
Ionization Process
β- ray
Electron
Neutral Ionized δray Positive Excited
atom electron ion atom
β-ray
Electron
δ-ray
expanded
Ionization and Excitation in electron energy level
Ionization Process
N
M
L
K
N
M
L
K

Excitation Process
excited
α- ray or β- ray
Free electron
α- ray or β- ray
3.2. Tương tác của hạt β với vật chất
Hạt β tương tác với vật chất:
•
Năng lượng sinh ra do quá trình ion hóa,
•
Kích thích điện tử lớp vỏ ( obital) ,
•
Giảm động năng của nó do bức xạ hãm. Vì vậy, Turner (1995) mô tả độ mất năng lượng đối với hạt β là tổng
của sự mất do va chạm và năng lượng phát xạ:
•
Do hạt β mất năng lượng dọc theo đường đi nên chỉ đi được một quãng đường hữu hạn, gọi là quãng chạy
(range) của hạt, nó phụ thuộc vào năng lượng và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ.
14
3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (3)
•
Hình sau chỉ ra đường cong khoảng chạy trong không khí khi hạt β vùng năng lượng từ 0.01 –
10MeV.
15
3.2. Tương tác của hạt β với vật chất (2)
3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (4)
16
Absorption Characteristics of β- rays
β- ray or fast electron loses a part of energy in material by the
processes of collision with orbital electrons of atoms and
Bremsstrahrung (emission of X-ray) near the nucleus. 　

The direction of β- particle changes in every collision with an atom,
thus, the trajectory is winding. In addition, due to continuous energy
distribution of β-rays, it is difficult to determine the exact value of range
by direct measurement.
10
Absorption Characteristics and Range of β-rays
β-ray absorption curve is almost exponential in the thickness region where
transmission is no so small. Mass absorption coefficient μ(cm
2
·mg
-1
) and the range R
(mg / cm
2
) for the maximum energy E (MeV) are given by some empirical equations.
A / A
0
= exp (

-μd ) 　　　　 μ= 0.017 E
-
1.43
R = 542 E - 133 　 for E > 0.8 MeV
R = 407 E

1.38
for 0.15 MeV < E < 0.8 MeV
Range (R)
β- ray trajectory
β- ray absorption curve and the max. range

Absorber thickness d (mg /

cm
2
)
Transmission A / A
0
(%)
0 100 200 300 400 500 600
1.0
0.5
0.1
0.05
0.01
0.005
Exponential
Maximum
range (R)
•
Có 3 loại detector ghi đo bức xạ: detector có dòng khí, nhấp nháy và detector bán dẫn. Có thể
phân loại detector tương ứng với dạng vật lý của hệ đo như các dạng rắn, lỏng, khí; có thể phân
loại tương ứng với tín hiệu ghi nhận đầu ra như tín hiệu dòng điện (ion), ánh sáng, và tương ứng
với chức năng như: đếm, phổ độ cao xung, đo liều, hiển thị dạng phổ.
•
Nguyên lí hoạt động của hầu hết các detector đo bức xạ dựa trên cơ sở của sự ghi điện tử hoặc ion
(như buồng ion hoá, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger-Muller) hay
•
Ghi các photon ánh sáng được phát ra bởi các nguyên tử hay phân tử bị kích thích: detector nhấp
nháy ( rắn và lỏng).
17

3.3. Nguyên tắc cơ bản về ghi đo bức xạ (1)
3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (5)
Detector
Signal
Physical
Chemical
Biological
Reader
Calibration
Assess
ment
Amplification
18
3.2. Nguyên tắc cơ bản về ghi đo bức xạ (2)
Hệ detector ghi đo bức xạ bao gồm 3 hợp phần:
•
Detector có vùng hoạt: là nơi xẩy ra tương tác bức xa;
•
Các hợp phần gắn với detector để duy trì các điều kiện ghi đo tối ưu;
•
Thiết bị hiển thị chính xác thông tin thu được từ detector và chuyển đổi nó thành tín hiệu đầu ra.
19
3.4. Cấu trúc và phân loại detector

Detector ion hóa khí (buồng ion hoá, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger-Muller); detector đếm nhấp
nháy; detector bán dẫn.
•
Số cặp ion sinh ra do quá trình ion hóa phụ thuộc vào các hệ số như khí sử dụng, cao thế đặt vào
giữa 2 điện cực của detector.
•

Mối liên quan giữa số xung đếm và cao thế đặt giữa các điện cực của detector ion hóa khí được
chỉ ra ở sơ đồ sau:
20
3.5. Các loại detector ghi đo bức xạ(1)
Vùng hoạt động của Gas-Filled Detectors
Recombination Region
Ionization Region
Proportional Region
Limited Proportional
Region
Geiger-Mueller Region
Continuous Discharge Region
Pulse Height
Voltage
α
β
γ
21
22
A) Ionization chamber region
Electrons and positive ions produced by ionization process drift
toward anode without recombination.
Thus, output signal is proportional to number of electron-ion
pair produced by the first ionization process.
B) Proportional counter region
Electrons are accelerated in strong electric field (~10
5
V/cm)
and ionize many atoms in gas, when drifting toward anode.
This process is called electron avalanche. Output signal is

enlarged from several hundreds to several ten thousands
times.
C) GM counter region
Ultra-violet rays (UV) from excited atoms in large avalanche
produce electron-ion pairs again, and many other avalanches
are consequently generated around the whole anode.
In GM counter, a small quantity of gas, called quenching
gas, is added to suppress continuous discharge.
18
Gas Ionization Characteristics
Mechanism of radiation detection with gas counter (ionization
chamber, pro-portional counter and GM counter is based on
ionization characteristics in gas as follows.
M
10
8
　
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
10

1
　 1
.1
HV
M : Multiplication factor
HV : Applied high voltage
D) 　 Continuous discharge
Counter will not work or be broken.
D)
C)
Anode
β-ray
Electron
Elect.
UV
Anode
Ion 　
β-ray
A)
Electron
Anode
β-ray Ion 　
　　　　
Electron
B)
Electron
avalanche
3.5.1. Detector chứa khí (1)
•
Vùng ion hoá: Khi thế đặt vào giữa 2 vùng đếm thấp, điện trường sinh ra không lớn, các điện tử và ion tích điện dương chuyển

dịch về các điện cực với tốc độ thấp, tốc độ quá trình tạo cặp. Khi tăng cao thế các ion chuyển dịch nhanh hơn và quá trình tạo cặp
giảm và sự tái kết hợp giảm. Vì vậy, tín hiệu ghi nhận được từ đầu ra tương ứng với cặp điện tích sinh ra từ quá trình ion hóa ban
đầu vùng này gọi là vùng ion hóa. Cao thế vùng này < 1000V.
•
Vùng tỷ lệ: Các điện tử được gia tốc trong vùng từ trường mạnh( xấp xỉ 10
5
V/cm) và ion hóa nguyên tử khí ( ví du Ar). Các
nguyên tử khí bị ion hóa chuyển về phía anod với tốc độ nhanh gọi là“ electron avalanche”. Tín hiệu ghi nhận được tăng tỷ lệ với
quá trinh ion hóa sơ cấp từ 10
2
đến 10
3
lần. Cao thế vùng này trong khoảng từ 800-2000V.
•
Vùng Geiger-Muller: Các tia cực tím từ các nguyên tử kích thích tại vùng cao thế từ 1000-3000V sinh ra quá trình tạo cặp, tốc
độ đếm thấp ở vùng này.

23
3.5. Các lo i detector ghi đo b c x (2)ạ ứ ạ
24
Gas filled ionization chamber
Ionization Chamber
Output signal for β-ray is too small to generate a pulse signal,
because of small quantity of energy dissipa-tion in chamber
and no amplification process. Therefore, mean ionization
current caused from a lot of β-rays must be measured as
shown in the right table as an example of
14
CO
2

.
Ionization chamber is generally used for measurements of radioactive
gas such as
3
H ，
14
CO
2
，
85
Kr ，
222
Rn and radiation dose.
The characteristics of ionization chamber are as follows.
1) Good stability because of the simple
mechanism and chamber structure
2) Available for relatively high dose rate
because of low sensitivity
Ionization chamber survey meter

An example
Inner volume 1000 cm
3
　　
Pressure 1.0 atm
Radioactivity 1.00 Bq/cm
3
W - Value 33.85 eV Resistance R
10
10

Ω
Mean energy 　　　 50 keV
Output current 0.237 pA
　　　 voltage 2.366 mV
Anode
Insulator
Guard
ring
Electro-
meter
Inner structure of gas filled
ionization chamber
Filled
gas
3.5.1. Detector ch a khí (2) ứ
Gas- Filled Detectors
wall
fill gas
R
Output
A
or
Anode (+)
Cathode (-)
End window
Or wall
25