Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn: Chương 0 - PGS.TS. Trần Thiện Thanh, PGS.TS. Lê Công Hảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN
TRONG MÔI TRƯỜNG VÀ THỦY VĂN
CBPT: Trần Thiện Thanh - Lê Công Hảo
Email: -

TpHCM, 9-2019

1
1


MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC
Mục tiêu môn học



a. Nguồn gốc phóng xạ
b. Vận hành đƣợc các thiết bị đo đạc
c. Nhận diện và xác định đƣợc hoạt độ của đồng vị phóng xạ
d. Phƣơng pháp đo gamma trong nghiên cứu địa vật lý giếng
khoan
e. Kỹ thuật phóng xạ trong định tuổi địa chất và thuỷ văn đồng
vị

Môn học tiên quyết







Kỹ thuật ghi nhận bức xạ
Cơ sở vật lý phóng xạ
Thực tập cơ sở kỹ thuật hạt nhân
2


NỘI DUNG



Chương 1: Tổng quan về ĐVPX trong môi trường



Chương 2: Nguồn gốc phóng xạ và quy trính chuẩn bị
mẫu môi trường



Chương 3: Phương pháp phân tìch hạt nhân trong ghi
đo bức xạ môi trường



Chương 4: Ứng dụng ĐVPX trong môi trường

3

NỘI DUNG



Chương 5: Phương pháp đo gamma trong nghiên cứu
địa vật lý giếng khoan



Chương 6: Kỹ thuật phóng xạ trong định tuổi địa chất



Chương 7: Kỹ thuật phóng xạ trong thuỷ văn đồng vị

4


TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tham khảo chính
1.
Phạm Duy Hiển, Phóng xạ trong môi trường và các nguồn gốc
thải, NXB KHKT, (2014).
2.
Đặng Đức Nhận, Ngô Quang Huy, Nguyễn Hào Quang, Kỹ thuật
ghi đo phóng xạ ứng dụng trong nghiên cứu môi trường, NXB
KHKT, (2014).

3.
Phạm Năng Vũ, Thăm dò phóng xạ và carota lỗ khoan, NXB Đại
học và THCN, (1984)
Tài liệu tham khảo khác:




C. Zhang, Fundamentals of environmetnal sampling and
analysis, John Wiley & Sons, (2007).
M. Eisenbud, T. Gesell, Environmental radioactivity from natural,
industrial and military sources, Academic press, (1997).
H. Israël, A. Krebs. Nuclear Radiation in Geophysics, Springer
Berlin Heidelberg, (1962)

5


HÌNH THỨC KIỂM TRA
Bài tập thường kỳ (20%)
 Giữa kỳ
(30%) (Thi viết)
 Cuối kỳ
(50%) (thi viết)


6


An toàn phóng xạ

Khoảng cách

Thời gian

Che chắn

7


Bức xạ tự nhiên
Tổng 2.4 mSv / year

Bức xạ vũ trụ, 0.4 mSv

Bức xạ trong đất,
0.5 mSv

Hít thở
1.2 mSv

Ăn uống, 0.3 mSv
8


Liều bức xạ trong đời sống
Tự nhiên

mSv/y

Brasil

Trung bính

Nhân tạo

CT scan (1 lần)

Legal limit
X-ray (bao tử)

Chuyến bay

(Ngực)

Near LWR
(< 0.001)

9


Chương 0: Tương tác của bức xạ với vật chất

Röntgen Becquerel

Pierre & Marie
Curie
1898

1895

1896

Discovery
of X-ray

Spontaneous
radioactivity Discovery of Ra, Po

Hahn

1938
Discovery of
fission
10


11


Mrs. Röntgen's hand

(Dec. 22, 1895)

12


HẠT NHÂN
A

X

N
Z
4
2

Hoặc

He

X-A
He-4
X: Kì hiệu hóa học

A=Z+N
4

2

2

A: Số khối

Z: Số nguyên tử (điện tìch)
N: Số Neutron

13


- Đồng vò tự nhiên :Là các đồng vò tồn tại
trong tự nhiên.

- Đồng vò nhân tạo : Là các đồng vò được
tạo ra từ máy gia tốc hay phản ứng hạt
nhân.
-Đồng

vò phóng xạ :Một số đồng vò tự nhiên
và hầu hết các đồng vò nhân tạo đều phát
bức xạ để trở thành đồng vò bền.
14


Chuỗi 238U

Chuỗi 232Th

15


4

Loại bức xạ
Điện tìch và Khối lượng nghỉ
X - ray

Chrct. X - ray, Bức xạ hãm

Loại

X - ray

Photon
γ- ray, Positron annihilation photon

γ- ray
Electron

Bức xạ

Gia tốc electrong
Electron thứ cấp
β- ray

β- ray, β+ ray

α- ray
Accel. particle
Neutron
BX vũ trụ

p, d, He, , , ,
N nhiệt , n nhanh
Sơ cấp, thứ cấp

X
γ

0
0

e-

khối lượng

0
0

-1

0.00054858

β- ray

β-

-1

ditto

β+ ray

β+

+1

ditto

Proton

p

+1

1.0072765

Deuteron

d

+1

2.013553

α- ray

Hạt

ký hiệu điện tìch

α

+2

Neutron

n

Fission
fragmen

FP

0

4.0015061
1.0086650
80 ~ 108
128 ~ 155

1) Điện tìch 1e = 1.60219 x10 - 19 Coulomb
2) Đơn vị (u)
1u = 1.66056 x10 - 27 kg

16


20

Nguyên lý đo lường bx
Loại bức xạ

Hạt mang điện
α-ray, β-ray

Năng lượng
của BX

Tương tác
Electron thứ cấp

Đại lượng
quan sát

Ion hóa
Tìn hiệu dòng hoặc thế

Bộ KĐ

Ánh sáng

Other

Detector
Ghi BX

Thay đổi đặc trưng
hóa học và vật lý
Hiệu ứng Cherenkov
Khác

TH xung

SCA, Scaler
Volt kế

Proton, α-particle, etc.

Bộ KĐ

TH dòng trực tiếp

Biễn diễn

PUHN

Kìch thìch

PMT, Photo-diode

Ghi nhận
tìn hiệu

Neutron

Photon
X-ray, γ-ray

Số đếm

Thiết bị
điện tử
MCA

Phổ

17


SƠ LƢỢC VỀ HỆ ĐO HẠT NHÂN

18


SƠ LƢỢC VỀ HỆ ĐO HẠT NHÂN
Máy phát
xung

Oscillocope

(hoặc nhạy thế)

• Detector: tạo xung dòng
• Tiền khuếch đại: tạo xung e mũ

• Khuếch đại: tạo xung Gauss (thìch hợp cho mục đìch đo năng lượng)
• Máy phát xung: tạo xung thay thế cho detector để hiệu chỉnh hoặc
kiểm tra thiết bị.

• Oscillocope: dùng để kiểm tra dạng xung

19


Phân hạch U-235
neutron

U-235
U-23６

U-235

U-23６

U-235
U-23６
Thanh điều khiển

20


7

Ion hóa và kìch thìch bởi α- hoặc β- rays

α-ray hoặc β-ray mất một phần năng lượng do ion hóa và kìch thìch vật liệu, và tạo
ra các electron và ion dương. Năng lượng trung bính để sinh ra a electron & ion Ià
25 ~ 40 eV trong khì, và 3 ~ 5 eV trong vật liệu rắn.
Quá trính ion hóa

β- ray

Giải thìch
δ-ray

β-ray
Nucleus
Orbital
electrons

Electron

Electron

Ion hóa và kìch thìch trong mức nl của electron
Neutral
atom

Ionized
electron

δray

Positive
ion

Excited
atom

δ- ray là electron mang năng lượng
có khả năng ion hóa nguyên tử khác.
Nếu nt trung hòa bắt electrong sẽ trở
thành ion âm. Cuối cùng toàn bộ năng
lượng bức xạ chuyển thành nhiệt năng.

Quá trính kìch thìch

Quá trính ion hóa
Free electron

excited

α- ray

or β- ray

N

N

M

M

L

L

K

K

α- ray

or β- ray21


8

Đặc trưng hấp thụ của α- rays
KL của hạt α thí nặng hơn 7,300 lần
electron. Do đó, đường đi trong vật chất

gần như là đường thẳng ví ìt khi giật lui
khi va chạm với các electron.
Số cặp electron-ion được tao ra do sự
ion hóa dọc đường đi được gọi là đường
cong Bragg curve, như trong hính.
đường đi α- ray trong không khì

Đặc trưng hấp thụ của α-rays trong vật chất

được chỉ ra bên dưới và quãng chạy (R) torng
không khì là một hàm của năng lượngy (E)
được cho bởi pt thực nghiệm sau.
R = 0.318 E 3/2
Vì dụ
R = 3.88 cm (tại 1atm, KK) cho E = 5.3 MeV.
Quãng chạy của α- rays với NL 5 ~ 8 MeV trong
Si là 25 ~ 50μm .

100

Rời rạc

Truyền qua (%)

Q chạy (R)

Số cặp ion

ĐC Bragg của α- rays

50

Chiều dài (x)

R trung bính

out

R ngoại suy
d
0

KT

in

0

10

20

30

40

50

60

Bề dày hấp thụ d (mm)

Đường cong hấp thụ và quãng chạy
của chùm α- rays hẹp

22


23


46

Hệ phổ kế α-ray
Detector Si thường dùng đo phổ α-ray.
Độ phân giải năng lượng là 15 ~ 20 keV
Đối với detector Si có đường kình 2 ~ 3 cm.

Phổ kế α-ray có vùng năng lượng 4 ~ 8
MeV

α-ray spectrometer

Multichannel analyzer(MCA)

Mở
KĐ
Source holder

MCA

Phân tìch phổ

Buồng CK

Buồng phải được hút
chân không
24


Phổ Alpha của 235U

25