Luận văn tốt nghiệp đại học: Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss – Soil bằng hệ phổ kế Gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của Iaea

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

-------------------------

NGUYỄN THUỲ DUNG

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ
PHÓNG XẠ TRONG MẪU MOSS – SOIL
BẰNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP
CHO BÀI TOÁN SO SÁNH
QUỐC TẾ CỦA IAEA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

---------------------------------------TP.HỒ CHÍ MINH – 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

-------------------------

NGUYỄN THUỲ DUNG

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ
PHÓNG XẠ TRONG MẪU MOSS – SOIL
BẰNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP
CHO BÀI TOÁN SO SÁNH

QUỐC TẾ CỦA IAEA
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ

Giảng viên hướng dẫn: ThS. HOÀNG ĐỨC TÂM

---------------------------------------TP.HỒ CHÍ MINH – 2011


LỜI CẢM ƠN
B
0

Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh em
đã được sự hướng dẫn, giảng dạy, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, đặc biệt là trong thời
gian em thực hiện khoá luận tốt nghiệp đại học.
Để hoàn thành được luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy
Hoàng Đức Tâm – người đã theo dõi trong suốt quá trình làm luận văn của em. Thầy là
người đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn em nhữngkiến thức bổ ích và rất quí báu để giúp em
hoàn thành khóa luận này.
Thầy luôn giúp đỡ và động viên em rất nhiều trong thời gian qua. Thầy đã chỉ dẫn em
nhiệt tình những phần mềm, những chương trình mới, bên cạnh đó Thầy còn hướng dẫn rất
chi tiết về luận văn, luôn hỗ trợ và giúp em giải quyết những khó khăn gặp phải trong thực
nghiệm và quá trình hoàn thiện luận văn này. Qua quá trình được làm việc với Thầy em đã
học hỏi được rất nhiều điều mới mẻ, rất nhiều kinh nghiệm quí giá trong quá trình nghiên
cứu, giảng dạy và trong cuộc sống. Em xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến Thầy.
Em xin gửi lời biết ơn đến gia đình đã ủng hộ, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em có
thể thực hiện được khoá luận tốt nghiệp.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các bạn ở tập thể Lớp Lý 5 Ninh Thuận - Đồng Nai đã
quan tâm, chia sẻ, giúp đỡ em trong suốt thời gian học đại học cũng như quá trình thực hiện

luận văn này.
Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn đến quí Thầy cô trong hội đồng đọc, nhận xét, đánh
giá và đóng góp những ý kiến rất quí báu cho khoá luận của em.
Nguyễn Thuỳ Dung


MỤC LỤC
B
1

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................ 3
T
3

T
3

MỤC LỤC ................................................................................................................. 4
T
3

T
3

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 6
T
3

T
3

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN .............................. 8
T
3

T
3

1.1 Vài nét về hiện tượng phóng xạ .................................................................................8
T
3

T
3

1.1.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên ...............................................................................9
T
3

T
3

1.1.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo ............................................................................ 15
T
3

T
3

1.2 Tình hình nghiên cứu phông phóng xạ tự nhiên .................................................... 17

T
3

T
3

1.2.1 Thế giới ............................................................................................................. 18
T
3

T
3

1.2.2 Việt Nam ........................................................................................................... 19
T
3

T
3

1.2.3. Những ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên đối với con người và môi
trường ......................................................................................................................... 20
T
3

T
3

1.2.4 Độ trung bình phóng xạ có trong người .............................................................. 22
T

3

T
3

1.3 Tương tác của tia gamma với vật chất. Hệ phổ kế gamma phông thấp ................ 23
T
3

T
3

1.3.1 Các tương tác của bức xạ gamma với vật chất .................................................... 23
T
3

T
3

1.3.2 Detector bán dẫn Germanium ............................................................................. 31
T
3

T
3

1.4 Nhận xét ................................................................................................................... 49
T
3

T
3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM ................................................................. 50
T
3

T
3

2.1 Các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường ............................ 50
T
3

T
3

2.1.1 Phương pháp tương đối ...................................................................................... 52
T
3

T
3

2.1.2 Phương pháp tuyệt đối ....................................................................................... 53
T
3

T
3

2.2 Phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất ghi của detector đối với mẫu dạng
hình trụ .......................................................................................................................... 54
T
3

T
3

2.3 Thực nghiệm ............................................................................................................ 55
T
3

T
3

2.3.1 Chuẩn bị mẫu chuẩn ........................................................................................... 55
T
3

T
3

2.3.2 Chuẩn bị mẫu đo ................................................................................................ 56
T
3

T
3

2.4 Phương pháp đo ....................................................................................................... 57
T
3

T
3

2.4.1 Cách đo .............................................................................................................. 57
T
3

T
3

2.4.2 Hệ phổ kế gamma .............................................................................................. 57
T
3

T
3

2.5 Xử lí phổ ................................................................................................................... 58
T
3

T
3

2.6 Nhận xét ................................................................................................................... 62
T

3

T
3


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 63
T
3

T
3

3.1 Hiệu suất ghi nhận của detector đối với mẫu khối dạng hình trụ ......................... 63
T
3

T
3

3.2 Hoạt độ và hoạt độ riêng của mẫu Moss-soil .......................................................... 66
T
3

T
3

3.3 Nhận xét ................................................................................................................... 68
T
3

T
3

KẾT LUẬN.............................................................................................................. 70
T
3

T
3

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 72
T
3

T
3


MỞ ĐẦU
B
2

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành
vật lí hạt nhân nói riêng đã thải vào môi trường sống của chúng ta một lượng chất phóng xạ
đáng kể. Các nhân phóng xạ phân bố không đều giữa nơi này và nơi khác vì hàm lượng
phóng xạ trong môi trường phụ thuộc vào vị trí địa lí, kiến tạo địa chất, nơi con người sống
và làm việc,…[1]. Môi trường đang chịu tác động ngày càng lớn từ những hoạt động của
con người như: quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, thăm dò, khai thác tài
nguyên…Song song đó khoa học công nghệ đặc biệt là kỹ thuật hạt nhân ngày càng phát

triển và hiện đại. Và vấn đề về phóng xạ môi trường cũng là mối quan tâm hàng đầu.
Nghiên cứu phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc đo hoạt độ của các mẫu môi trường: đất,
nước, bụi khí, … Ngày nay, hệ phổ kế gamma phông thấp được sử dụng rộng rãi và phổ
biến trong việc xác định hoạt độ của các nguyên tố quan tâm trong các mẫu môi trường [1].
Luận văn được hình thành trên cơ sở: tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ
phổ kế gamma phông thấp tại phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân trường Đại học Sư phạm
TpHCM [1]. Hệ phổ kế gamma phông thấp có khả năng ghi nhận trực tiếp các tia gamma do
các đồng vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách chiết các nhân phóng xạ khỏi
chất nền của mẫu, giúp chúng ta thu được một cách định tính và định lượng các nhân phóng
xạ trong mẫu [9]. Nhờ những kết quả phân tích trong nghiên cứu môi trường này, chúng ta
có thể đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các chất phóng xạ có trong môi trường đối với
cuộc sống con người.
Xuất phát từ ý tưởng tìm hiểu cách vận hành hệ đo gamma phông thấp và xác định
hoạt độ của các mẫu môi trường có hoạt độ thấp dựa trên việc sử dụng hệ phổ kế, tác giả
của luận văn đã lựa chọn đề tài :“Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss – soil
bằng hệ phổ kế gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của IAEA”. Đối tượng của luận văn

là mẫu Moss-soil (mẫu rong rêu) do cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) cung
cấp nằm trong chương trình so sánh chéo giữa các phòng thí nghiệm trên thế giới (300
phòng thí nghiệm) để xác định hoạt độ của các đồng vị có trong mẫu Moss-soil và so sánh
với kết quả của IAEA.
Nội dung được trình bày trong luận văn gồm 3 chương:


Chương 1: Trình bày cơ sở lí thuyết về bức xạ hạt nhân và tìm hiểu về hệ phổ kế

gamma phông thấp.




Chương 2: Trình bày phương pháp thực nghiệm trên hệ phổ kế gamma phông thấp

và phương pháp xác định hoạt độ của mẫu Moss-soil.


Chương 3:Kết quả và thảo luận.


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN
B
3

Môi trường xung quanh chúng ta luôn tồn tại các hạt nhân phóng xạ. Các hạt nhân này
có thể được tạo ra do tia vũ trụ tương tác với các hạt nhân khác trong bầu khí quyển xung
quanh Trái Đất, do sự tiến bộ của khoa học trong lĩnh vực hạt nhân, hay có nguồn gốc từ
thời kì ban đầu hình thành nên vũ trụ. Thông thường, các chất phóng xạ này thường có hoạt
độ thấp. Tuy nhiên, do sự tồn tại khắp mọi nơi của chúng trong cả mẫu đo, ngay bên trong
và xung quanh detector nên cũng ảnh hưởng đáng kể đến các phép đo mẫu môi trường có
hoạt độ thấp. Việc hiểu rõ đặc điểm của một số hạt nhân và các chuỗi phóng xạ tự nhiên phổ
biến đặc biệt là các chuỗi Thorium, Uranium, và Actinium sẽ giúp ích rất nhiều trong việc
đo đạc mẫu môi trường. Bên cạnh đó, việc nắm vững về lý thuyết tương tác của tia gamma
do các hạt nhân phóng xạ phát ra với vật chất sẽ giúp chúng ta có những hiệu chỉnh cần thiết
khi xác định diện tích của những đỉnh gamma mà chúng ta quan tâm. Chương này trình bày
sơ lược một số hạt nhân phóng xạ phổ biến trong tự nhiên và sự tương tác gamma với vật
chất.

1.1 Vài nét về hiện tượng phóng xạ
B
8

Phóng xạ là một hiện tượng tự nhiên xuất hiện từ thuở khai thiên lập địa, nhưng chưa
được biết đến cho đến năm 1896, khi Henri Becquerel tình cờ phát hiện các bức xạ từ muối
của Uranium. Sau đó, năm 1889 Pierre và Marie Curie tìm ra hai chất phóng xạ mới là
Polonium và Radium. Năm 1934, Frederic Jiolot và Iren Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ
nhân tạo của phospho và nitrogen. Phát minh này đã mở ra kỉ nguyên của phóng xạ nhân
tạo. Theo định nghĩa, 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 vị khác của nó .[7]
Các công trình nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng phóng xạ đã xác nhận sản phẩm
phân rã của hạt nhân gồm:


+ Tia alpha: là chùm các hạt tích điện dương, bị lệch trong điện trường và từ trường, dễ bị
các lớp vật chất mỏng hấp thụ. Về bản chất, tia alpha là chùm các hạt nhân của nguyên tử
Helium.
+ Tia beta: cũng bị lệch trong điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu hơn tia
alpha. Về bản chất, tia beta là các electron (β-) và các positron(β+).
P

P

P

P

+ Tia gamma: không chịu tác dụng của điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu
vật chất. Về bản chất, tia gamma là các photon có năng lượng cao [7].



Nguồn gốc phóng xạ
Từ các tro bụi của vụ nổ các ngôi sao, khoảng 4,5 tỉ năm trước đây đã hình thành hệ

Mặt trời. Trong các đám tro bụi đó có một lượng lớn các nguyên tố phóng xạ. Theo thời
gian đa số các nguyên tố phóng xạ này phân rã và trở thành các đồng vị bền, chúng là thành
phần chính của hệ thống hành tinh chúng ta ngày nay. Tuy nhiên, trong vỏ Trái đất vẫn còn
những nguyên tố phóng xạ, đó là những nguyên tố có thời gian bán rã có tuổi của Trái đất
hoặc lớn hơn. Các đồng vị phóng xạ này cùng một sản phẩm của chúng là nguồn gốc chính
của bức xạ ion hóa tự nhiên tác dụng lên mọi vật trên Trái đất. Phóng xạ có ở khắp mọi nơi:
trong đất, nước, không khí, thực phẩm, vật liệu xây dựng, kể cả con người. Do đó, việc tìm
hiểu áp dụng và phát triển các kĩ thuật đo lường bức xạ ngày càng nhiều với qui mô rộng
lớn trong các lĩnh vực như quân sự, công nghiệp, nông nghiệp, y học, sinh học,... Nguồn
phóng xạ được chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo[2].
Nguồn phóng xạ tự nhiên (thường gọi là phông phóng xạ tự nhiên) là các chất đồng vị
phóng xạ có mặt trên Trái đất, trong nước hay bầu khí quyển. Nguồn phóng xạ nhân tạo là
do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc.
1.1.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên
B
1
2

Các nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy
– có từ khi tạo thành Trái đất và vũ trụ và nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ
trụ - được tia vũ trụ tạo ra [7].
1.1.1.1 Nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy
B
5
3

Phông phóng xạ trên Trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và sau 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 4 họ


phóng xạ cơ bản: Họ Thorium

232
P

Th (4n); họ Uranium
P

238
P

U (4n+2); Họ Actinium
P

235
P

U
P

(4n+3) và họ phóng xạ nhân tạo Neptunium 241Pu (4n+1).
P

P

Các đặc điểm của 4 họ phóng xạ tự nhiên:
+ Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu với thời gian bán rã được đo theo các
đơn vị địa chất.
+ Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau
của nguyên tố Radon. Ví dụ trong họ Uranium là
220
P

Rn 86 (Thoron); trong họ Actinium là
P

R

R

219
P

222
P

Ra(Radon); trong họ Thorium là
P

Rn 86 (Actinon). Trong họ phóng xạ nhân tạo
P

R

R

Neptunium không có thành viên khí phóng xạ.
+ Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ tự nhiên đều là chì: 206 Pb trong họ Uranium,
P

207
P

P

Pb trong họ Actinium và

208
P

P

P

Pb trong họ Thorium. Trong họ phóng xạ nhân tạo

Neptunium, thành viên cuối cùng là 209 Bi [7].
P

Họ Thorium (4n)

P

Họ Uranium (4n +2)

Họ Actinium (4n + 3)

Họ Neptunium (4n +1)

Hình 1.1.Các họ phóng xạ [2]
Ngoài các đồng vị phóng xạ trong bốn họ Thorium, Uranium, Neptunium, Actinium,
trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp, một trong số đó là
Kali [2].
Kali là kim loại kiềm có 3 đồng vị ở dạng tự nhiên, nhưng chỉ có 40K là có tính phóng
P

P

xạ với độ phổ cập 0,0117% và thời gian bán rã T 1/2 = 1,28.109 năm, phát ra tia gamma có
R

R

P

P

năng lượng 1,46 MeV. Trong lớp bề mặt của vỏ Trái đất, Kali có hàm lượng cao trong
magma, hàm lượng trong đất sét và đá phiến cỡ 6,5%. Kali có chủ yếu trong sinh vật vì
vậyviệc phát xạ 40K là tất yếu nhưng có sự biến thiên về độ tuổi trong vạch phổ với những
P

P

thay đổi tương ứng trong nồng độ Kali. Sự có mặt của 40K trong đá và đất tạo ra nguồn phát
P

P

xạ ngoài.40K có hàm lượng trung bình trong đất đá là 27 g/kg và trong đại dương ~ 380
P

P

mg/lít. 40K phân rã thành đồng vị ổn định 40Ca (88,8%) bằng bức xạ beta, cũng như phân rã
P

P

thành đồng vị

P

40
P

P

Ar (11,2%) bằng cách bắt điện tử hoặc bằng bức xạ positron kết hợp với
P

việc phát ra bức xạ gamma 1,461 MeV [2].

Hình 1.2.40K phân rã β+ và bắt electron tạo 40Ar và phân rã β- tạo 40Ca [8]
P

P

P

P

P

P

Một đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là

P

14
P

P

P

P

C với chu kỳ bán rã 5600 năm.
P

C là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân 14N. Trước khi xuất

14
P

P

P

hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của

14
P

P

C trong khí quyển khoảng 1,5.1011 MBq
P

P

P

(4MCi), trong thực vật khoảng 4,8.1011 MBq (13MCi), trong đại dương khoảng 9.1012 MBq
P

P

P

P

(240 MCi). Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng 14C. Cho đến năm
P

P

1960, tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.1011 MBq
P

P

(3MCi). Cacbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí CO 2 đi vào cơ thể động vật
R

R

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 [7].
P

P

Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên quan trọng nhất được dẫn ra trong bảng dưới
đây:
Bảng 1.1. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên phổ biến trong vỏ Trái Đất [2]
Đồng vị
phóng xạ
235
P

U
P

Chu kỳ bán rã

Hàm lượng / Hoạt độ tự nhiên

7,04.108 năm

0,72% của tổng số Uran tự nhiên

P

P

99,2745% của tổng số Uran tự
238
P

U
P

4,47.109 năm
P

P

nhiên, 0,5 – 4,7 ppm Uran trong
đất đá. (ppm = g/kg)

232
P

Th
P

226
P

Ra
P

1,41.1010 năm
P

P

1,6.103 năm
P

P

1,6 – 20 ppm trong tất cả các loại
đá
16 Bq/kg trong các loại đá vôi, 48
Bq/kg trong đá nham thạch.


Nồng độ trung bình hàng năm tại

222

Rn

P

Mỹ từ 0,6 – 28 Bq/cm3 trong

3,82 ngày

P

P

P

không khí
1,2504.1010 năm

40

K

P

P

P

37 – 1000 Bq/kg trong đất

P

Trong cơ thể con người có gần 3.10-3 g Kali phóng xạ và 6.10-9 g Radi. Do sự hiện
P

P

P

P

diện của các đồng vị phóng xạ này, trong cơ thể mỗi giây xảy ra 6000 phân hủy beta và
220000 phân hủy anpha. Ngoài ra, do hậu quả tác dụng của các tia vũ trụ, trong cơ thể con
người xuất hiện các thành phần phóng xạ nhân tạo khác. Nhờ các nguyên tố phóng xạ
Cacbon 14C, mà trong cơ thể con người mỗi giây xảy ra thêm 2500 phân hủy beta/giây. Nhìn
P

P

chung trong cơ thể con người mỗi giây xảy ra 10000 phản ứng phân hủy. Khi mà không khí
xung quanh ta, nước, đất đá đều là những chất phóng xạ, cơ thể con người – một bộ máy
phóng xạ, cũng tham gia vào một tiến trình chung tạo nên “quỹ” phóng xạ của tự nhiên.
1.1.1.2 Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ
B
6
3

Các bức xạ đến từ vũ trụ, chủ yếu là từ ngoài hệ Mặt trời của chúng ta, có thể là chùm
hạt photon năng lượng cao, hạt muon, hay chùm hạt nặng mang điện [7]. Các bức xạ này

tương tác với các hạt nhân nitơ và oxi trong tầng cao khí quyển và tạo ra các hạt nhân phóng
xạ như 14C, 3T, 7Be,….với tốc độ không đổi. Các hạt nhân phóng xạ này theo nước mưa đến
P

P

P

P

P

P

bề mặt của Trái đất. Mặc dù mật độ các hạt nhân phóng xạ này nhỏ nhưng xét đến toàn cầu
thì lượng hạt nhân phóng xạ này không nhỏ. Chúng có chu kì bán rã dài nhưng phần lớn đều
nhỏ hơn chu kì của các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy. Trong số các hạt nhân phóng xạ do
bức xạ vũ trụ tạo ra, ba hạt nhân phổ biến nhất là 3T, 14C, và 7Be.
P

P

P

P

P

P

 Tritium (3T)
P

P

Tritium có trên Trái đất một ít là do từ Mặt trời, phần lớn là do các phản ứng hạt nhân,
ví dụ như phản ứng giữa neutron nhanh với 14N.
P

n + 14N 12C + 3T
P

P

P

P

P

P

(1.1)

P

Phản ứng này tạo ra khoảng 2500 nguyên tử Tritium trong mỗi giây, trên mỗi mét
vuông bề mặt Trái đất. Tritium phóng xạ β-, có chu kì bán rã là 12,33 năm và phần lớn thời
P

P

gian tồn tại của nó ở trong nước, tham gia vào chu trình Hidro toàn cầu.


Cacbon – 14 (14C)
P

P


C là hạt nhân phóng xạ β- mềm (E max = 158 keV) có chu kì bán rã 5715 năm.

14
P

P

P

P

R

R

14
P

C

P

được tạo ra trong bầu khí quyển bởi rất nhiều phản ứng hạt nhân khác nhau, trong đó phản
ứng quan trọng nhất là giữa neutron chậm và 14N.
P

n + 14N 14C + 1H
P

P

P

P

P

P

(1.2)

P

Phản ứng này tạo ra khoảng 22000 nguyên tử

14
P

C trong mỗi giây trên mỗi mét vuông bề
P

mặt của Trái đất. Nếu kể đến sự đóng góp từ các vụ thử hạt nhân, các nhà máy điện hạt
nhân, và sự đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thì hoạt độ riêng trung bình toàn cầu hiện tại của
C là 13,56 ± 0,07 dpm/gC. 14C được dùng trong các phương pháp để xác định niên đại.

14
P

P

P

P

 Beryllium-7 (7Be)
P

P

Beryllium-7 được tạo ra khi bức xạ vũ trụ tương tác với các hạt nhân nitơ và ôxi khí quyển.
Nó có chu kì bán rã là 53,28 ngày.Bảng 1.2 đưa ra hoạt độ trung bình của các hạt nhân có
nguồn gốc từ bức xạ vũ trụ. Ta có thể nhận thấy rằng hoạt độ của các nhân phóng xạ này
tương đối nhỏ và nhìn chung là gần như ít ảnh hưởng đến phông nền phóng xạ môi trường.
Bảng 1.2.Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ [7]
Đồng vị
phóng xạ
14

C

P

P

Chu kỳ bán rã
5730 năm

Nguồn gốc

Hoạt độ tự nhiên

Các tương tác vũ

220 Bq/kg trong

trụ14N(n,p)14C

vật liệu hữu cơ

P

P

P

P

Các tương tác vũ
3
P

H
P

12,3 năm

trụ N và O 6Li(n,
P

P

1,2.10-3 Bq/kg
P

P

α)3H
P

7
P

Be
P

53,28 ngày

P

Các tương tác vũ

trụ với N và O

0,01 Bq/kg

 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 [7].
Bức xạ vũ trụ sơ cấp được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kì cao (lên đến 108
P

eV), đa phần là proton cùng với một số hạt khác nặng hơn. Phần lớn các tia vũ trụ sơ cấp
P


đến từ bên ngoài hệ Mặt trời của chúng ta và chúng cũng được tìm thấy trong không gian vũ
trụ. Một số ít bắt nguồn từ Mặt trời do quá trình của Mặt trời [7].
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 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 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 gấp đôi nếu độ cao tăng 2000m.
Lượng bức xạ vũ trụ trên mặt biển chỉ giảm 10% từ vùng cực tới xích đạo nhưng tại độ
cao khoảng 20000m thì mức giảm này là 75%. Rõ ràng là có sự ảnh hưởng của địa từ
trường của Trái đất và từ trường của Mặt trời lên các bức xạ vũ trụ sơ cấp [7].
1.1.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo

B
2

Trong quá trình sử dụng phóng xạ trong hơn 100 năm trở lại đây, loài người đã đưa
vào tự nhiên những hạt nhân phóng xạ mới, đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên [7]. Các
nguồn phát phóng xạ nhân tạo có thể kể đến như là các nhà máy điện hạt nhân, các vụ thử
vũ khí hạt nhân, các khu chứa chất thải phóng xạ, chất thải rắn,…[2].Những hạt nhân phóng
xạ này ngày càng tăng trong những lần thử vũ khí hạt nhân và trong những sự cố hạt nhân.
Tuy nhiên, chúng có chu kì bán rã ngắn hơn nhiều so với các hạt nhân phóng xạ nguyên
thủy nên hoạt độ của chúng đã giảm đáng kể từ khi ngừng thử vũ khí hạt nhân trên Trái đất
[7].
Nếu kể đến đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên thì các hạt nhân phóng xạ nhân tạo
đóng góp ít hơn cả, kế đến là các hạt nhân phóng xạ tự nhiên [8].Năm 1934, Irene và
Frederic Joliot Curie tạo ra và cô lập được nguyên tố phóng xạ đầu tiên, đó là P30 có được
P

bằng cách bắn tia α vào một lá nhôm [8].
α + 13 Al27  15 P31  15 P30 + 0 n1
R

30
30
15 P  14 Si

R

R

P

P

R

R

P

P

+e+
P

P

(1.4)

R

P

P

R

R

P

P

R

R

P

P

R

R

P

(1.3)
P

P


1.1.2.1 Vũ khí hạt nhân
B
7
3

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

235

P

U và 239Pu. Dấu hiệu
P

P

P

của phản ứng nhiệt hạch là Triti đi kèm các phản ứng phân hạch thứ cấp khi neutron nhanh
tương tác với

238
P

U ở lớp vỏ bọc ngoài.Các đồng vị phóng xạ khác cũng được tạo ra do kết
P

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 14N (n,p) 14C làm cho
P

P

P

P

P

P

hàm lượng 14C trong khí quyển tăng gấp đôi vào giữa những năm 1960 [7].
P

P

Từ khí quyển, các đồng vị phóng xạ sẽ lắng đọng trên địa 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
vị phóng xạ nằm trên bề mặt Trái đất thì 3H và
P

P

14
P

C đi vào các chu trình khí quyển, thủy
P

quyển và sinh quyển toàn cầu.
Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào khí quyển qua các thử vũ khí hạt nhân là 3,017 Sv/
người với 70% là C14, các đồng vị khác như Cs137, Sr90, Zr95 và Ru106 chiếm phần còn lại
P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

[7].
1.1.2.2 Điện hạt nhân
B
8
3

Chương trình hạt nhân 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 vị 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 [7].
1.1.2.3 Tai nạn hạt nhân
B
9
3

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 vị 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 vị phóng xạ nhân tạo [8].


Bảng 1.3.Liệt kê một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến nhất trong tự nhiên và nguồn
gốc tạo ra chúng
Hạt nhân

Chu kì bán rã

Nguồn tạo ra

3

12,3y

Được tạo ra từ các vụ thử nghiệm và chế tạo

P

H
P

vũ khí hạt nhân và từ các lò phản ứng phân
hạch.
121

I

P

P

Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí

8,04d

hạt nhân, lò phản ứng phân hạch và từ việc
điều trị bệnh tuyến giáp.
129

I

P

P

1,57.107y
P

P

Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí
hạt nhân, lò phản ứng phân hạch.

90

P

Sr

P

Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí

28,78y

hạt nhân, lò phản ứng phân hạch.
99
P

Tc
P

2,11.105y
P

P

Sản phẩm của 99Mo được sử dụng trong
P

P

chuẩn đoán bệnh.
239
P

Pu
P

2,41.104y
P

P

Được tạo ra khi neutron bắn phá 238U.
P

P

1.2 Tình hình nghiên cứu phông phóng xạ tự nhiên
B
9

Khảo sát phông phóng xạ tự nhiên là một trong những hướng nghiên cứu môi trường
nói chung. Việc nghiên cứu này là một yêu cầu bắt buộc của các nước đã, đang và sẽ phát
triển năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình. Cơ Quan Năng Lượng Nguyên Tử Quốc
Tế - IAEA đã lập những dự án hỗ trợ kĩ thuật khi tiến hành việc khảo sát nền phông phóng
xạ môi trường cho các nước thành viên, trong đó có Việt Nam. Các nghiên cứu đo đạc
phóng xạ môi trường đầu tiên đã được tiến hành vào những năm đầu của thế kỉ 20. Năm
1900, Geitel H.., người Đức và R Wilson C.T., đã khảo sát phóng xạ trong không khí và xác
định được Radon. Họ cũng đã phát hiện ra bức xạ vũ trụ và được xác nhận lại vào năm
1910, bằng việc đo phóng xạ trên tháp Eiffel và khinh khí cầu. Vào năm 1902, Wilson đã
nhận ra các sản phẩm phân rã của Radon trong khí quyển bị rửa trôi theo nước mưa. Trong
thập kỉ đầu thế kỉ 20, nhiều nhà nghiên cứu khác nhau đã xác định được các chất phóng xạ
trong đất, đá, nước biển và nước ngọt từ mỏ nước khoáng và suối nước nóng. Sau năm

1945, việc đo rơi lắng phóng xạ toàn cầu, từ các vụ thử hạt nhân trong khí quyển đã được
thực hiện bởi nhiều quốc gia. [10]
Quá trình nhiễm bẩn toàn cầu của môi trường bắt đầu từ ngày 16 tháng 07 năm 1945
sau vụ nổ nguyên tử tại Alamosgordo sa mạc New Mexico. Các vụ thử hạt nhân trong khí
quyển tăng mạnh sau chiến tranh thế giới thứ hai, cả về số lượng lẫn công suất bởi Mỹ và
Liên Xô. Các chương trình cảnh báo môi trường được thiết lập trong nhiều quốc gia, để đảm
bảo về an toàn phóng xạ cho dân chúng. Ví dụ, sau tai nạn Chernobyl tháng 4 năm 1986,
các cuộc kiểm tra thực tế đã được tiến hành trên 15 năm qua dưới sự tài trợ của IAEA, viện
nghiên cứu phóng xạ Thụy Điển và các tổ chức khác.[10]
Việc khảo sát các nhân phóng xạ trong tự nhiên, bao hàm cả chuỗi thực phẩm nhằm:
nhận biết các nguyên tố phóng xạ đóng góp chính vào liều chiếu tới con người, xác định cơ
chế dịch chuyển để có thể đánh giá tình trạng hiện tại, quá khứ và tương lai, xác định tần
suất các hoạt động cảnh báo ngắn và dài hạn.
Nhiều quốc gia và các vùng lãnh thổ trên thế giới đã tiến hành khảo sát phông phóng
xạ tự nhiên và đã thành lập bản đồ phông phóng xạ tự nhiên ở phạm vi quốc gia, trong đó
có: Ấn Độ (1986), Liên Xô cũ(1987), Mỹ(1988), Nhật(2005).[10]
Hầu hết các quốc gia trên thế giới đều có các chương trình kiểm soát phóng xạ tự
nhiên và các trạm quan trắc phóng xạ nhân tạo, để kiểm soát hiện trạng phóng xạ theo thời
gian.[10]
1.2.1 Thế giới
B
3
2

Phông phóng xạ tự nhiên phụ thuộc vào hàm lượng chất phóng xạ chứa trong đất,
nước của từng vùng. Do vậy, việc tồn tại các vùng có phông phóng xạ cao hoặc thấp khác
nhau là lẽ đương nhiên [2].
Các nghiên cứu gần đây đã cho thấy, có khoảng 5% dân số trên thế giới sống ở các

khu vực có phông phóng xạ tự nhiên cao. Mức phông phóng xạ cao chủ yếu do nồng độ các
chất khoáng có các nguyên tố đất hiếm rất khó hòa tan có trong các bãi cát ven biển cùng
với khoáng chất ilnemit, cát có màu đen đặc trưng. Các đồng vị phóng xạ chính có trong
monazit là các đồng vị có trong dãy Thorium và đôi khi cũng có cả Uranium và con cháu
của nó như 226Ra [2].
P

P

Ở Phần Lan, phông phóng xạ tự nhiên rất cao, gần 8 mSv/năm, kế đến là Pháp và Tây
Ban Nha với gần 5 mSv/năm.Có những vùng dân chúng sống trong một môi trường tự nhiên


bức xạ rất cao như ở: Ramsar (Iran), Kerala ( Ấn Độ), Guarpapi (Braxin) và Yangjang
(Trung Quốc). Một số ngôi nhà ở Ramsar, người dân nhận liều bức xạ vào cỡ 132 mSv/
năm, cao hơn trung bình thế giới khoảng 50-70 lần.Tuy nhiên, môi trường phóng xạ trong
lành nhất là hai nước Anh và Australia với phông phóng xạ (hay liều hiệu dụng trung bình)
khoảng 1,6 mSv/năm [2].
Nguồn từ tổ chức nghiên cứu sức khỏe thuộc Kyoto – Nhật Bản
Vùng Ramsar tại miền Bắc Iran có nền phông phóng xạ cao nhất trên thế giới.
Ở Guarapari – Brazil, một thành phố có dân số 80000 dân cũng có độ phóng xạ cao vào cỡ
40 µSv/giờ (cao hơn mức trung bình trên thế giới khoảng 200 lần).

Hình 1.3. Những vùng có phông phóng xạ cao trên thế giới
(đơn vị sử dụng là mSv/năm).[10]
1.2.2 Việt Nam
B
4
2

Ở nước ta, một số số liệu đo trên các vùng dân cư ở thành phố, thị xã, ven đường quốc
lộ, đồng bằng và trung du đều chứng tỏ phông phóng xạ tự nhiên nằm trong khoảng 2- 2,5
mSv/năm.Nói chung không vượt quá phông trung bình của thế giới [2].
Còn ở những vùng mỏ phóng xạ và đất hiếm (Tây Bắc), mỏ Graphit (vùng Quảng
Nam) hay vùng mỏ sa khoáng (dọc bờ biển Trung bộ)….., hàm lượng các nguyên tố phóng
xạ trong đất đá cao hơn, và phông phóng xạ cũng cao hơn mức trung bình khoảng 1,5 – 2
lần. Có những khu vực, giữa thân các mỏ quặng, phông phóng xạ cao hơn nhiều lần, liều
hiệu dụng nằm trong khoảng 10 -30 mSv/năm [2].Đặc biệt, tại huyện Thanh Sơn, Phú Thọ,


Cục Kiểm soát và An toàn Bức xạ đã lấy nhiều mẫu đất và đo đạc vào tháng 9 vừa qua, đã
khám phá rằng mức phóng xạ là 10,27 mSv/năm, gấp 10 lần mức phóng xạ trung bình mà
một người dân bình thường tiếp nhận trong một năm.

Hình 1.4. Phần trăm liều hiệu dụng trung bình hàng năm
1.2.3. Những ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên đối với con người và môi
B
5
2

trường
Mỗi người trung bình trong một năm nhận khoảng 1,1 mSv tia phóng xạ tự nhiên (nếu
gộp cả 1,3 mSv nhận từ Radon trong không khí thì con số này trở thành 2,4 mSv). Trong đó
khoảng 0,38 mSv từ không gian như các tia vũ trụ, khoảng 0,46 mSv từ đất, ngoài ra còn có
khoảng 0,24 mSv được phát từ cơ thể con người thông qua thức ăn, nước uống hằng ngày
[2].
Dù phải nhận một lượng tia phóng xạ tự nhiên như vậy nhưng sinh vật vẫn sống bình
thường. Chính vì vậy mà chúng ta có thể hiểu là nếu ở mức độ này thì sẽ không có vấn đề
gì. Hơn nữa, do cấu trúc địa chất ở mỗi nơi khác nhau, mức độ phóng xạ tự nhiên cũng khác
nhau theo khu vực. Có những nơi ở Trung Quốc hay Ấn Độ giá trị này lên tới 10 mSv/ năm

nhưng những cuộc điều tra từ trước tới nay cho thấy không hề có biểu hiện bất thường nào
xuất hiện ở người và sinh vật.


Do vậy, có thể hiểu rằng ở mức độ gấp 10 lần của phông phóng xạ tự nhiên trung bình
cũng không có ảnh hưởng xấu nào đến sức khỏe của con người. Điều đó có nghĩa là: đứng
về quan điểm an toàn bức xạ mà nói thì không thể đặt một ngưỡng liều bức xạ để có thể nói
rằng liều trên mức ấy là nguy hiểm, liều dưới ngưỡng đó là an toàn. Tuy nhiên, người ta
cũng định ra một ngưỡng, nếu bị chiếu xạ trên ngưỡng này thì chắc chắn hiệu ứng sẽ xảy ra
đối với cơ thể [2].
Khi nhận một lượng phóng xạ trong thời gian ngắn, cơ thể con người sẽ có những biểu
hiện về sức khỏe như sau:
Bảng 1.4. Liều chiếu xạ [2]
Liều chiếu
0 ~ 250 mSv
250 ~ 500 mSv

Các hiệu ứng
Không có tổn thương nào rõ ràng. Không ghi được hiệu
ứng lâm sàng, có thể không có hiệu ứng muộn.
Có thể thay đổi về máu nhưng không nghiêm trọng.
Có thể thay đổi nhẹ về máu nhưng không có dấu hiệu lâm

500 mSv

sàng. Có thể có hiệu ứng muộn, không chắc chắn có hiệu
ứng nghiêm trọng.

500 ~ 1000 mSv

1000 mSv
1000 ~ 2000 mSv

Thay đổi về tế bào máu, có vài tổn thương nhưng không
ốm đau bệnh tật.
Buồn nôn, mệt mỏi. Thay đổi rõ về thành phần máu, bình
phục chậm, giảm thọ.
Có tổn thương, có khả năng ốm đau, bệnh tật.
Buồn nôn, nôn mửa 24 giờ, rụng lông, tóc, biếng ăn, suy
yếu toàn thân, có triệu chứng đau họng, ỉa chảy. Một số cá

2000 mSv

thể có thể bị tử vong. Nói chung có khả năng bình phục trừ
trường hợp sức khỏeyếu từ trước, dễ bị bệnh truyền nhiễm,
tổn thương nặng.

2000 ~ 4000 mSv

Tổn thương, ốm đau bệnh tật, có thể dẫn đến tử vong.
Buồn nôn, nôn mửa trong 1~ 2 giờ, ủ bệnh 1 tuần bắt đầu
rụng lông, tóc, ăn không ngon miệng, suy nhược chung,

4000 mSv

sốt, khô rát mồm họng ở tuần thứ ba, các triệu chứng xanh
xao, ỉa chảy, chảy máu, suy sụp nhanh vào tuần thứ tư.
Khoảng 50% cá thể tử vong.

Buồn nôn, mửa trong 1 ~ 2 giờ, ủ bệnh ngắn, ỉa chảy, khô
6000 mSv

rát họng, sốt và tử vong sớm. Chắc chắn tử vong 100% cá
thể.

1.2.4 Độ trung bình phóng xạ có trong người
B
6
2

Trong những năm 1970 ở Hungaria, người ta đã đo lượng phóng xạ của các nguyên tố
sinh ra từ tự nhiên cũng như nhân tạo đã xâm nhập vào cơ thể con người. Các số liệu cụ thể
được trình bày ở bảng 1.6.
Bảng 1.5. Hoạt độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ trong các bộ phận của cơ thể con
người
Các đồng vị

Hoạt độ phóng xạ (Bq/kg)

phóng xạ

Phổi

Xương

Ở mô mềm

Toàn cơ thể

của cơ thể
Tự nhiên
3

-

-

-

0.2 – 0.9

-

-

-

40

-

-

-

60

-

-

-

8,5

Dãy 238U – 234U

-

0,15

0,007

-

230

0,02

0,2

0,002

-

-

0,3

0,005

-

-

3,0

0,2

-

Dãy 232Th

0,02

0,2

0,002

-

228

-

0,09

0,004

-

-

-

-

2–3

-

8 - 16

-

-

-

-

-

0,8 – 1,6

P

H
P

14

C

P

P

40

K

P

P

87

Rb

P

P

P

P

P

P

Th

P

P

226

Ra

P

P

210

Pb – 210Po

P

P

P

P

P

P

Ra – 224Ra

P

P

P

P

Nhân tạo (các vụ
nổ hạt nhân)
3
P

H
P

90
P

Sr

P

137
P

Cs
P

Từ kết quả bảng trên chúng ta thấy ở trong phổi của con người các chất phóng xạ ít cư
trú nhưng trên thực tế thì các chất phóng xạ khí Radon và Toron lại cư trú ở phổi nhiều nhất.


1.3 Tương tác của tia gamma với vật chất. Hệ phổ kế gamma phông thấp
B
0
1

1.3.1 Các tương tác của bức xạ gamma với vật chất
B
7
2

Bức xạ gamma có bản chất sóng điện từđó là các photon năng lượng cao hàng chục
keV đến hàng chục MeV. Bước sóng của bức xạ gamma nhỏ hơn nhiều so với kích thước
nguyên tử cỡ 10-10m. Nó không bị lệch trong điện trường và có khả năng đâm xuyên rất lớn,
P

P

thậm chí có thể đi qua lớp chì dày hàng decimet và rất nguy hiểm cho con người [2].
Tương tác của lượng tử gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp
như hạt tích điện. Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ
đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra cặp electron – positron, rồi các electron này gây ion hóa
môi trường. Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện,

tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. Ngoài ra, bức xạ hãm cũng đóng góp vào sự hình
thành phổ gamma [2].
1.3.1.1 Hấp thụ quang điện
B
0
4

Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và
toàn bộ năng lượng của nó được truyền hết cho electron quỹ đạo, electron này bay ra khỏi
nguyên tử và được gọi là quang electron (photoelectron) [2].
Năng lượng của lượng tử gamma phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết W i của
R

R

electron trên quỹ đạo i:
E = hν = Wi + Te

(1.5)

Phần năng lượng dư ra T e chuyển thành động năng của quang electron bay ra.
R

R

Hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với electron lớp K và với tiết diện rất lớn đối
với các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các
nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng
năng lượng thấp [2].

TiaX

γ

Photoelectron
Hình 1.5.Cơ chế hấp thụ quang điện [2]
Khi hiệu ứng quang điện xảy ra trong detector, những electron bị kích thích này mang
điện tích và bị mất năng lượng do ion hóa hoặc kích thích các nguyên tử tinh thể, tạo thành
các cặp electron – lỗ trống. Còn nguyên tử sau khi bị mất electron sẽ ở trạng thái kích thích
với năng lượng kích thích là E b và trở về trạng thái cơ bản bằng một trong hai cách khác
R

R

nhau. Nguyên tử có thể khử trạng thái kích thích bằng cách phân bố lại năng lượng kích
thích cho các electron còn lại, điều này có thể dẫn đến việc giải phóng các electron khác từ
nguyên tử (electron Auger) hay phát huỳnh quang tia X (Hình 1.6). Tia X này cũng có thể bị
hấp thụ quang điện. Khi đó tất cả năng lượng của tia gamma đều bị hấp thụ và tạo thành
đỉnh năng lượng toàn phần. (Do nguyên lí bảo toàn động lượng, một lượng rất nhỏ năng
lượng của photon được chuyển thành năng lượng giật lùi của nguyên tử và có thể được bỏ
qua trong thực nghiệm.

Hình 1.6.Cơ chế phát tia X


Đối với những tương tác gần bề mặt của detector, các tia X huỳnh quang, hầu hết là
các tia X của lớp K, có thể thoát ra khỏi detector. Năng lượng tổng cộng bị hấp thụ trong
detector khi đó sẽ là:
Ee = E γ - EK

R

R

R

R

R

R

(1.6)

ở đây E K là năng lượng của tia X lớp K.
R

R

Quá trình này được gọi là quá trình thoát tia X.Đối với Germanium thì năng lượng tia
X ở lớp K có hai giá trị là 9,9 keV và 11,1 keV, còn của iodine là 1,7 keV và 1,8 keV. Vì
lượng năng lượng này bị mất tạo nên một đỉnh nhỏ có năng lượng thấp hơn đỉnh năng lượng
toàn phần một khoảng đúng bằng lượng năng lượng này. Trong detector germanium, nó còn
gọi là đỉnh thoát germanium và trong detector iodine được gọi là đỉnh thoát iodine (Hình
1.7).

Hình 1.7.Đỉnh thoát iodine trong phổ của nguồn 57Co
P

P

Khi nguyên tử chì có trong các vật liệu che chắn xung quanh detector hấp thụ photon,
phát ra từ nguồn đo hay từ các nguồn xung quanh, nó sẽ phát ra tia X đặc trưng. Các tia X
này thường có năng lượng nằm trong khoảng 70 – 85 keV. Trong thực tế, người ta thường
sử dụng thêm một số lớp vật liệu bọc bên trong buồng chì để chắn các tia X này. Có thể đặt
kế tiếp với lớp chì là một lớp cadmium, lớp này hấp thụ gần như toàn bộ tia X do chì phát
ra. Sau đó đến lượt Cadmium phát ra tia X đặc trưng của nó và được lớp đồng kế tiếp lớp
cadmium hấp thụ hết. Cuối cùng, các tia X do đồng phát ra có năng lượng thấp khoảng 8 – 9
keV thì chỉ cần một lớp lastic mỏng là hấp thụ hết.