Nghiên cứu phương pháp xác định đồng thời hàm lượng Radon và Thoron trong không khí sử dụng detector vết hạt nhân

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

MỞ ĐẦU
Thuật ngữ “Radon” (Rn) – dùng để chỉ các đồng vị của nguyên tố khí phóng
xạ có số thứ tự 86 trong Bảng Hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Các đồng vị này đều
là khí trơ, không màu, không mùi. Trong tự nhiên, Rn là sản phẩm phân rã của các
chuỗi phóng xạ tự nhiên: chuỗi 238U (sinh ra

222

Rn, có chu kỳ bán rã là 3,82 ngày);

chuỗi 232Th (sinh ra 220Rn, còn gọi là thoron, có chu kỳ bán rã là 55,6 giây); và chuỗi
235

U (sinh ra

219

Rn, còn gọi là actinon, có hàm lượng rất nhỏ và chu kỳ bán rã ngắn

là 3.96 giây)[36].
Các sản phẩm phân rã Rn hay còn gọi là con cháu của Rn, thường bám vào các
hạt sol khí, hoặc tồn tại tự do trong không khí. Chúng phát bức xạ gamma, các hạt
beta và hạt alpha, gây ra liều chiếu trong cơ thể con người thông qua đường hô hấp.
Uỷ ban khoa học về các hiệu ứng bức xạ nguyên tử của Liên Hợp Quốc,
UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic
Radiation) năm 2000 đã thống kê và cho thấy đóng góp của Rn vào liều chiếu bức
xạ cho con người gây bởi các bức xạ tự nhiên lên tới 50%. Chính vì thế Rn có thể

được xem như là một nguồn phóng xạ tự nhiên có ảnh hưởng lớn nhất đến sức khỏe
của con người.
Các thiết bị ghi đo hàm lượng radon trong không khí, hầu hết đều dựa trên
nguyên tắc tương tác của alpha (do Rn và con cháu của nó bức xạ) với vật liệu
detector. Mặc dù đều là các đồng vị phân rã alpha, nhưng thành phần chủ yếu ảnh
hưởng đến hàm lượng radon trong không khí là radon-222 và radon-220 vì thời gian
sống của chúng là tương đối lớn.Với chu kì bán rã 4 giây, nên actinon (hay radon219) gần như không đóng góp vào lượng Rn trong không khí và ít ảnh hưởng đến
cơ thể con người.
Với mục đích xây dựng được phương pháp ghi đo đồng thời hàm lượng radon
(radon-222) và thoron (radon-220) trong không khí phục vụ cho việc đánh giá liều
chiếu do radon gây ra đối với con người, tác giả mạnh dạn chọn đề tài: “Nghiên
cứu phương pháp xác định đồng thời hàm lượng Radon và Thoron trong
không khí sử dụng detector vết hạt nhân”. Trong luận văn tác giả tập trung trình

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

bày quá trình tương tác hạt alpha và hình thành vết ẩn trên phim LR115 đến các quá
trình tẩm thực hóa học hiện vết, đếm vết trên phim, và phân tích kết quả hàm lượng
Rn trong không khí.
Luận văn được chia thành ba chương chính:
o Chương 1: Tổng quan về khí Radon, và các phương pháp xác định hàm
lượng Rn trong môi trường.
o Chương 2: Sử dụng detector vết hạt nhân (SSNTD) để ghi đo các hạt mang
điện tích.
o Chương 3: Thực nghiệm và kết quả phân tích hàm lượng radon-222, radon220 trong không khí.

Luận văn là một phần công việc trong đề tài cấp cơ sở đang được thực hiện tại
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, là kết quả lao động nghiêm túc, kết hợp với
những kiến thức tham khảo, cùng với sự hướng dẫn tận tình của giảng viên, Tiến sỹ
Trịnh Văn Giáp và tập thể cán bộ Trung tâm an toàn bức xạ và bảo vệ môi trường,
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân. Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian, chắc chắn
luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp của các thầy cô, các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện, có thể
ứng dụng kết quả nghiên cứu trong tương lai. Hy vọng luận văn sẽ là một tài liệu
tham khảo hữu ích, đề cập tương đối đầy đủ tổng quan về phương pháp ghi đo
radon-222 và radon-220 trong không khí sử dụng detector vết hạt nhân cho tất cả
những ai quan tâm đến vấn đề này.

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ KHÍ RADON VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
HÀM LƯỢNG RADON TRONG MÔI TRƯỜNG
1.1 Nguồn gốc của radon trong môi trường không khí
Radon là loại khí không màu, không mùi, và đơn nguyên tử. Là loại khí trơ,
nặng nhất trong 6 khí hiếm tạo thành nhóm 18 (hay còn gọi là nhóm 0) trong bảng
hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Không giống như các khí trong nhóm,
nó không phải đồng vị bền, tất cả chúng là những đồng vị phóng xạ. Trong tự nhiên
radon có 3 đồng vị, mỗi đồng vị liên quan đến 1 chuỗi phân rã phóng xạ khác nhau,
bắt đầu của các chuỗi này lần lượt là 238U, 232Th, và 235U. Radon-222 có chu kì bán rã
3.8 ngày[38], được tạo ra từ chuỗi phân rã của

238

U. Đây là đồng vị quan trọng nhất

trong 3 đồng vị của radon vì hàm lượng của nó trong không khí và ảnh hưởng của
nó đến sức khỏe. Radon-220, hay còn gọi là thoron, là một sản phẩm trong chuỗi
phân rã của thorium (232Th), có chu kì bán rã 55,6 giây [38]. Mặc dù radon-220 có chu
kì bán rã ngắn, nhưng nó cũng góp phần vào sự phơi nhiễm bức xạ trong nhà bởi
hàm lượng của nó và các sản phẩm phân rã của nó trong không khí. Đồng vị cuối
cùng trong ba đồng vị là radon-219 (thường gọi là actinon, sản phẩm trong chuỗi
phóng xạ của actinium – hay

235

U) có đóng góp không đáng kể vào liều chiếu bức

xạ đối với con người bởi radon-219 không chỉ có độ phổ biến trong tự nhiên thấp
(nhỏ hơn khoảng 20 lần so với 238U) mà còn có chu kì bán ra rất ngắn (4 giây).
Bảng 1: Một số tính chất vật lý quan trọng của khí radon[36]
TÍNH CHẤT
số hiệu nguyên tử
khối lượng nguyên tử
Tính chất ở thể khí:
mầu sắc
khối lượng riêng, g/l, ở 0C và 1 atm,
Độ tan, cm3 kg-1, trong nước ở 1 atm áp
suất riêng phần:

8

ĐỊNH LƯỢNG
86
222
Không màu
9.73


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

ở 00 C
ở 200C
ở 300C
Độ tan, cm3 kg-1, trong dung dịch ở áp

510
230
169

-

suất 1atm, dung dịch:
- glycerine
- aniline
- Rượu nguyên chất
- Acetone
- Rượu Ethyl
- Dầu mỏ (paraffin lỏng)

- Xylene
- Benzene
- Toluene
- Chloroform
- Ether
- Hexane
- Carbon disulfide
- Dầu olive
Tính chất khác:
Điểm sôi, (Ở áp suất1atm)
Điểm pha (rắn - lỏng - khí)
Áp suất tại điểm pha
Hệ số khuyếch tán trong không khí,

ở 180C

ở 00C

0.21
3.8
6.2
6.3
7.4
9.2
12.7
12.8
13.2
15.1
15.1
16.6

23.1
29

4.4
8.3
8.0
9.4
12.6
18.4
20.5
20.1
23.4
33.4
-

-620C
-710C
500 mmHg
0.1

cm2sec-1

Chuỗi phân rã của 238U, 232Th, 235U được minh họa tương ứng như phụ lục: 1, 2,
và 3. Chuỗi phóng xạ bao gồm một chuỗi các phân rã phóng xạ biến đổi liên tiếp và
cuối cùng kết thúc là đồng vị bền chì. Đó là các quá trình phân rã phóng xạ phát ra
hạt beta, nhưng chủ yếu là alpha. Trong một số trường hợp các phân rã alpha và
beta cũng có thể kèm theo phát bức xạ gamma.
238

U,

232

Th, và

235

U là những nguyên tố nguyên thủy, chúng hiện hữu ngay khi

trái đất hình thành và có chu kì bán rã tương đương tuổi trái đất (khoảng 4.5x10 9
năm). Tuy vậy sự phân bố tự nhiên của

238

U,

232

Th là khác nhau tùy theo nền địa

chất, và chúng nằm dải rác trên khắp vỏ Trái Đất. Hàm lượng trung bình cao nhất
của các nguyên tố phóng xạ trên được tìm thấy ở đất đá trung tính (alkaline
intermediate rocks), chúng tương đối hiếm trên Trái Đất, với hàm lượng vào khoảng
9


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

500 Bq.kg-1 (13.5 pCi.g-1), đá núi lửa có hàm lượng thấp hơn khoảng 80 đến 100
Bq.kg-1 (2 đến 35 pCi.g-1). Các đá trầm tích, đất sét có hàm lượng cao hơn 40 và 50
Bq.kg-1 (1 và 1.5 pCi.g-1) tương ứng với

238

U và

232

Th. Tính trung bình trên vỏ trái

đất, phân bố hàm lượng phổ biến của các loại đất đá khác nhau là 50 Bq.kg -1 (1.4
pCi.g-1) cho mỗi loại nguyên tố phóng xạ trên[38].
Vì radium – khi phân rã tạo thành radon – có trong đất đá ở mọi nơi trên Trái
Đất, nên radon phân bố ở khắp mọi nơi. Trong không khí chúng bám vào các hạt
soil khí, hơn nữa chúng có thể hòa tan trong nước, chính vì vậy radon tồn tại cả bên
ngoài không khí, bên trong ngôi nhà, và trong vật liệu xây dựng, nhưng vật mang
nguồn radon phổ biến nhất là soil khí. Sự trao đổi không khí trong và ngoài nhà phụ
thuộc vào cấu trúc ngôi nhà, và ảnh hưởng rất nhiều đến hàm lượng của radon trong
nhà, tuy nhiên tốc độ thâm nhập của soil khí vào nhà chịu tác động của nhiều yếu
tố khác nhau. Cả tốc độ thâm nhập của soil khí và tốc độ trao đổi không khí đều phụ
thuộc vào các điều kiện ngoài nhà như tốc độ gió, sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên
trong và bên ngoài ngôi nhà. Thêm nữa, là yếu tố địa chất, lượng mưa, và kiến trúc
của công trình xây dựng cũng ảnh hưởng đến hàm lượng radon. Đối với ngôi nhà
thường xuyên đóng kín, hàm lượng radon trong nhà chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu
xây dựng và cấu tạo địa chất dưới móng ngôi nhà.
1.2 Ảnh hưởng của radon với sức khỏe con người.
Các sản phẩm phân rã Rn phát ra tia gamma, các hạt beta và đặc biệt là các hạt
alpha. Các hạt alpha này có khoảng chạy tự do rất ngắn nên bị dừng lại ở các mô và

năng lượng của chúng sẽ tập trung phá hủy các tế bào mô mà hậu quả là có thể gây
ung thư[38].
Trong hai thập kỉ gần đây, có nhiều báo cáo nghiêm túc được công bố chứng tỏ
việc phơi nhiễm radon là một trong những nguyên nhân chính của căn bệnh ung thư
phổi. Radon là một khí phóng xạ có rất nhiều trong tự nhiên, thâm nhập và tích tụ
rất nhiều trong ngôi nhà của chúng ta[59]. Đã có thống nhất trong việc khẳng định
Radon là một tác nhân của căn bệnh ung thư trong hầu hết các công bố của các công
trình nghiên cứu của các tạp chí sức khỏe uy tín trên khắp các quốc gia và thế giới

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

cũng như cơ quan quốc tế nghiên cứu bệnh ung thư (International Agency for
Research on Cancer (IARC))[25] thuộc tổ chức sức khỏe thế giới (World Health
Organization - WHO), Ủy ban về hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa thuộc học
viện quốc gia khoa học Hoa Kì (Biological Effects of Ionizing Radiation (BEIR
IV)[7] Committee of the National Academy of Sciences), Hội đồng quốc tế về an
toàn bức xạ (ICRP)[24], và hội đồng quốc gia về đo lường và an toàn bức xạ (NCRP)
[34]

. Tuy nhiên, mức độ nghiêm trọng của liều chiếu và sự phơi nhiễm radon chưa

được đề cập đầy đủ trong các tài liệu phổ thông. Đặc biệt ở nước ta hiện nay.

Hình 1: Nguồn phơi nhiễm bức xạ với dân chúng[35]
Trong các nguồn bức xạ ion hóa, đóng góp của bức xạ tự nhiên chiếm tỉ lệ lớn

nhất trong tổng trung bình tương đương liều tính cho cả năm đối với dân chúng.
55% của tổng liều là do radon[35]. Bức xạ do y tế, tia vũ trụ, nguồn bức xạ trên trái
đất, các bức xạ tiềm ẩn bên trong cơ thể, và các bức xạ từ nguồn gốc thực phẩm
chiếm phần còn lại. Những nguồn bức xạ luôn gây sự nguy hiểm như các sản phẩm
của nhà máy điện hạt nhân và các vụ thử vũ khí chỉ chiếm 1% (minh họa trên hình
1). Hơn nữa đối với liều chiếu trong vòng đời bởi radon lớn hơn rất nhiều so với
liều bức xạ trung bình tại Châu Âu và Châu Á từ tai nạn hạt nhân Chernobyl (minh
họa trên hình 2) [37].

11


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

Hình 2: So sánh liều chiếu bởi một số nguồn bức xạ theo thang logarit[38].
Đã có những nghiên cứu dịch tễ hay nghiên cứu sức khỏe của cộng đồng, dù
theo những tầng lớp riêng hay cả cộng đồng nói chung, theo những cách khác nhau
về ảnh hưởng đến sức khỏe của radon. Hầu hết các cuộc điều tra dịch tễ, diễn ra
hoàn toàn ngẫu nhiễn, đưa ra những kết luận cuối cùng đều mang tính linh hoạt,
thận trọng bởi với nhiều nguyên nhân tác động đến sức khỏe như hút thuốc lá và
radon đều là những tác nhân gây lên ung thư phổi.
Radon được khẳng định là tác nhân đứng thứ hai của căn bệnh ung thư phổi,
chỉ sau thuốc lá, tác nhân khiến 146.000 bệnh nhân ung thư phổi bị chết ước tính tại
Mỹ hàng năm[2]. Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) thống kê các trường hợp
chết vì ung thư phổi tại Mỹ liên quan đến phơi nhiễm radon trong nhà ở vào
khoảng 13.600, và với 7000 đến 30.000 trường hợp[57] nghi ngờ liên quan hoặc chưa

12

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

có biểu hiện rõ ràng. việc đánh giá liều của radon dựa trên mô hình chiếu liều của
ủy ban BEIR IV cũng như của cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) và ở trong hầu
hết các tài liệu trước đây[56, 58]. Một số biểu hiện không rõ ràng trong việc tính liều
của radon có liên quan chủ yếu đến ảnh hưởng của việc hút thuốc. Tác dụng sẽ gấp
nhiều lần nếu đồng thời bị ảnh hưởng của cả liều radon và việc hút thuốc. EPA đã so
sánh số người chết vì ung thư phổi liên quan đến radon với những nguyên nhân
khác: uống rượu khi lái xe – 23.400; chết đuối – 4.600; chết vì hỏa hoạn – 4.400; tai
nạn máy bay – 1000 (tính trên hàng năm tại Mỹ), những con số đủ để khẳng định
radon có vai trò vô cùng quan trọng trong vấn đề sức khỏe môi trường[56,57].
Các nghiên cứu về ung thư phổi đối với thợ mỏ quặng uranium [38] đều cho thấy
xảy ra sự gia tăng tỉ lệ mắc ung thư phổi vì bị phơi nhiễm các sản phẩm phân rã của
radon. Tuy nhiên với các nghiên cứu cộng đồng nói chung đều rất phức tạp bởi trên
thực tế lược sử quá trịnh bị phơi nhiễm radon là rất khó để xây dựng lại, trong khi
họ luôn phải di chuyển và thay đổi nơi cư trú.
Radon đã được ghi nhận là mối nguy hiểm tiềm tàng cho sức khỏe dân chúng
tại Mỹ cách đây hơn 30 năm trước [38]. Để hiểu và giải quyết có hiệu quả vấn đề
radon, cần thiết phải nắm vững được tính chất vật lý, ảnh hưởng của nó với sức
khỏe, cách thức và kĩ thuật đo đạc, khu vực ảnh hưởng của nó, nguyên lý và cách
thức giảm bớt nồng độ.
1.3 Các phương pháp xác định hàm lượng radon trong môi trường[60, 61]
Nồng độ Rn có thể đo bằng nhiều cách với các loại thiết bị khác nhau. Theo
CEI/IEC 61577-1, hiện có đến 18 loại thiết bị đo Rn tức thời (trực tiếp) và 6 loại
thiết bị đo Rn tích lũy (thụ động). Các phương pháp đo cũng khác nhau nhưng
chung quy lại có hai phương pháp chính là đo tức thời và đo tích lũy.

13


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

Tại Australia, Tiêu chuẩn Australian Standard AS 2365.4 – 1995 đã đưa ra
Tiêu chuẩn về 3 phương pháp ghi đo nồng độ Rn trong nhà ở, đó là phương pháp đo
tức thời (trực tiếp), đo ngắn ngày bằng detector than hoạt tính (1 đến 7 ngày), và
phương pháp đo tích lũy dài ngày (từ 1 tuần đến 1 năm).
Trong “Cẩm nang về Rn cho cư dân“ do EPA ban hành (U.S. EPA, 2005) trình
bày phương pháp đo xác định nồng độ Rn trong nhà ở và định hướng giảm thiểu.
EPA khuyến nghị nên bắt đầu bằng phương pháp đo tức thời, thực hiện trong
khoảng từ 2 đến 7 ngày, ở tầng thấp nhất của ngôi nhà và trong điều kiện nhà đóng
kín. Việc kiểm tra theo phương pháp đo tức thời là nhằm đảm bảo các cư dân được
thông báo sớm một khi ngôi nhà có nồng độ Rn cao. Nếu kết quả của phép đo bằng
phương pháp đo tức thời bằng hoặc lớn hơn 4 pCi/L (148 Bq/m 3), hay lớn hơn 0,02
WL, thì phải tiến hành một phép đo tiếp theo dài ngày hơn để xác định kết quả
chính xác về nồng độ Rn trung bình trong nhà ở. Có thể thực hiện bằng một trong
hai phương pháp: đo tức thời hoặc đo tích lũy. Phương pháp đo tích lũy có ưu điểm
là có thể được tiến hành dài hơn 90 ngày (tới 365 ngày) và cho kết quả về nồng độ
Rn trung bình trong nhà ở với độ tin cậy cao hơn so với kết quả đo ngắn ngày bằng
phương pháp đo tức thời.
1.3.1 Các thiết bị và phương pháp ghi đo tức thời (trực tiếp) nồng độ Rn:
Phương pháp đo tức thời sử dụng những thiết bị đo đếm liên tục khí Rn.
Không khí được đưa vào một buồng đếm và số đếm được ghi lại bằng thiết bị điện
tử. Số đếm được đếm lặp lại cho từng giai đoạn, được lưu lại và sau đó có thể in ra.
Phương pháp này phù hợp với cách đo ngẫu nhiên tức thời (từ vài phút đến 1 tuần)

và là 1 giải pháp xác định nhanh nồng độ Rn trong một khoảng thời gian cụ thể [60,
61]

. Một số phương pháp tiêu biểu:
CR (Continuous Radon Monitoring) – Quan trắc liên tục: Phương pháp này

bao gồm những thiết bị đo đếm liên tục nồng độ khí Rn. Không khí được bơm vào
buồng đếm là buồng nhấp nháy hay buồng ion hoá. Số đếm nhấp nháy được ghi lại
bằng thiết bị điện tử.

14


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

GS (Grab Radon/Scintillation Cell) - Đo tức thời dùng buồng nhấp nháy:
Phương pháp này hút khí qua một phin lọc để đẩy các sản phẩm con cháu Rn ra
khỏi buồng nhấp nháy. Sau đó sử dụng bơm chân không hút khí qua buồng nhấp
nháy tới khi không khí bên trong ống cân bằng với không khí được thu góp và hàn
kín lại. Để phân tích mẫu khí này, một cửa sổ của buồng được nối với một ống nhân
quang điện để đếm xung nhấp nháy sinh ra do hạt anpha phân rã từ Rn tác dụng lên
lớp sulphua kẽm phủ tráng bên trong thành buồng.
SC (Three-Day Integrating Evacuated Scintillation Cell) - Đo 3 ngày dùng
buồng nhấp nháy: Phương pháp này gồm một buồng nhấp nháy nối với van điều
khiển và máy đo áp suất. Khi tiến hành công việc van này được tháo ra. Tại nơi thu
góp mẫu kỹ thuật viên đọc chỉ số áp suất và mở van. Không khí được thổi chậm qua
van, giai đoạn lấy mẫu khoảng 3 ngày. Kết thúc giai đoạn thu mẫu kỹ thuật viên
đóng van lại, ghi chỉ số áp suất và gửi buồng nhấp nháy về phòng thí nghiệm. Qui

trình phân tích như phương pháp GS.
CW (Continuous Working Level Monitoring) - Đo liên tục Mức làm việc WL: Phương pháp này gồm những thiết bị ghi đo liên tục các sản phẩm phân rã của
Rn. Sản phẩm phân rã Rn thu được bằng cách bơm không khí qua một phin lọc. Các
loại detector như khếch tán hay hàng rào mặt đếm các hạt anpha sinh ra do phân rã
Rn trên phin lọc. Thiết bị quan trắc chứa mạch vi xử lý để lưu giữ số đếm, xác định
độ lặp theo từng chu kỳ thời gian và lưu giữ số liệu. Chương trình đo được thiết lập
khoảng 24 giờ.
GW (Grab Working Level) - Đo tức thời: Phương pháp này thu mẫu bằng cách
cho một thể tích không khí xác định trước qua một phin lọc. Rn phân rã trên phin
lọc đó. Thời gian thu mẫu khoảng 5 phút một lần. Sản phẩm phân rã của Rn được
đếm bằng detector anpha.
Tại Việt Nam, các thiết bị ghi đo tức thời (trực tiếp) nồng độ Rn bao gồm:
Buồng Lucas: Dùng ống đếm nhấp nháy. Mẫu khí được đưa vào buồng nhấp
nháy qua một phin lọc để loại bỏ sản phẩm phân rã của Rn và bụi. Khi Rn phân rã
trong buồng nhấp nháy, con cháu của nó bám lại trên thành bên trong buồng. Hạt

15


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

anpha do phân rã của Rn và các con cháu của nó tác dụng vào lớp sulphua kẽm
tráng trên thành buồng và phát ra tín hiệu nhấp nháy.
Máy đo Pylon AB - 5: Các sản phẩm phân rã ngắn ngày của Rn khi được sinh
ra lập tức bám vào các hạt sol có sẵn trong không khí. Bằng cách hút không khí qua
phin lọc có hiệu suất bắt giữ các hạt sol khí cao và đo hoạt độ phóng xạ anpha của
phin lọc có thể tính được hoạt độ riêng phần của Rn, RaA, RaC, RaC’ và năng
lượng bức xạ anpha tiềm tàng của chúng trong một đơn vị thể tích không khí.

Máy đo RAD-7: Hệ đo bao gồm 02 buồng đo phông thấp 0,7 lít, bên trong
được lắp detector mỏng đo alpha. Điện áp làm việc của detector từ 2000 đến 2500V.
Chế độ đo nhanh (sniff) có thể đánh giá được nồng độ Rn mà không cần phải chờ
sau 48 giờ. Kỹ thuật này thường được sử dụng để đo Rn trong các nhà cao tầng. Hệ
đo này có thể đo được các đồng vị con cháu Rn sống ngắn như Po-216. Hệ đo có
bộ phận đo Rn trong nước và khí đất.
Máy đo RDA-200: Đo hàm lượng Rn và con cháu Rn Rn-222, Tn-220, Ra226. Đưa ra kết quả là WL.
Máy đo AlphaGuard PQ2000 PRO: Là máy đo đa năng sử dụng buồng ion
hóa, có thể cho thông tin về nồng độ Rn, áp suất , nhiệt độ và độ ẩm. Thiết bị có thể
nối với bộ xử lý số liệu và phần mềm máy tính để có thể điều hành online từ xa.
Hệ đo nhấp nháy lỏng: Rn được thu góp từ một thiết bị như máy hút khí hoặc
được lấy trực tiếp từ các nguồn nước khoáng, được hấp phụ vào dung môi hữu cơ
và đo bằng hệ đo nhấp nháy lỏng.
1.3.2 Các thiết bị và phương pháp ghi đo tích lũy (thụ động) nồng độ Rn:

16


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

Phương pháp đo tích lũy chủ yếu sử dụng các thiết bị đo thụ động như các
loại detector vết hạt nhân, than hoạt tính, liều kế nhiệt phát quang để hấp thụ Rn và
các sản phẩm phân rã của Rn, nồng độ Rn chỉ được xác định sau khi các detector
được xử lý, đo đạc và tính toán trong phòng thí nghiệm. Phương pháp đo tích lũy sử
dụng detector vết hạt nhân để đo nồng độ Rn trong nhà ở thích hợp với thời gian đo
dài từ 1 tuần đến 1 năm[60, 61]. Một số phương pháp tiêu biểu:
AC (Activated carbon Absorption) – Hấp thụ bằng than hoạt tính: Phương
pháp này sử dụng một hộp kín, hộp này được mở ra tại nơi cần thu góp khí Rn. Rn

trong không khí hấp thụ vào các hạt than hoạt tính nhỏ. Kết thúc giai đoạn phơi
chiếu hộp này được đóng kín lại và gửi về phòng thí nghiệm để phân tích.
Phân rã gamma từ Rn hấp phụ trong than hoạt tính được đếm bằng detector
nhấp nháy và tính toán qua hệ số chuẩn để đưa ra nồng độ Rn. Thời gian phơi chiếu
từ 2 đến 7 ngày phụ thuộc vào thiết kế thí nghiệm. Vì than hoạt tính hấp thụ và giải
hấp thụ Rn liên tục nên phương pháp này không đưa ra được phép đo tổng nếu quá
thời gian phơi chiếu quá dài.
SSNTD (Solid State Nuclear Track Detector) - Detector vết hạt nhân: SSNTD
là những tấm phim nhỏ bằng nhựa đặt trong một hộp có nắp làm phin lọc để ngăn
bụi và loại bỏ sản phẩm phân rã của Rn. Rn khuếch tán vào trong hộp, hạt anpha
phát ra từ Rn và con cháu của nó tác động vào detector gây ra các hư hỏng nhỏ (vết
ẩn). Kết thúc giai đoạn chiếu, detector được gửi về phòng thí nghiệm. Tại đây
detector được xử lý hoá học (tẩm thực) để làm lộ rõ những vết ẩn có thể đếm được
trên kính hiển vi hay thiết bị đếm tự động. Số vết trên một đơn vị diện tích trong
một đơn vị thời gian sẽ tương đương với nồng độ Rn trong không khí. SSNTD hoạt
động như một thiết bị đo tích lũy để đưa ra nồng độ trung bình cho cả giai đoạn
chiếu.
UTD (Unfiltered Track Detection) - Detector vết hạt nhân không phin lọc:
Phương pháp này được tiến hành giống như phương pháp SSNTD chỉ khác là nó
không dùng phin lọc để loại trừ các sản phẩm con cháu của Rn và các hạt alpha

17


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

khác. Detector không phin lọc là một tấm phim bằng cellulonitorat phụ thuộc năng
lượng.

LS (Charcoal Liquid Scintillation) – Hấp thụ bằng than hoạt tính và đo trên
máy đo nhấp nháy lỏng: Phương pháp này sử dụng một lọ nhỏ chứa than hoạt tính
để thu góp Rn, khí Rn hấp thụ vào than hoạt tính như phương pháp AC. Sau khi
phơi chiếu (thu góp) từ 2 đến7 ngày lọ này được bọc kín và gửi về phòng thí
nghiệm phân tích. Rn hấp phụ trong than hoạt tính được đếm bằng hệ đo nhấp nháy
lỏng.
EL (Electret Ion Chamber: Long-Term) – Buồng ion hoá tia lửa điện (đo dài
ngày): Phương pháp này bao gồm một detector tích điện gắn với một hộp nhỏ
(buồng ion hoá). Trong giai đoạn phơi chiếu Rn khuếch tán vào hộp qua một phin
lọc. Quá trình phân rã Rn và con cháu của nó trong buồng ion hoá sẽ tạo ra các tia
lửa điện. Hệ số chuẩn liên quan tới điện thế bên trong buồng ion hóa. Detector EL
được phơi chiếu từ 1 tới 12 tháng và cho kết quả đo tích lũy nồng độ Rn.
RP (Radon Progeny (Decay Product) Integrating Sampling Unit) - Đo tổng
các con cháu Rn: Phương pháp này thu mẫu bằng một bơm khí tốc độ chậm qua
một phin lọc. Tuỳ thuộc vào detector được sử dụng, bức xạ phát ra từ các sản phẩm
phân rã Rn được bắt trên hai detector là liều kế nhiệt phát quang
(ThermoLuminescent Dosimeters - TLDs) và detector vết hay buồng ion hóa tia lửa
điện. Thời gian lấy mẫu ít nhất là 72 giờ. Sau đó các thiết bị ghi đo này được gửi về
phòng thí nghiệm. Phân tích các detector vết hay buồng ion hóa tia lửa điện được
thực hiện theo qui trình phân tích SSNTD, EL hoặc ES. Detector TLD được phân
tích bằng thiết bị nhiệt huỳnh quang.
Tại Việt Nam cũng chủ yếu sử dụng phương pháp đo Rn tích lũy SSNTD. Loại
polycabonate Iupylon của Nhật Bản với cấu hình đo là urban cup (KfK chamber)
đang được sử dụng phổ biến để đo nồng độ Rn trong nhà ở. Ngoài ra còn có các loại
detector khác như LR115, CR39. Cũng cần nhấn mạnh là với điều kiện kinh tế của
Việt Nam ta chưa có điều kiện để mua số lượng lớn thiết bị đo chủ động vì giá
thành của chúng quá đắt. Trong tương lai gần, để điều tra nồng độ Rn trong nhà ở

18

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

chúng ta cần dựa chủ yếu vào phương pháp đo tích lũy sử dụng SSNTD có giá
thành rẻ và có khả năng triển khai đồng thời tại nhiều vị trí.

CHƯƠNG 2
SỬ DỤNG DETECTOR VẾT HẠT NHÂN (SSNTD)
ĐỂ GHI ĐO CÁC HẠT MANG ĐIỆN TÍCH
Có thể khẳng định chắc chắn rằng detector vết hạt nhân - SSNTD là công cụ
ghi đo radon hiệu quả, giá thành rẻ và có khả năng triển khai đồng thời tại nhiều vị
trí, rất phù hợp với hoàn cảnh nước ta hiện vẫn đang thiếu thốn để đầu tư các thiết
bị đắt tiền. Quy trình của phương pháp gồm 3 giai đoạn chính: phơi chiếu SSNTD
trong Rn môi trường; tẩm thực; đếm vết và xử lý kết quả (minh họa như hình 3).

Hình 3: Quy trình ghi do radon bằng phương pháp SSNTD.
2.1 Thế nào là SSNTD ? - SSNTD loại LR-115.
Một vật liệu được coi là SSNTD dùng để ghi đo các hạt mang tích điện cần
phải thỏa mãn hai tiêu chuẩn: một là có điện trở suất phải lớn hơn 2000 Ω.cm và
hai là độ khuếch tán nhiệt phải nhỏ hơn 0.06 cm 2/s. Một số loại vật liệu SSNTD
dạng plastic được cho như bảng 2.
SSNTD LR-115 thỏa mãn cả hai điều kiện trên và có thể dùng để ghi các hạt
điện tích nặng và hạt alpha có năng lượng từ 1,7 đến 4,2MeV. SSNTD LR-115 gồm
một lớp cellulose nitrar mỏng, màu đỏ thẫm và được phủ trên tấm polyester (PET)
dày 100μm.
Có hai loại SSNTD LR-115: loại để ghi các hạt alpha có năng lượng từ 1,7 đến
4,2MeV thường kí hiệu là LR-115 loại 2 (hoặc Strippable LR-115 type 2), loại nhạy

19


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

với các hạt alpha năng lượng thấp là LR-115 loại 1. Với SSNTD LR-115 dùng để
ghi notron thì phía trên lớp nhạy cellulose nitrar có phủ lớp Lithium, thường được
kí hiệu là LR-115 loại 1B. Bề dày lớp nhạy cellulose nitrar của SSNTD LR-115
loại 1 là 6 μm và SSNTD LR-115 loại 2 là 12μm.
Bảng 2: Một số loại vật liệu SSNTD dạng plastic.
Vật liệu

Hợp chất

Tên thương mại

Mật độ

Hệ số

(g.cm-3)
1.52

khúc xạ

1.52

1.51

Daicel2)

1.42-1.45

1.505

72% C5H8O9N2

GOST3)

1.4

1.5

26% C10H10O
C16H14O3

21228-75
Makrifol4)

1.29

polycarbonate
allyl diglycol- C12H18O7

Lexan5)
CR-396)

1.32

carbonate

MA-ND7)

cellulose

C5H8O9N2

CN-85

nitrate

1)*

CA-80151)
LR-1151)

bisphenol-A

(*): Hẵng sản xuất:
4)

Bayer AG, FRG;

5)

1)

1.45

TASTRAK8)
Kodak Pathe; 2) Dai Nippon Co., Japan;

General Electric Co., USA;

6)

3)

USSR;

Acrylics, USA; Homalite, USA;

Baryotrack, Japan; Pershore, UK; 7) MOM, Hungary; 8) track Analys. Sys. Ltd, UK.
2.2 Quá trình tạo vết ẩn trên SSNTD LR-115
Khi hạt alpha đi vào lớp nhạy của SSNTD, sẽ tạo ra vết ẩn. Sự hình thành vết
ẩn được chia thành hai quá trình chính: quá trình tạo khuyết tật và hồi phục khuyết
tật[11, 13, 18, 19, 31].
Quá trình hình thành khuyết tật có thể chia thành các giai đoạn:
i) Giai đoạn tiền tương tác của hạt alpha với nguyên tử của vật liệu, nó xảy ra
trong khoảng thời gian rất ngắn (cỡ 10-17s).

20


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

ii) Giai đoạn thác lũ điện tử tạo ra xung quanh đường đi của hạt và để lại một
vùng plasma điện tích và tạo ra các phân tử hoạt hóa bên ngoài vùng plasma
này. Quá trình này lâu hơn quá trình tiền tương tác 1000 lần (cỡ 10-14 s)
iii) Giai đoạn thác lũ nguyên tử, xảy ra do tương tác Coulomb bởi phần plasma
tích điện còn lại. Quá trình diễn ra trong khoảng 10-12s
Quá trình hồi phục khuyết tật có thể được chia thành hai giai đoạn:
i)

Giai đoạn kết hợp các khuyết tật nguyên tử ở bên trong lõi vết (track
core) tạo ra sự mở rộng các khuyết tật kéo dài trong khoảng thời gian 10-10s.

ii)

Giai đoạn phục hồi các khuyết tật phân tử gây bởi các phản ứng kiểu hoạt
hóa trong vùng quầng vết (track halo). Quá trình này xảy ra trong khoảng 1s.

Hình 4: Lát cắt theo trục (a) và theo đường kính (b)
của vết hạt nhân trên detector loại polymer
Lát cắt theo trục và theo đường kính của vết ẩn được thể hiện trên hình 4. Phần
lõi của vết, có đường kính khoảng 10 nm, tương ứng với phạm vi của vùng thác lũ
nguyên tử. Trong vùng này khối lượng phân tử giảm đi đáng kể. Xung quanh lõi vết
(track core) được bao quanh một vùng quầng vết (track halo), có đường kính
khoảng từ 100-1000nm, tương ứng với phạm vi vùng thác lũ điện tử, tại vùng này
có sự thay đổi hẳn về tính chất hóa học.

21


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

Độ nhạy năng lượng của một số loại detector với hạt alpha được thể hiện như
bảng 3. Các giá trị năng lượng đều mang tính tương đối, giá trị chính xác phụ thuộc
rất nhiều điều kiện khác như điều kiện tẩm thực, sự phơi nhiễm với oxygen, tia cực
tím v.v. Bởi vậy để detector có độ nhạy tốt với sự ion hóa, các điều kiện quang học,
về các thông số môi trường... cần phải được lưu ý.
Bảng 3: Giới hạn năng lượng hạt alpha có thể ghi nhận của một số loại
detector[11].
Loại Plastic
cellulose nitrate
Polycarbonate
allyl diglycol carbonate

Emin (MeV)
0.1
0.2
0.1

Emax (MeV)
4-6
3
>20

2.3 Quá trình hiện vết ẩn - Tẩm thực
Vết ẩn gây bởi tương tác của hạt tích điện trên SSNTD không quan sát được
dưới kính hiển vi quang học thông thường. Để hiện vết ẩn từ trạng thái không quan
sát được thành quan sát được thường phải sử dụng phương pháp ăn mòn hóa học
hay tẩm thực hóa học.

Hình 5: Minh họa nguyên lý của tẩm thực vết hạt nhân của loai detector dày (a) và
loại detector mỏng (b).

22


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

Quá trình chuyển từ vết không quan sát được thành quan sát được xác định
theo hai quá trình diễn ra đồng thời: một là quá trình ăn mòn hóa học dọc theo vết
hạt nhân theo một tốc độ tuyến tính Vt; hai là quá trình ăn mòn hóa học vật liệu trên
detector, với tốc độ chậm hơn Vb. Tùy theo loại SSNTD với điều kiện tẩm thực
thích hợp, các detector có thể được phân thành hai loại: i) detector mỏng, theo đó
hầu hết vết sau khi tẩm thực đều là các lỗ xuyên qua, và loại ii) detector dày, với
loại này bề dày của lớp detector còn lại (sau khi tẩm thực) lớn hơn độ sâu của vết đã
tẩm thực (minh họa như hình 5).
Sau khi tẩm thực với điều kiện thích hợp, đường kính vết đạt đến cỡ μm, nên
có thể được quan sát bằng kính hiển vi quang học.
Bảng 4: Các khuyến cáo điều kiện tẩm thực và vận tốc tẩm thực vật liệu Vb.
Detector
LR-115
CN-85
CR-39
Makrofol E

Dung dịch tẩm thực Nhiệt độ (0C) Thời gian (h)
2.5M NaOH
60

1.5
2.5M NaOH
60
0.5
6.25M NaOH
70
6.5
6M KOH (80%)
70
7.5

Vb (μm.h-1)
4
12
1.4
1.2

C2H5OH (20%)

Tỉ số tốc độ tẩm thực V = Vt/Vb là một hàm của bề dày phần dư còn lại: R của
detector. Đối với detector loại polycarbonate và cellulose nitrate, tỉ số tốc độ tẩm
thực được xác định[47]:
V = 1 + exp(- aR + b)
và với detector loại allyl diglycol carbonate công thức có dạng:
V = 1 + aR-b
Ở đây a,b là các thông số thực nghiệm với mỗi loại detector. Hàm V(R) thường
được dùng tính toán với các detector sử dụng để ghi nhận hạt alpha. Đồ thị V(R)
tiệm cận với ngưỡng chuẩn (V=1)[47, 48] như hình 6. Trong thực tế giá trị ngưỡng
chuẩn được xác định thường là 1,2.

23


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

Hình 6: Đường biểu diễn tỉ số tốc độ tẩm thực V, theo bề dày còn lại của một
số loại detector ghi nhận hạt alpha.
2.4 Đếm vết trên SSNTD sau khi tẩm thực
Hiện nay, trên thế giới có 03 phương pháp đếm vết trên detector phổ biến nhất,
bao gồm: đếm vết sử dụng kính hiển vi quang học, phương pháp đếm vết tự động
bằng phần mềm nhận dạng vết, và đếm vết bằng phương pháp tia lửa điện.
o Đếm vết sử dụng kính hiển vi quang học: Sử dụng một kính hiển vi quang

học có độ phóng đại từ 100 đến 500 lần để đếm các vết trên detector. Với 1
detector, sẽ được đếm nhiều lần tại nhiều vị trí khác nhau trên cùng một kích
thước thị trường, kết quả của mật độ vết được lấy trung bình trên tất cả các lần
đếm đó. Phương pháp này có nhược điểm là thời gian đếm tương đối lớn, dễ
tạo sai sót trong khi đếm đặc biệt khi mật độ vết cao, khó thao tác khi thực
hiện vì phải căn chỉnh tiêu cự để thu được ảnh rõ nét.
o Đếm vết sử dụng kính hiển có gắn camere kĩ thuật số: cũng giống như
phương pháp trên, ngoài kính hiển vi quang học còn được gắn thêm một
camera ghi lại toàn bộ hình ảnh trên thị trường, hình ảnh được truyền đến một

24


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

máy tính, tại đây một phần mềm được cài đặt sẵn cho phép tự động đếm các
vết trên thị trường một cách nhanh chóng. Tất cả các thao tác dịch chuyển và
chọn thị trường có thể được điều khiển tự động bởi máy tính hoặc do người
dùng thao tác. Đây là phương pháp khá phổ biến tại các trung tâm và các
phòng thí nghiệm lớn trên thế giới, hiệu quả, nhanh chóng và chính xác là
những ưu điểm nổi bật của phương pháp, tuy nhiên với giá thành đầu tư ban
đầu cao, nên nó vẫn chưa phù hợp với các nước đang phát triển như chúng ta
hiện nay.
o Đếm vết bằng phương pháp tia lửa điện: là phương pháp dựa trên sự phóng
điện giữa 2 bản cực qua các khuyết tật. Phương pháp có đầu tư ban đầu ít, dễ
thực hiện, nhanh chóng. Tuy nhiên với mật độ vết cao (lớn hơn 3000 vết) sẽ
xảy ra hiện tượng chồng chập khiến kết quả không còn chính xác. Sau đây xin
được trình bày rõ hơn về phương pháp, cũng như giới thiệu thiết bị đếm vết
được chế tạo tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân.
Việc xác định các vết đã được tẩm thực với loại detector vết dạng rắn sẽ khó
khăn nếu dùng kính hiển vi quang học, hơn nữa mất nhiều thời gian và tốn kém.
Điều đó phải được cân nhắc khi chúng ta đo đạc các phân rã hạt nhân trong một
vùng rộng bằng các detector vết hạt nhân, khi đó cần một lượng lớn các mẫu đặt tại
các vị trí khác nhau. Việc thực hiện đếm vết tự động bằng phương pháp phân tích
ảnh hoặc phương pháp đếm bằng tia lửa điện sẽ được lựa chọn trước tiên. Phương
pháp phân tích ảnh có chi phí khá tốn kém và thường chỉ được đầu tư trong các
phòng thí nghiệm và các trung tâm nghiên cứu lớn. Kĩ thuật đếm tia lửa điện, thực
hiện trên các detector dạng phim, có giá thành rẻ, dễ thực hiện, nhanh chóng để đếm
vết, một phương pháp thành công và được sử dụng rộng rãi trong việc đếm vết đã
tẩm thực hiện nay.
Kĩ thuật đếm tia lửa điện, được phát hiện đầu tiên bởi Cross và Tommasino
(1970), được phát triển, cải tiến và công bố rất nhiều trong các báo cáo sau đó [46], [6],
[53], [10]

. Mạch nguyên lý của hệ đếm tia lửa điện được trình bày trên hình 7.

25


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đếm tia lửa điện.
Trong thiết bị đếm tia lửa điện, SSNTD sau khi tẩm thực được đặt giữa hai
điện. Các detector mỏng (bề dày khoảng 6-10 μm) được đặt ở phía trên điện cực
thường được làm từ đồng thau, và một điện cực là lá plastic được phủ nhôm. Phần
mặt phủ nhôm của lá plastic phải tiếp giáp với detector. Để lá plastic, detector mỏng
và điện cực luôn được tiếp giáp nhau cần đặt một vật có khối lượng đáng kể đặt lên
chúng (thường dùng vật nặng có lót xốp hoặc đệm mềm). Khi đưa cao áp vào hai
điện cực, sự đánh tia lửa điện giữa hai điện cực xuyên qua các vết. Điều này sẽ tạo
ra các xung điện áp trong điện trở R, có thể dễ dàng đếm bằng các mạch đếm điện
tử. Số xung đếm được sẽ bằng số vết trên SSNTD. Để tránh sự phóng tia lửa điện
lặp lại trên 1 vết, người ta sử dụng điện cực dương là lớp nhôm mỏng.
Tia lửa điện xuyên qua lỗ vết cũng đủ để bốc bay lớp nhôm mỏng bao phủ (độ
dày lớp nhôm nhỏ hơn 38 μm) và tạo ra một lỗ lớn ở điện cực nhôm. Ngay sau khi
bị “đoản mạch” việc đánh lửa bị dừng lại, Tụ C lại được tích điện nhưng ở lần đánh
lửa sau này không xảy ra ở lỗ vết trước, bởi điện cực nhôm đã bị bốc bay do tia lửa
điện ở lần trước. Theo đó việc đánh lửa sẽ nhảy ngẫu nhiên đến một lỗ vết khác cho
đến khi tất cả các lỗ được đếm hết. Lỗ nhôm bốc bay do tia lửa điện, có đường kính
khoảng 100 μm, bằng với số lần đánh tia lửa điện và bằng số lỗ vết trong miếng

26

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

detector vết plastic. Lát nhôm sau khi sử dụng đánh tia lửa điện cũng có thể dễ dàng
đếm được vết bằng kính hiển vi quang học hoặc thiết bị đọc vi phim.
Với một thiết bị đếm tia lửa điện, hiệu quả và độ chính xác việc đếm vết phụ
thuộc vào điện áp, mức độ chống nhiễu của thiết bị, bề dày của điện cực nhôm

[9]

.

Điện áp có vai trò quan trọng với việc đếm vết [52], ví dụ, nếu điện cực nhôm là cực
tính âm, điện trở tải R0, cần phải không được dưới 1MΩ để giới hạn dòng trong khi
đánh lửa. Khi dòng lớn, sự phóng điện kép có thể xảy ra. Hiện tượng đó trở lên
nghiêm trọng khi điện áp đánh lửa lớn [51], và giá trị p.d nhỏ hơn 1 Torr.mm, với P là
áp suất khí tại chỗ đánh lửa và d là bề dày của detector. Khi điện cực điện cực nhôm
là dương, đặc tính phóng điện tự hồi phục tốt hơn bởi sự hình thành lớp oxide nhôm
bao quanh những vết đã bị bốc bay điện cực dương.
Đường cong Plateau của thiết bị đếm tương tự như với ống Geiger, với điện áp
hoạt động tốt nhất ở giữa vùng Plateau [29]. Điện áp sử dụng cho đếm vết thường
khoảng 600V. Tuy nhiên phải dùng một điện áp cao hơn với detector vết để làm bật
tất cả các vết tẩm thực chưa xuyên hoàn toàn. Trong thực tế chúng ta đánh lửa ở
1000V trước khi đếm vết chính thức.
Phương pháp đếm vết có một bất lợi lớn là sự chồng chập đếm vết. Với một
đường kính trung bình của lá nhôm khoảng 100 μm, có mật độ khoảng 3000 vết.
cm-2, thì hiện tượng chồng chập sẽ xảy ra. Tuy nhiên điều đó sẽ không vấn đề gì với

mật độ vết nhỏ hơn. Trong một số trường hợp nồng độ khí radon cao (như trong
hang động, dưới hầm, giếng nước..v.v.), cần phải rút ngắn thời gian chiếu mẫu để
tránh hiện tượng chồng chập xảy ra khi đếm vết với phương pháp này.
Tuy nhiên, nếu thay điện cực dẫn bằng điện cực điện trở (hay vật liệu bán dẫn)
trong thiết bị đếm tia lửa điện [53] thì đường kính của vết trên lá nhôm có thể được
giảm bớt đáng kể và giới hạn mật độ vết cực đại cao hơn. Hình ảnh của lá nhôm
sau khi được sử dụng để đánh lửa tham khảo phụ lục 4.
Nếu điện trở hồ quang của đường phóng điện và điện trở của điện cực nhôm là
rất nhỏ so với điện cực điện trở, (cho rằng năng lượng phóng điện bằng với lượng

27


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

nhiệt cần thiết để làm bay hơi vết nhôm) thì đường kính của vết nhôm, d, được xác
định theo công thức:
d2 ~

Trong đó:

KV 2 c
h2 r

k: hằng số,
V: điện áp hai đầu điện cực,
c: điện dung detector,
h: bề dày lớp nhôm,

r: điện trở điện cực bán dẫn.

Để giảm d, đối với một hệ đếm tia lửa điện cho trước, phương án tốt nhất là
tăng điện trở r của điện cực bán dẫn. Khi tăng h, dòng điện phóng cao và dễ xảy ra
hiện tượng phóng điện kép[9]. Để giảm hiện tượng phóng điện kép, cần phải lựa
chọn điện cực nhôm có bề dày h thích hợp [53]. Ví dụ: với điện cực đồng, điện trở bề
mặt của lớp điện cực nhôm không được cao hơn 3.5 ohms. Trong khi với điện cực
bán dẫn điện trở 10 ohms.cm, điện trở bề mặt của điện cực nhôm không được thấp
hơn 7 ohms[53]..
2.5 Cấu hình đo hàm lượng Rn-222, Rn-220 trong không khí
Để sử dụng SSNTD đo hàm lượng radon trong môi trường, ta sử dụng 2 cấu
hình hộp đo sau:
a.

Cấu hình urbancup:

Urban cup hay còn được gọi là buồng KfK, có thiết kế như hình 8, kích thước
urban cup: chiều cao 8cm, đường kính đáy dưới: 5cm, đường kính đáy trên: 10cm,
đường kính nắp: 12cm. Detector được bố trí ở phía đáy và trên nắp – (hình 8a), khí
radon thâm nhập vào trong qua các lỗ - (hình 8b). Được sử dụng như là một cấu
hình đo radon trong môi trường để đặt các detector loại CR-39, LR115. Đối với loại
detector khi đặt phim, cần chú ý mặt nhạy của phim phải đặt hướng vào buồng khí
trong cốc.

28


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

a)

VẬT LÝ KĨ THUẬT

b)

c)

Hình 8: Cấu hình urban cup: (a): Vị trí đặt phim trong urban cup; (b): Lỗ
thâm nhập của radon vào trong urban cup; (c): Urban cup được treo trên tường
phục vụ quan trắc.
Khi urban cup được đặt trong môi trường không khí, khí radon-222 và radon220 sẽ thâm nhập vào urban cup. Đối với phim ở đáy, sẽ có 3 phân vùng khí tương
tác với detector (hình 9):
o Với các khí bị phân rã ở vùng 1: quãng đường hạt alpha đi đến phim là dài,
năng lượng giảm rất nhiều trước khi tương tác với phim, nên việc ghi nhận các
hạt bị phân rã ở vùng này là không đáng kể.
o Với các khí bị phân rã ở vùng 2: phải nhớ lại rằng các phim LR115 chỉ nhạy
với các hạt alpha có năng lượng từ 2 đến 4MeV, với khoảng cách đủ lớn như
vậy các hạt alpha được phân rã bởi các khí tại vùng này giảm năng lượng vào
vùng nhạy của phim. Nói cách khác vết ẩn trên phim ghi nhận được chủ yếu
bởi các hạt alpha của vùng này gây lên.
o Với các khí bị phân rã ở vùng 3: hạt alpha được phân rã bởi các khí tại vùng
này có năng lượng tương đối lớn (cỡ 6MeV), hơn nữa các hạt alpha có góc
tương tác với phim (so với phương thẳng đứng) là lớn thì khi tẩm thực cũng
không cho vết rõ ràng. Như vậy việc ghi nhân các hạt bị phân rã tại vùng này
là không đáng kể.

29


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LÝ KĨ THUẬT

Hình 9: Phân vùng khí tương tác với detector trong urban cup.
Một điều cần chú ý là việc đặt thuận hay ngược khi bố trí các cấu hình urban
cup điều ảnh hưởng rất lớn đến quãng đường khuếch tán và cách thức thâm nhập
của radon-220 từ vị trí nguồn đến vùng tương tác mà tại đó năng lượng hạt alpha
phân rã đến phim nằm trong vùng năng lượng nhạy của phim, như trong mô tả trên
hình 10.

a)

b)

Hình 10: Cách thức khuếch tán khí khi urban cup được đặt ngược (a) và
khi urban cup được đặt thẳng đứng (b).
b.

Cấu hình hộp detector 3x3:

Hộp detector 3x3 hiện nay đang sử dụng được nghiên cứu và tự chế tạo tại
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân. Hộp có kích thước: chiều ngang 3,5cm; chiều
dọc 3,5cm; chiều cao 1cm. Mỗi hộp có thể gắn tối đa 2 phim có kích thước 3x3 cm 2
trên 2 lắp hộp – (hình 11a). Khí radon sẽ đi vào hốc khí bên trong hộp – (hình 11b).
Do thể tích hốc khí nhỏ nên hiệu suất của cấu hình này nhỏ hơn so với urban cup.

30