DSpace at VNU: Đánh giá bằng thực nghiệm ưu điểm của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi và một số ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------

BÙI THỊ HƢƠNG

ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM ƢU ĐIỂM CỦA
PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI
VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

1q – 50 - xb

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------

BÙI THỊ HƢƠNG

ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM ƢU ĐIỂM CỦA
PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI
VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân nguyên tử và năng lƣợng cao
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Bùi Văn Loát

Hà Nội – 2015


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................3
CHƢƠNG 1. PHÂN RÃ PHÓNG XẠ ....................................................................5
1.1. Hiện tƣợng phân rã phóng xạ ...........................................................................5
1.1.1. Định nghĩa và đặc điểm của hiện tượng phân rã phóng xạ ..............................5
1.1.2. Quy luật phân rã phóng xạ................................................................................5
1.2. Chuỗi phóng xạ liên tiếp. Hiện tƣợng cân bằng phóng xạ .............................7
1.2.1. Chuỗi phóng xạ liên tiếp ...................................................................................7
1.2.2. Hiện tượng cân bằng phóng xạ ....................... Error! Bookmark not defined.
1.3. Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên ......... Error! Bookmark not defined.
1.3.1. Dãy phóng xạ Urani ........................................ Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Dãy phóng xạ Thori ........................................ Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............. Error! Bookmark not
defined.
2.1. Phƣơng pháp chuẩn nội hiệu suất ghi ............ Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Phương pháp phổ gamma ............................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi . .......... Error! Bookmark not defined.
2.2. Hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra ............ Error! Bookmark not
defined.
2.2.1. Đầu dò bán dẫn BEGe, Model BE530 ............ Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Buồng chì: ....................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3. Khối tiền khuếch đại, model Canberra 2002C: ............ Error! Bookmark not
defined.
2.2.4. Khối khuếch đại phổ, model Canberra 2026: . Error! Bookmark not defined.

2.2.5. Khối cao thế, model Canberra 3106D: ........... Error! Bookmark not defined.
2.2.6. Khối phân tích đa kênh: .................................. Error! Bookmark not defined.
2.3. Phân tích phổ gamma ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.3.1. Mục đích phân tích phổ gamma ...................... Error! Bookmark not defined.
2.3.2. Phần mềm phân tích phổ gamma .................... Error! Bookmark not defined.

1


2.3.3. Đường cong hiệu suất ghi của detecto ............ Error! Bookmark not defined.
2.4. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác kết quả đo . Error! Bookmark not
defined.
2.4.1. Hiệu ứng thời gian chết ................................... Error! Bookmark not defined.
2.4.2. Hiệu chỉnh chồng chập xung ........................... Error! Bookmark not defined.
2.4.3. Hiệu ứng cộng đỉnh ......................................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ... Error! Bookmark not defined.
3.1. Xác định tỉ số hoạt độ của 208Tl / 228Ac trong nguồn TS5 .. Error! Bookmark
not defined.
3.1.1. Nguồn không bọc chì đặt song song với bề mặt detecto Error! Bookmark not
defined.
3.1.2. Nguồn bọc chì 1,5mm ...................................... Error! Bookmark not defined.
3.2. Xác định tỷ số hoạt độ của một số đồng vị trong dãy

238

U Error! Bookmark

not defined.
3.2.1. Đánh giá tính cân bằng phóng xạ trong dãy 238U......... Error! Bookmark not
defined.

3.2.2. Xác định tỉ số hoạt độ 235U và 238U ................. Error! Bookmark not defined.
3.3. Đánh giá sai số .................................................. Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN .............................................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................9

2


MỞ ĐẦU
Trong nhiều bài toán Vật lý hạt nhân liên quan tới tỉ số hoạt độ của hai đồng
vị trong mẫu đo. Trong [6] đưa ra công thức xác định độ giàu và tuổi của nhiên liệu
hạt nhân. Tuổi của nhiên liệu hạt nhân được xác định thông qua tỷ số hoạt độ
. Độ giàu đồng vị được xác định thông qua việc đo tỉ số hoạt độ
và

. Hiện nay độ giàu của nhiên liệu hạt nhân

cũng được xác định phổ biến theo phương pháp phổ gamma, trong đó phương pháp
xác định độ chảy theo tỉ lệ hoạt độ

cũng được ứng dụng. Trong

nghiên cứu tỉ số suất lượng đồng phân bằng phương pháp đo phổ gamma tỷ số suất
lượng cũng được xác định thông qua đo tỷ số hoạt độ.
Về nguyên tắc để xác định tỷ số hoạt độ cần xác định hoạt độ của từng đồng
vị một. Như đã biết, hoạt độ của đồng vị được xác định thông qua tốc độ đếm tại
đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng. Biết hiệu suất ghi tại đỉnh và
các hệ số hình học sẽ xác định được hoạt độ của đồng vị. Để nâng cao độ chính xác
[4] cần nâng cao hệ số tự hấp thụ trong mẫu, hiệu chỉnh sự hấp thụ của cửa sổ
detecto, hiệu chỉnh thời gian chết. Hiệu suất ghi được xác định dựa vào đường cong

hiệu suất ghi xây dựng được khi đo mẫu chuẩn có hình học giống như mẫu phân
tích. Nhưng với nhiều bài toán hình học mẫu đo hết sức khác nhau, việc tính toán
hình học đo cũng gặp nhiều khó khăn. Để khắc phục khó khăn trên trong [6] đưa ra
phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi.
Theo phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi tỷ số hoạt độ của hai đồng vị
được xác định dựa vào tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh của hai bức xạ
đặc trưng cho hai đồng vị quan tâm. Hai bức xạ được chọn có cùng năng lượng
hoặc năng lượng xấp xỉ nhau. Tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh
của một đồng vị được xác định trực tiếp thông qua việc đo phổ gamma của mẫu,.
Còn tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh

của đồng vị thứ hai thu

được từ đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi được xây dựng dựa vào các tỷ số
tại các năng lượng Eγ do đồng vị thứ hai gây ra.

3


Ưu điểm của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi là không cần mẫu chuẩn
và có thể áp dụng cho hình học đo bất kỳ. Mục tiêu của bản luận văn là kiểm tra
bằng thực nghiệm việc xác định tỷ số hoạt độ của hai đồng vị có trong mẫu không
cần mẫu chuẩn, không phụ thuộc vào hình học đo. Mục tiêu thứ hai là áp dụng
phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi để đánh giá trạng thái cân bằng của các đồng
vị phóng xạ trong dãy

238

U trong một nguồn, và tỷ số hoạt độ của

235

U và

238

U.

Ngoài phần mở đầu, kết luận. Luận văn được chia thành 3 chương
Chương 1. Tìm hiểu khái quát về phân rã phóng xạ, hiện tượng cân bằng
phóng xạ và một số đặc điểm của các dãy phóng xạ trong tự nhiên.
Chương 2. Trình bày các phương pháp thực nghiệm, phương pháp phổ
gamma, phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi, các hệ đo và hần mềm xử lý. Một số
phương pháp hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác kết quả đo.
Chương 3. Trình bày các kết quả thực nghiệm xác định tỷ số hoạt độ
trong mẫu TS5. Xác định tỷ số hoạt độ của
bằng thực nghiệm và tính toán lý thuyết.

4


CHƢƠNG 1. PHÂN RÃ PHÓNG XẠ
1.1. Hiện tƣợng phân rã phóng xạ
1.1.1. Định nghĩa và đặc điểm của hiện tượng phân rã phóng xạ
Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân không bền tự biến đổi thành hạt nhân của
nguyên tử khác kèm theo sự phóng ra các tia không nhìn thấy hoặc bắt electron biến
hoán nội. Khi hạt nhân ở trạng thái kích thích cao sẽ giải phóng năng lượng bằng
cách phát ra bức xạ gamma để trở về trạng thái kích thích thấp hơn hoặc trạng thái
cơ bản được gọi là dịch chuyển gamma. Bình thường hạt nhân tồn tại ở trạng thái có
năng lượng thấp nhất được gọi là trạng thái cơ bản. Trạng thái kích thích của hạt

nhân có thể được hình thành trong phản ứng hạt nhân, hoặc do hạt phân rã phóng xạ
tạo thành hạt nhân con ở trạng thái kích thích. Vì vậy không có nguồn gamma thuần
túy nào, mà bức xạ gamma thường đi kèm với phân rã phóng xạ, hoặc trong quá
trình phản ứng hạt nhân xảy ra.
Hiện tượng phân rã phóng xạ là hiện tượng ngẫu nhiên, ta không thể biết khi
nào hạt phân rã phóng xạ để tạo thành hạt nhân con mà chỉ biết xác suất phân rã của
nó. Khi nghiên cứu hiện tượng phân rã phóng xạ ta phải nghiên cứu trên tập hợp lớn
các hạt nhân phóng xạ cùng loại, khi đó mới tìm ra quy luật phân rã của hạt nhân
phóng xạ đang xét. Cũng giống như những hiện tượng ngẫu nhiên khác, để đặc
trưng cho khả năng phân rã phóng xạ ta đưa vào khái niệm hằng số phân rã phóng
xạ . Hằng số phân rã phóng xạ

là xác suất để một hạt nhân phân rã phóng xạ

trong một đơn vị thời gian. Đối với hạt nhân phóng xạ thì hằng số phóng xạ là một
trong các đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng phóng xạ của hạt nhân. Với một
đồng vị phóng xạ cho trước thì hằng số phân rã

không thay đổi khi các điều kiện

vật lý, hóa học thay đổi.
1.1.2. Quy luật phân rã phóng xạ
Xét một lượng đồng vị phóng xạ xác định, giả sử tại thời điểm ban đầu
số hạt nhân phóng xạ là

, do hiện tượng phóng xạ nên số hạt nhân phóng xạ sẽ

giảm dần theo thời gian

5

Giả sử tại thời điểm t số hạt nhân chưa phóng xạ là N, sau khoảng thời gian
dt hay ở thời điểm

, số hạt nhân chưa phóng xạ (số hạt nhân còn lại) là

. Lượng hạt nhân đã phân rã phóng xạ

phải tỉ lệ với khoảng thời gian

, tỉ lệ với số hạt nhân mẹ hiện có tại thời điểm và hằng số phân rã phóng xạ. Ta
có
hay
Hằng số phân rã phóng xạ

(1.1)

không đổi và đặc trưng cho mỗi đồng vị phóng

xạ cho trước. Từ phương trình (1.1) ta có
(1.2)
Lấy tích phân hai vế của phương trình (1.2) với điều kiện, ở thời điểm ban đầu
thì

ta thu được phương trình
(1.3)

Trong đó

là số hạt nhân mẹ chưa phân rã phóng xạ tại thời điểm . Biểu

thức (1.3) chính là quy luật phân rã phóng xạ mô tả sựu suy giảm số hạt nhân theo
thời gian.
Phương trình (1.3) thực chất là phương trình có tính chất thống kê, nó cho
biết số hạt nhân mẹ hi vọng còn tồn tại ở thời điểm . Tuy nhiên trong thực tế số hạt
là rất lớn nên quy luật được coi là xác định. Tức là số hạt nhân mẹ hi vọng còn
tồn tại và số hạt nhân mẹ còn tồn tại thực tế sai khác nhau không đáng kể [1,2,3]
Sử dụng định luật Avogadro ta có thể biểu diễn định luật phóng xạ cho khối
lượng của mẫu phóng xạ như sau
(1.4)
Phương trình (1.4) cũng có thể coi là phương trình của định luật phóng xạ.
Từ công thức (1.3) lấy logarit tự nhiên hai vế ta có
(1.5)
Chu kỳ bán rã T1/2 là khoảng thời gian để số hạt nhân giảm đi còn một nửa so
với số hạt nhân ban đầu. Từ công thức (1.3) ta có

6


Hoạt độ phóng xạ H là số phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian. Hoạt
độ phóng xạ được xác định theo công thức

Trong hệ đơn vị SI đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel (kí hiệu Bq) 1Bq=1
phân rã/giây
1.2. Chuỗi phóng xạ liên tiếp. Hiện tƣợng cân bằng phóng xạ
1.2.1. Chuỗi phóng xạ liên tiếp
1.2.1.1. Chuỗi hai hạt nhân phóng xạ liên tiếp
Giả sử đồng vị phóng xạ A (kí hiệu là hạt nhân 1) phân rãphóng xạ với hằng
số phóng xạ

tạo thành hạt nhân con là B (kí hiệu là hạt nhân 2). Đồng vị B lại

phân rã phóng xạ với hằng số phân rã là

tạo thành hạt nhân C

Áp dụng định luật phóng xạ (1.3) cho hạt nhân 1 và hạt nhân 2 ta được các phương
trình sau
(1.5a)
(1.5b)
Trong đó

là số hạt nhân 1 và số hạt nhân 2 tại thời điểm .

Chia cả hai vế của phương trình trên với

ta được

Nghiệm của phương trình (1.6) có dạng
(1.8)
Còn nghiệm của phương trình

có dạng

(1.7)

Trong đó N10 và N20 là số hạt nhân 1 và số hạt nhân 2 tại thời điểm t=0.

7

Nếu ban đầu trong mẫu không có hạt nhân 2 thì N20 = 0. Phương trình (1.9)
có dạng sau

a. Trường hợp ban đầu chỉ có hạt nhân mẹ và chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ rất nhỏ
so với chu kỳ bán rã của hạt nhân con.
Với thời gian đủ lớn so với chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ và thỏa mãn
hàm

nên phương trình (1.8) và

. Do

(1.10) có dạng sau
(1.11)

Sau một thời gian đủ lớn so với chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ nhưng đủ nhỏ so với
chu kỳ bán rã của hạt nhân con, hạt nhân mẹ đã phân rã hết trở thành hạt nhân con.
Trong khi đó hạt nhân con phân rã rất ít, và gần đúng coi số hạt nhân con chưa phân
rã xấp xỉ bằng N10
b. Trường hợp chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ rất lớn so với chu kỳ bán rã của hạt
nhân con.
Xét trường hợp đơn giản ban đầu chỉ có hạt nhân mẹ không có hạt nhân con,
N20=0. Do

Với

biến đổi phương trình (1.9) ta có

sao cho

, biểu thức (1.13) có dạng

Chia cả hai vế cho N1(t) ta có công thức

Nhân cả hai vế của phương trình (1.14) với
độ như sau

8

khi đó ta có thể viết dưới dạng hoạt


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
[1]: Nguyễn Văn Đỗ, 2005 “Phương pháp phân tích hạt nhân”, Nhà xuất bản
ĐHQG Hà Nội
[2]: Ngô Quang Huy, 2006“Cở sở Vật lý hạt nhân”, Nhà xuất bản khoa học kỹ
thuật Hà Nội.
[3]: Bùi Văn Loát, 2009“Địa vật lý hạt nhân”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật
Hà Nội
[4]: Đặng Huy Uyên, 2006 “Vật lý hạt nhân đại cương”, Nhà xuất bản Đại học
Quốc Gia Hà Nội.
Tài liệu tiếng Anh
[1]: Cong Tam Nguyen,(2005)103“Age-dating of highly enriched

uranium by

gamma-spectrometry”, Nucl.Instr . And Meth. B229.

[2]: Huda Abduirahman Al-Sulaiti, 2011. Determination of Natural Radioactivity
Levels in the State of Using High- Resolution Gamma- Ray Spectrometry. A thesis
of Dortor of Phylosophy- University of Surey, UK.
[3]: K.N. Mukhin,1987 “Experimental Nuclear Physis”, Vol I. Mir Publisher
Mosscow

9