Khóa luận tốt nghiệp Đại học Xây dựng quy trình chế tạo mẫu chuẩn Uran và Kali để xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN
-----------------†-----------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU CHUẨN URAN
VÀ KALI ĐỂ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG
MẪU ĐẤT

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thò Hoàng Oanh
Cán bộ hướng dẫn: ThS. Trương Thò Hồng Loan
TS. Trần Văn Luyến
Cán bộ phản biện: ThS. Huỳnh Thanh Nhẫn

TP.HỒ CHÍ MINH- 2007


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện khoá luận tốt nghiệp, em đã
nhận được sự quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ và động viên của Thầy Cô, gia
đình, các anh chò và các bạn. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của
mình tới:
ThS. Trương Thò Hồng Loan, người đã truyền đạt lại những kiến thức cần
thiết, tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành khoá luận này.
TS. Trần Văn Luyến, người Thầy đã nhiệt tình truyền đạt những kiến
thức, kinh nghiệm quý giá và những chỉ bảo tận tình trong thực nghiệm.

Các Thầy Cô trong khoa Vật Lý, đặc biệt các Thầy Cô trong bộ môn Vật
Lý Hạt Nhân đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích.
Anh Đặng Nguyên Phương, anh Trần Thiện Thanh, chò Trần Ái Khanh đã
giúp đỡ và động viên em rất nhiều trong thời gian qua.
Tất cả bạn bè đã ủng hộ tôi.
Xin gởi tri ân đến gia đình vì mọi điều tốt đẹp.


Lời mở đầu
Phổ kế Gamma phông thấp có khả năng ghi nhận trực tiếp các tia Gamma đo
các đồng vò phóng xạ trong mẫu phát ra mà ko cần tách chiết các nhân phóng xạ
khỏi chất nền của mẫu, giúp ta thu được một cách đònh tính và đònh lượng các nhân
phóng xạ trong mẫu. Đối tượng của phương pháp phân tích này là các mẫu sinh học,
môi trường như: đất, nước, không khí, trầm tích, rau (các loại rau), …
Nhờ những kết quả phân tích trong nghiên cứu môi trường này, chúng ta có thể
đánh giá được mức độ ảnh hưởng của của các chất phóng xạ có trong môi trường,
của lương thực, thực phẩm đối với cuộc sống của con người.
Để đánh giá được các đặc trưng của Detector như độ phân giải, hiệu suất ghi,
thời gian đo tối ưu, các phòng thí nghiệm trên thế giới sử dụng các mẫu vật liệu
chuẩn với hoạt độ các đồng vò phóng xạ đã được xác đònh. Việc chế tạo các mẫu
chuẩn trong nước để thay thế các mẫu chuẩn ngoại nhập sẽ mang lại tính kinh tế
cao và đáp ứng kòp thời các công tác nghiên cứu.
Vớiø điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm bộ môn, tác giả chọn đề tài “xây
dựng quy trình chế tạo mẫu chuẩn Uran và Kali để xác đònh hoạt độ phóng xạ trong
mẫu đất” được đo bằng hệ phổ kế Gamma phông thấp, nhằm cung cấp một tài liệu
tham khảo về chế tạo mẫu chuẩn và các kết quả thực nghiệm bước đầu.


1

MỤC LỤC
MỤC LỤC .........................................................................................................1
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................5
Chương 1 ...........................................................................................................6
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................................6
1.1 VÀI NÉT VỀ HIỆN TƯNG PHÓNG XẠ..............................................6
1.2 NGUỒN GỐC PHÓNG XẠ .......................................................................7
1.2.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên .......................................................7
1.2.1.1 Nhóm đồng vò phóng xạ nguyên thủy ....................................7
1.2.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo .....................................................14
1.2.2.1 Vũ khí hạt nhân.....................................................................14
1.2.2.2 Điện hạt nhân .......................................................................15
1.2.2.3 Tai nạn hạt nhân ...................................................................16
1.3 PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT ..........................................16
1.3.1 Phóng xạ tự nhiên........................................................................16
1.3.1.1 Nguồn gốc của phóng xạ tự nhiên trong đất ........................16
1.3.1.2 Một số đồng vò phóng xạ tự nhiên trong đất ........................18
1.3.2 Phóng xạ nhân tạo .......................................................................20
Chương 2 .........................................................................................................21


2

GIỚI THIỆU ĐẦU DÒ HPGe ..................................................................21
2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LOẠI ĐẦU DÒ ĐƯC SẢN XUẤT
BỞI HÃNG CANBERRA...................................................................................21
2.1.1 Đầu dò Ge đồng trục. ..................................................................22
2.1.2 Đầu dò Ge đồng trục đảo cực (REGe). .......................................23
2.2 GIỚI THIỆU ĐẦU DÒ GEMANIUM SIÊU TINH KHIẾT HAY ĐẦU

DÒ HPGE (HIGH PURE GERMANIUM DETECTOR) CÓ TẠI BỘ MÔN
VẬT LÝ HẠT NHÂN. ........................................................................................24
2.2.1 Cấu hình của đầu dò gemanium siêu tinh khiết GC2018. .........24
2.2.1.1 Cấu hình của đầu dò: ...........................................................24
2.2.1.2 Các thông số kỹ thuật của đầu dò: ......................................25
2.2.1.3 Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò_ buồng chì_nguồn: .................26
2.2.2 Các đặc trưng của đầu dò bán dẫn Germanium.........................27
2.2.2.1 So sánh hiệu suất của đầu dò loại n và loại p .....................27
2.2.2.2 Độ phân giải năng lượng (energy resolution).....................29
2.2.2.3 Tỉ số đỉnh / Compton (peak / Compton ratio) ......................30
2.2.2.4 Hiệu suất của đầu dò germanium siêu tinh khiết (HPGe) ..30
Chương 3 .........................................................................................................34
CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG
XẠ .....................................................................................................................34
3.1 PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG ĐỐI...............................................................34


3

3.2 PHƯƠNG PHÁP TUYỆT ĐỐI. ..............................................................35
3.3 SAI SỐ. .....................................................................................................35
3.4 PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐƠN NGUYÊN TỐ. ....................................37
3.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHÓNG XẠ. ..............................38
Chương 4 .........................................................................................................39
THỰC NGHIỆM ........................................................................................39
4.1 XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO MẪU CHUẨN ...................................39
4.1.1 chế tạo dụng cụ làm mẫu: ...........................................................39
4.1.2. Gia công chất nền.......................................................................41
4.1.3. Quy trình làm mẫu ......................................................................42
1) Tạo mẫu chuẩn Uran : ..................................................................42

2) Tạo mẫu chuẩn Kali : ...................................................................44
4.2 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ...................................................................45
4.2.1 Xác đònh phông nền của đá bazan : ............................................45
4.2.2 Đánh giá độ đồng nhất: ...............................................................46
4.2.2.1 Với mẫu chuẩn Kali :............................................................46
4.2.2.2 với mẫu chuẩn Uran :............................................................46
4.2.3 Kiểm chứng phương pháp : .........................................................48
4.2.3.1 Phương pháp tuyệt đối: .........................................................48
4.2.3.2 phương pháp tương đối:........................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................51


4

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Đặc trưng của 40K và các nhân chính của 3 họ phóng xạ. ................... 12
Bảng 1.2: Các đồng vò phóng xạ có nguồn gốc vũ tru.......................................... 13
Bảng 1.3: Các đồng vò phóng xạ chính trong môi trường đất............................... 20
Bảng 4.1: Kích thước hộp mẫu 3π......................................................................... 40
Bảng 4.2: Kích thước hộp mẫu 2π......................................................................... 41
Bảng 4.3: Kết quả đo phông nền của bột đá bazan. ............................................. 45
Bảng 4.4: Đánh giá độ đồng nhất mẫu Kali......................................................... 46
Bảng 4.5: Tốc độ đếm của mỗi mẫu Uran ứng với từng mức năng lượng. ........... 47
Bảng 4.6: Đánh giá độ đồng nhất mẫu Uran. ...................................................... 47
Bảng 4.7: Hiệu suất ghi của mẫu 1 ứng với 2 đỉnh năng lượng 63.3 keV và 92.38
keV. ....................................................................................................................... 48
Bảng 4.8: Hiệu suất ghi của mẫu 2 ứng với 2 đỉnh năng lượng 63.3 keV và 92.38
keV. ....................................................................................................................... 49
Bảng 4.9: Hoạt độ trung bình mẫu đo tính từ phương pháp tuyệt đối............................. 49

Bảng 4.10: Hoạt độ riêng của mẫu phân tích tính theo mẫu 1. ............................ 50
Bảng 4.11: Hoạt độ riêng của mẫu phân tích tính theo mẫu 2. ............................ 50


5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Họ Thorium (4n)..................................................................................... 9
Hình 1.2: Họ Actinium (4n+3) ............................................................................. 10
Hình 1.3: Họ Uranium (4n+2) ............................................................................. 11
Hình 2.1: Tiết diện ngang của đầu dò Ge đồng trục. ........................................... 23
Hình2.2: Tiết diện ngang của đầu dò Ge đồng trục đảo cực. .............................. 23
Hình 2.3: Cấu trúc đầu dò HPGe......................................................................... 25
Hình 2.4: Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò - buồng chì –nguồn. ............................... 26
Hình 2.5: Bình làm lạnh ....................................................................................... 27
Hình 2.6 : Hiệu suất năng lượng toàn phần thực của detector đồng trục (loại n)
và đồng trục đảo cực (loại p)................................................................................ 28
Hình 2.7: Phổ của nguồn phóng xạ Co-60 được đo bởi đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)
và đầu dò HPGe ................................................................................................... 29
Hình 4.1: hộp mẫu 3π ........................................................................................... 40
Hình 4.2: Hộp mẫu 2π .......................................................................................... 41


6

Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 VÀI NÉT VỀ HIỆN TƯNG PHÓNG XẠ
Phóng xạ là một hiện tượng tự nhiên xuất hiện từ thû khai thiên lập đòa,
nhưng chưa được biết đên cho đến năm 1896 khi Henri Becquerel tình cờ phát

hiện các bức xạ từ muối của Uranium. Sau đó, năm 1899 Pierre và Marrie Curie
tìm ra hai chất phóng xạ mới là Polonium và Radium. Năm 1934, Frederic Jiolot
và Iren Curie tạo ra các đồng vò phóng xạ nhân tạo của phospho và nitrogen.
Phát minh này đã mở ra một kỷ nguyên của phóng xạ nhân tạo.
Theo đònh nghóa, phóng xạ là biến đổi tự xảy ra của hạt nhân nguyên tử, đưa
đến sự thay đổi trạng thái hoặc bậc số nguyên tử hoặc số khối của hạt nhân. Khi
chỉ có sự thay đổi trạng thái xảy ra, hạt nhân sẽ phát ra tia gamma mà không
biến đổi thành hạt nhân khác, khi bậc số nguyên tử thay đổi sẽ biến hạt nhân
này thành hạt nhân của nguyên tử khác, khi chỉ có số khối thay đổi hạt nhân sẽ
biến thành đồng vò khác của nó.
Các công trình nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng phóng xạ đã xác nhận
sản phẩm phân rã phóng xạ của hạt nhân gồm:
+ Tia alpha: là chùm các hạt tích điện dương, bò lệch trong điện trường và
từ trường, dễ bò các lớp vật chất mỏng hấp thụ. Về bản chất, tia alpha là chùm
các hạt nhân của nguyên tử Helium ( 42 He ).
+ Tia beta: cũng bò lệch trong điện trường và từ trường, có khả năng xuyên
sâu hơn tia alpha. Về bản chất, tia beta là các electron (   ) và các positron
(   ).


7

+ Tia gamma: không chòu tác dụng của điện trường và từ trường, có khả
năng xuyên sâu vào vật chất. Về bản chất, tia gamma là các photon có năng
lượng cao.
1.2 NGUỒN GỐC PHÓNG XẠ
Phóng xạ có ở khắp mọi nơi: trong đất, nước, không khí, thực phẩm, vật liệu
xây dựng, kể cả con người - một sản phẩm của môi trường. Nguồn phóng xạ
được chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo.
Nguồn phóng xạ tự nhiên (thường được gọi là phông phóng xạ tự nhiên) là các

chất đồng vò phóng xạ có mặt trên trái đất, trong nước hay trong bầu khí quyển.
Nguồn phóng xạ nhân tạo do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong
lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc.
1.2.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên
Các nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: nhóm các đồng vò phóng xạ
nguyên thủy - có từ khi tạo thành trái đất và vũ trụ và nhóm các đồng vò phóng
xạ có nguồn gốc từ vũ trụ - được tia vũ trụ tạo ra.
1.2.1.1 Nhóm đồng vò phóng xạ nguyên thủy
Phông phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và
khi trái đất được hình thành. Chúng có chu kỳ bán rã ít nhất khoảng vài triệu
năm, gồm có Uranium, Thorium và con cháu của chúng, cùng với một số nguyên
tố phóng xạ khác tạo thành bốn họ phóng xạ cơ bản: Họ Thorium 232Th (4n); họ
Uranium 238U (4n+2); họ Actinium
Neptunium

241

U (4n+3) và họ phóng xạ nhân tạo

235

Pu (4n+1).

Các đặc điểm của 3 họ phóng xạ tự nhiên:


8

+ Thành viên thứ nhất là đồng vò phóng xạ sống lâu với thời gian bán rã
được đo theo các đơn vò đòa chất.

+ Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các
đồng vò khác nhau của nguyên tố Radon: ví dụ trong họ Uranium là
222
86

Ra (Radon); trong họ Thorium là

219
86

Rn (Actinon). Trong họ phóng xạ nhân tạo Neptunium không có thành viên khí

220
86

Rn (Thoron); trong họ Actinium là

phóng xạ.
+ Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ tự nhiên đều là chì:
trong họ Uranium,

207

Pb trong họ Actinium và

208

206

Pb

Pb trong họ Thorium. Trong họ

phóng xạ nhân tạo Neptunium, thành viên cuối cùng là

209

Bi . Sơ đồ phân rã của

ba họ phóng xạ tự nhiên được cho trong các Hình 1.1, Hình 1.2 và Hình 1.3.
Ngoài các đồng vò phóng xạ trong 4 họ phóng xạ cơ bản trên, trong tự
nhiên còn tồn tại một số đồng vò phóng xạ với bậc số nguyên tử thấp. Một trong
các đồng vò phóng xạ tự nhiên là

40

K , rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng

K trong đất đá là 27 g/kg và trong đại dương ~ 380 mg/lít), trong thực vật, động

vật và cơ thể người (hàm lượng K trung bình trong cơ thể người khoảng 1,7
g/kg).


9

90

89

88

87

86

85

84

83

82

232

230

228

226

224

222

220

218

216

214

212

210

208

Hình 1.1: Họ Thorium (4n)
Ký hiệu:

Phân rã Beta
Phân rã Alpha

81


10

92

91

90

89

88

87

86

235

233

231

229
227

225

223

221
219

217

215

213
211

Hình 1.2: Họ Actinium (4n+3)

85

84

83

82

81


11

92

91

90

89

88

87

86

85

84

83

238

236

234

232

230

228

226

224

222

220

218

216

214

212

210

208

206

Hình 1.3: Họ Uranium (4n+2)
Một đồng vò phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là

5600 năm.

14

14

C với chu kỳ bán rã

C là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt

82


12

nhân

14

N . Trước khi xuất hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của 14 C trong

khí quyển khoảng 1,5.1011 MBq (4MCi), trong thực vật khoảng 4,8.1011 MBq
(13MCi), trong đại dương khoảng 9.1012 MBq (240 MCi). Việc thử nghiệm vũ
khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng 14C . Cho đến năm 1960, tất cả các vụ
thử nghiệm vũ khí hạt nhân đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.1011 MBq (3MCi).
Cacbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí CO2 , đi vào cơ thể động
vật qua quá trình hô hấp và vào thực vật qua quá trình quang hợp nên được sử
dụng để đánh giá tuổi các mẫu khảo cổ vật liệu hữu cơ thông qua các số liệu
hoạt độ riêng 14C của chúng.
Các đồng vò phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên quan trọng nhất được dẫn ra
trong bảng dưới đây.
Bảng 1.1: Đặc trưng của 40K và các nhân chính của 3 họ phóng xạ.
Nhân Chu
hủy

kỳ

bán Hàm lượng/ Hoạt độ tự nhiên

235

U

7,04.108 năm

0,72% Uran tự nhiên

238

U

4,47.109 năm

99,2745% Uran tự nhiên, 0,5-0,7 ppm Uran trong đá

232

Th

1,41.1010 năm

1,6-20 ppm trong đá vôi, trung bình 10,7 ppm

226

Ra

1,6.103 năm

16 Bq/kg trong đá vôi, 48 Bq/kg trong đá nóng chảy

222

Rn

3,82 ngày

0,6-28 Bq/m3 trong không khí

1,28.1010 năm

37-1000 Bq/kg trong đất

40

K

1.2.1.2 Nhóm các đồng vò phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ
+ Các đồng vò phóng xạ được tạo thành từ tia vũ trụ:


13

Bức xạ vũ trụ lan khắp không gian, chúng tồn tại chủ yếu ngoài hệ Mặt
trời của chúng ta. Bức xạ có nhiều dạng, từ những hạt nặng có vận tốc rất lớn
đến các photon năng lượng cao và các hạt muyon. Tầng trên của khí quyển trái
đất tác dụng với nhiều loại tia vũ trụ và làm sinh ra các nhân phóng xa. Phần lớn
các nhân phóng xạ này có thời gian bán rã ngắn hơn các nhân phóng xạ tự nhiên
có trên trái đất.
Bảng 1.2 trình bày các nhân phóng xạ chính có nguồn gốc từ vũ trụ.
Bảng 1.2: Các đồng vò phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ
Nhân T1/2

Nguồn

Hoạt độ

14

C

5730 năm

Ttvt 14N(n,p)14C

220 Bq/kg trong vật liệu hữu cơ

3

H

12,3 năm

Ttvt N và O 6Li(n,  )3H

1,2.10-3 Bq/kg

7

53,28 ngày

Ttvt với N và O

0,01 Bq/kg

Be

Các nhân phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ khác là
14

C,

32

Si ,

39

Ar ,

22

Na ,

35

S,

37

Ar ,

32

P,

33

P,

38

Mg ,

24

Na ,

38

10

S,

Be ,

18

F,

26

Al ,

26

Cl ,

38

Cl ,

34 m

80

Kr ,

Cl .

+ Bức xạ vũ trụ:
Cùng với các nhân phóng xạ tạo nên khi tia vũ trụ tương tác với lớp khí
quyển, bản thân các tia vũ trụ cũng góp phần vào tổng liều hấp thụ của con
người. Bức xạ vũ trụ được chia làm hai loại là bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp.
Bức xạ vũ trụ sơ cấp được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kỳ cao
(lên đến 108 eV ), đa phần là proton cùng với một số hạt khác nặng hơn. Phần
lớn các tia vũ trụ sơ cấp đến từ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta và chúng


14

cũng đã được tìm thấy trong không gian vũ trụ. Một số ít bắt nguồn từ Mặt trời
do quá trình cháy sáng của Mặt trời.
Một số nhỏ bức xạ vũ trụ sơ cấp xuyên xuống bề mặt trái đất còn phần
lớn chúng tương tác với khí quyển. Khi tương tác với khí quyển, chúng sinh ra
các bức xạ vũ trụ thứ cấp hoặc ánh sáng mà ta có thể nhìn thấy trên mặt đất.
Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ có năng lượng thấp hơn, bao gồm
việc hình thành các photon ánh sáng, các electron, các neutron và các hạt muyon
rơi xuống mặt đất.
Lớp khí quyển và từ trường trái đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che

chắn các tia vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt của
trái đất. Như vậy, liều bức xạ con người nhận được sẽ phụ thuộc vào độ cao mà
người ấy đang ở: từ bức xạ vũ trụ, hàng năm con người có thể nhận một liều cỡ
0,27 mSv và sẽ tăng lên gấp đôi nếu độ cao tăng 2000 m.
Lượng bức xạ vũ trụ trên mặt biển chỉ giảm 10% từ vùng cực tới xích đạo
nhưng tại độ cao khoảng 20000 m thì mức giảm này là 75%. Rõ ràng là có sự
ảnh hưởng của đòa từ trường của trái đất và từ trường của Mặt trời lên các bức xạ
vũ trụ sơ cấp.
1.2.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo
Loài người đã sử dụng phóng xạ trong 100 năm trở lại đây và qua đó bổ sung
vào nguồn phóng xạ tự nhiên những sản phẩm của con người. Chúng chỉ là một
lượng rất nhỏ so với lượng phóng xạ có sẵn trong tự nhiên, và vì chu kỳ bán rã
của chúng ngắn nên hoạt độ của chúng đã giảm đáng kể từ khi ngừng thử vũ khí
hạt nhân trên trái đất.
1.2.2.1 Vũ khí hạt nhân


15

Rơi lắng từ các vụ thử vũ khí hạt nhân là nguồn phóng xạ nhân tạo lớn
nhất trong môi trường. Dấu hiệu của bom hạt nhân là các sản phẩm phân hạch
của

U và

235

239

Pu . Dấu hiệu của phản ứng nhiệt hạch là Triti đi kèm các phản

ứng phân hạch thứ cấp khi neutron nhanh tương tác với

U ở lớp vỏ bọc ngoài.

238

Các đồng vò phóng xạ khác cũng được tạo ra do kết quả của việc bắt neutron với
các vật liệu làm bom và không khí xung quanh. Một trong những sản phẩm quan
trọng nhất là 14C được tạo ra do phản ứng sau
14

14

N (n,p) 14C làm cho hàm lượng

C trong khí quyển tăng gấp đôi vào giữa những năm 1960.

Từ khí quyển, các đồng vò phóng xạ sẽ lắng đọng trên đòa cầu dưới dạng
rơi lắng tại chỗ (12%), nằm trên tầng đối lưu (10%) và tầng bình lưu (78%). Rơi
lắng ở tầng bình lưu là rơi lắng toàn cầu và sẽ gây nhiễm bẩn toàn cầu với hoạt
độ thấp. Trong khi hầu hết các đồng vò phóng xạ nằm trên bề mặt trái đất thì 3 H
và 14 C đi vào các chu trình khí quyển, thủy quyển và sinh quyển toàn cầu. Tổng
lượng phóng xạ đã đưa vào khí quyển qua các vụ thử vũ khí hạt nhân là 3.107
Sv/người với 70% là 14C ; các đồng vò khác như

137

Cs ,

90

Sr ,

95

Zr và

106

Ru chiếm

phần còn lại.
1.2.2.2 Điện hạt nhân
Chương trình hạt nhân dân sự bắt đầu từ lò phản ứng Calder Hall ở tây
bắc nước Anh năm 1956. Số các lò phản ứng hạt nhân tăng nhanh, cho đến cuối
năm 2002, theo thống kê của IAEA, điện hạt nhân đã chiếm 16% sản lượng
điện toàn thế giới và đang có chiều hướng gia tăng. Các đồng vò phóng xạ thải
vào môi trường đều từ các chu trình nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ,
nghiền Uran, sản xuất và tái chế các thanh nhiên liệu. Việc thải các chất phóng
xạ từ các nhà máy điện có thể lên đến cỡ TBq/năm hoặc nhỏ hơn.


16

1.2.2.3 Tai nạn hạt nhân
Khoảng 150 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân đã xảy ra, lớn nhất là tai
nạn Chernobyl xảy ra ở Ucraina 1986 gây nên sự nhiễm bẩn phóng xạ bởi các
chất thải rắn và lỏng - là hỗn hợp các hợp chất hóa học và các đồng vò phóng xạ.
Ngoài ra, một số nhân phóng xạ nhân tạo còn được tạo thành từ các khu

chứa chất thải phóng xạ, các chất thải rắn hay đồng vò phóng xạ nhân tạo đánh
dấu.
1.3 PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT
1.3.1 Phóng xạ tự nhiên
1.3.1.1 Nguồn gốc của phóng xạ tự nhiên trong đất
Nguồn gốc chính phát sinh các nguyên tố phóng xạ trong đất là từ các đá
tạo thành đất (đá gốc hay còn gọi là đá mẹ), do đó mức độ và đặc tính của
phóng xạ trong đất có quan hệ với hàm lượng các nguyên tố phóng xạ trong đá
gốc. Đất hình thành từ các sản phẩm phân hủy của đá magma có tính axít thường
có chứa các đồng vò như: Uranium, Thorium, Radium, và Kali với hàm lượng
lớn. Trái lại các đất được hình thành từ các đá bazơ và đá siêu bazơ nói chung
chứa lượng phóng xạ ít hơn so với đất được hình thành từ đá axít. Đất được hình
thành gần nơi có quặng phóng xạ trồi lên thì các nguyên tố phóng xạ trong nó
được làm giàu rất lớn. Do quá trình phong hóa, đất chứa càng nhiều hạt sét thì
hoạt độ càng cao.
Phần lớn các nguyên tố phóng xạ trong đất phát sinh từ sự phân hủy các
chất hữu cơ. Tuy nhiên, không có mối quan hệ rõ ràng nào giữa hoạt độ phóng
xạ trong đất và hàm lượng hữu cơ của nó. Mặt khác, trong điều kiện thuận lợi,


17

thì nước chứa các chất khoáng hòa tan, gồm cả các đồng vò phóng xạ, cũng đóng
một vai trò quan trọng đối với sự lắng tụ của các đồng vò phóng xạ tự nhiên
trong đất. Các nguyên tố vô cơ hấp thụ trong hạt đất có khả năng tham gia vào
quá trình trao đổi giữa đất và thực vật, chẳng hạn qua rễ cây hút chất dinh dưỡng
từ đất, và từ đó các nguyên tố phóng xạ trong đất bắt vào chu trình vật chất của
vòng tuần hoàn sinh vật.
Một lượng phóng xạ đáng kể trong đất tích tụ từ các sản phẩm phân rã
của Radium, và một lượng ít hơn từ Uranium và Thorium. Qua phép đo trực tiếp

phóng xạ trong khí đất, người ta phát hiện ra rằng đất luôn luôn chứa một lượng
xác đònh các đồng vò phóng xạ ở thể khí hoặc ở dạng phát xạ như Radon,
Thoron, Actinon v.v. Bằng cách pha trộn với không khí, len lõi qua các lỗ thoát
và mao mạch của đất mà các xạ khí cùng sản phẩm phân rã của nó dần dần rời
khỏi đất và đi lên bề mặt khí quyển như là một kết quả của sự khuếch tán và
biến đổi cơ học giữa đất và không khí trong khí quyển.
Một số chất phóng xạ vẫn tiếp tục được đưa vào đất bằng nhiều con
đường khác nhau trong khi một số khác lại rời khỏi đất. Các chất phóng xạ trong
đất mất đi chủ yếu là do các quá trình :
+ Phân rã tự nhiên của các chất phóng xạ.
+ Thực vật hấp thu các nguyên tố phóng xạ.
+ Sự rửa trôi do nước.
+ Sự thoát hơi và phát xạ vào khí quyển.
Do vậy, hầu hết phóng xạ trong đất cát bò nhốt trong phân mảnh của các
khoáng chất nặng. Điều này giải thích tại sao hoạt độ phóng xạ trong đất sét cao
hơn trong các loại đất khác bởi vì chúng bền vững hơn và đất sét lại có khả năng


18

hấp thụ rất lớn đối với kali, uranium, thorium cùng các nguyên tố khác và chất
huyền phù dạng keo.
Ngoài ra còn có một lượng phóng xạ từ khí quyển đi vào đất bao gồm cả
bụi vũ trụ. Nhưng lượng tích tụ này không đáng kể so với tổng lượng phóng xạ
trong đất.
1.3.1.2 Một số đồng vò phóng xạ tự nhiên trong đất
Phần lớn phóng xạ trong tự nhiên thuộc ba họ phóng xạ khởi đầu từ các
nhân mẹ sống lâu như: 238U, 235U và 232Th.
Uranium là chất ít tan nhưng có khả năng tham gia tạo phức chất hòa tan,
hợp chất của uranium tan rất tốt trong axít sunfuaric (H2SO4). Trong tự nhiên

Uranium có ba đồng vò là

238

U,

235

U,

234

U với độ phổ cập tương ứng là 99,28%;

0,72% và 0,0057%, trong đó 235U là một nguồn nguyên liệu hạt nhân quan trọng
luôn đi kèm với 238U. Uranium phân tán rộng khắp trong tự nhiên, có nhiều trong
đá, hòa tan vào nước biển và hấp thụ vào đất cùng với các khoáng vật. Người ta
ước tính tổng hàm lượng Uranium ở lớp trên cùng của vỏ trái đất cỡ trên 1015
tấn, hàm lượng của Uranium trong nước biển cỡ 10-6 g/lít và hàm lượng trung
bình trong vỏ trái đất cỡ 4.10-4 %.
Thorium phân tán rộng trên vỏ trái đất, hàm lượng trong lớp trên cùng
khoảng 1,2.10-5%. Trong khi đó hàm lượng trung bình của chì khoảng 1,6.10-5%
nên độ giàu của Thorium tương đương với chì, do vậy nó không được xem là một
nguyên tố hiếm. Thorium có sáu đồng vò trong tự nhiên nhưng

232

Th phân tán

rộng hơn cả. Một gram Thorium phát ra 1,4.103 hạt alpha/giây. Tuy nó không tự

phân chia dưới tác động của neutron chậm nhưng nó có khả năng phân chia đồng
vò 233U , nó là một đồng vò đầy triển vọng đối với ngành công nghiệp nguyên tử.


19

Hàm lượng Thorium có xu hướng gia tăng dần trong các lớp bề mặt, đó là do các
khoáng chất chứa Thorium 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 bò phân hủy ở mức
độ rất lớn trong khi các khoáng chất Thorium phân hủy ở mức độ thấp hơn, vì
vậy mà Thorium ở các lớp bề mặt được làm giàu.
Kali là kim loại kiềm, có ba đồng vò, nhưng chỉ có 40K là có tính phóng xạ
với độ phổ cập 0,0117% và thời gian bán rã T1/2 = 1,28.109 năm. 40K và con cháu
của nó

40

Ar có mối liên hệ chặt chẽ với nhau khi chúng cùng tồn tại trong

khoáng vật, tỷ số 40Ar/40K bằng 1,4 là không đổi, đây là cơ sở của phương pháp
xác đònh niên đại đòa chất của đá. Trong lớp bề mặt của vỏ trái đất, kali có hàm
lượng cao trong đá magma, hàm lượng trong đất sét và đá phiến cỡ 6,5%. Hoạt
động của nước và cacbon dioxide làm cho kali trong đá ngầm dần dần bò hòa tan
và được các dòng nước mang ra biển, một phần khác lưu lại trong đất. Phần lớn
kali trong đất tồn tại dưới dạng muối tan có trong silicate và aluminosilicate. Các
muối này phân biệt thành hai loại là kali đã qua quá trình trao đổi chất giữa thực
vật với đất và kali không trao đổi chất.


20

Bảng 1.3: Các đồng vò phóng xạ chính trong môi trường đất

Nhân

Hoạt độ

Khối lượng nhân phóng

Hoạt độ được tìm thấy

xạ

trong đất

Uran

25 Bq/kg

2200 kg

31 GBq

Thori

40 Bq/kg

12000 kg

52 GBq

Kali 40

140 Bq/kg

12000 kg

500 GBq

Radi

400 Bq/kg

2000 kg

63 GBq

Radon

10 kBq/m3

11  g

7,4 GBq

(đất)
Tổng cộng

>653 GBq

1.3.2 Phóng xạ nhân tạo
Các đồng vò phóng xạ nhân tạo thường được tìm thấy trong đất là

137

Cs có từ

các vụ thử vũ khí hạt nhân và sự cố Chernobyl. Ngoài ra trong đất còn có

90

Sr

sinh ra do sự phân hạch của Uranium và Thorium sinh ra từ các vụ nổ hạt nhân.
Qua khảo sát trên các loại đất khác nhau, người ta thấy rằng Strontium và
Cesium từ nguồn nhân tạo có hàm lượng lớn gấp hàng triệu lần so với hàm lượng
của chúng có nguồn gốc tự nhiên, vì thế chúng đã góp phần đáng kể vào sự
nhiễm bẩn phóng xạ trong đất.


21

Chương 2
GIỚI THIỆU ĐẦU DÒ HPGe

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LOẠI ĐẦU DÒ ĐƯC SẢN XUẤT BỞI
HÃNG CANBERRA.
Trong nghiên cứu cơ bản lẫn vật lý ứng dụng hiện nay thường sử dụng rộng
rãi đầu dò germanium. Đây là loại đầu dò ghi nhận tia gamma có độ phân giải
cao, năng lượng của tia Gamma hoặc Bêta có thể được đo với độ phân giải đạt

đến 0,1%.
Các đầu dò Germanium có cấu tạo bên trong gồm các diốt bán dẫn có cấu
trúc P-I-N, trong đó vùng I là vùng nhạy với bức xạ iôn hóa đặc biệt là tia X và
tia Gamma. Dưới điện áp ngược vùng nghèo I được mở rộng, khi các photon
tương tác với môi trường vật chất bên trong vùng nghèo của đầu dò các electron
hoặc các lỗ trống được tạo ra và dưới tác dụng của điện trường chúng di chuyển
nhanh chóng về các cực P và N (phân cực). Động năng các hạt mang điện này tỉ
lệ với năng lượng của photon tới bò mất đi khi tương tác (thông qua các hiệu ứng
quang điện, Compton, tạo cặp) với vật chất trong đầu dò, tín hiệu được tạo ra là
sự ion hoá của các electron đươcï chuyển thành xung điện bởi bộ tiền khuếch đại
nhạy điện.
Tinh thể Ge (trong đầu dò) phải được làm lạnh để làm giảm sự sinh nhiệt của
các hạt mang điện, nếu không dòng rò sẽ gây ra tạp âm phá hủy độ phân giải
của đầu dò. Chất làm lạnh được sử dụng chủ yếu là nitơ lỏng với nhiệt độ làm
lạnh là 770K.


22

Các loại mô hình đầu dò.
Chúng ta có 7 loại mô hình đầu dò:
1.

Đầu dò Ge năng lượng siêu thấp (ultra-LEGe).

2.

Đầu dò Ge năng lượng thấp (LEGe).

3.

Đầu dò Ge đồng trục.

4.

Đầu dò Ge năng lượng rộng (BEGe).

5.

Đầu dò Ge phạm vi mở rộng (XtRa).

6.

Đầu dò Ge đồng trục đảo cực (REGe).

7.

Đầu dò Ge dạng giếng.
đây chúng ta quan tâm đến loại đầu dò đồng trục (loại thường và loại

đảo cực).

2.1.1 Đầu dò Ge đồng trục.
Về cơ bản đầu dò loại này là một khối trụ Ge với một lớp tiếp xúc loại n
trên bề mặt ngoài và một lớp tiếp xúc loại p trên bề mặt trong của giếng hình
trụ.
Tinh thể Ge có mức tạp chất khoảng1010 nguyên tử/cm3 sao cho với một điện
áp hợp lý thì vùng nghèo mở rộng tối đa về hai cực. Tầm năng lượng hữu ích của
đầu dò đồng trục vào khoảng từ 50KeV đến trên 10MeV