Khảo sát và mô phỏng tính toán các cấu hình che chắn của một số nguồn bức xạ gamma bằng phương pháp monte carlo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH THỤY VI

KHẢO SÁT VÀ MƠ PHỎNG TÍNH TỐN CÁC CẤU HÌNH CHE CHẮN
CỦA MỘT SỐ NGUỒN BỨC XẠ GAMMA BẰNG PHƢƠNG PHÁP
MONTE CARLO

Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT
Mã số:

604417

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2013


Cơng trình đƣợc hồn thành tại:
Trƣờng Đại học Bách Khoa –ĐHQG - TP.HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học :TS. HUỲNH QUANG LINH

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ....................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM, ngày .
. . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ............................................................
2. ............................................................

3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA: KHOA HỌC ỨNG DỤNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN CAO HỌC
Họ và tên học viên: HUỲNH THỤY VI

Phái: Nữ

Ngày tháng năm sinh: 10/10/85

MSHV:11120683

Nơi sinh: Bình Định
I. TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT VÀ MƠ PHỎNG TÍNH TỐN CÁC CẤU HÌNH CHE
CHẮN CỦA MỘT SỐ NGUỒN BỨC XẠ GAMMA BẰNG PHƢƠNG PHÁP
MONTE CARLO.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1.Tổng quan các vấn đề chính liên quan đến đề tài, bao gồm:
-Tổng quan về bức xạ gamma, các quá trình tƣơng tác chủ yếu của gamma với
vật chất, giới thiệu các đại lƣợng đo lƣờng hạt nhân đặc trƣng và an toàn phóng
xạ.
-Tổng quan về phƣơng pháp tính tốn giải tích về che chắn bức xạ hạt nhân.
2. Áp dụng chƣơng trình PENELOPE 2006 mơ phỏng một số cấu hình che chắn bức
xạ gamma.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07.2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06.2013
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS HUỲNH QUANG LINH
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

TRƢỞNG KHOA

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

ĐHBK TP.HCM 2013

LỜI CẢM ƠN

Trƣớc tiên tôi xin gởi lời chân thành cảm ơn đến TS. Huỳnh Quang Linh đã định
hƣớng, tận tình hƣớng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến quý báu và tạo mọi điều kiện thuận
lợi nhất cho tơi hồn thành luận văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn về chuyên môn cũng nhƣ hỗ trợ
nhiều mặt của các thầy cô giáo trong khoa Khoa Học Ứng Dụng trƣờng Đại học Bách
Khoa TP.HCM.
Nhân đây tôi cũng xin cảm ơn gia đình và cơ quan nơi tơi đang công tác đã động
viên, ủng hộ về mặt tinh thần và vật chất, tạo điều kiện và giúp đỡ để tơi có thể n tâm
theo học cao học và hồn thành cơng trình nghiên cứu của mình.


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

ĐHBK TP.HCM 2013

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Bên cạnh những ứng dụng tích cực to lớn mang lại cho cuộc sống, bức xạ hạt nhân,
trong đó có bức xạ gamma, cũng có rất nhiều tác hại nguy hiểm cho sức khỏe con
ngƣời và môi trƣờng. Do đó che chắn bức xạ đóng vai trị rất quan trọng trong việc sử
dụng, vận chuyển các nguồn bức xạ ion hóa. Trên thực tế việc tính tốn thiết kế che
chắn các nguồn bức xạ gamma vẫn thƣờng đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp giải tích
cho những cấu hình hình học đơn giản, nhƣng với những cấu hình phức tạp, phƣơng
pháp giải tích có những trở ngại dẫn đến việc ƣớc lƣợng mang tính gần đúng nhiều lúc
vƣợt quá yêu cầu cần thiết. Do vậy, việc sử dụng các chƣơng trình Monte Carlo mơ
phỏng q trình lan truyền bức xạ trong vật chất có thể khắc phục nhƣợc điểm trên và
mặt khác là một lựa chọn nhằm kiểm tra độ tin cậy của các phƣơng pháp tính tốn giải
tích. Việc ứng dụng chƣơng trình mơ phỏng Monte Carlo cho mục đích che chắn an
tồn bức xạ là một kỹ năng nghiên cứu cần phát triển để tăng cƣờng công cụ hiệu quả
trong kỹ thuật hạt nhân thực nghiệm.
ABSTRACT

Besides the tremendous positive applications brought to life, nuclear radiation including
gamma radiation causes a lot of harmful effects for human health and environment.
Therefore radiation shielding plays a very essential role in managing and transporting
ionizing radiation sources. In fact the design and calculation of gamma radiation sources
shielding is usually done by analytical methods for the simple geometric structure, but
for the complex configuration analytic methods have some obstacles leading to the
approximate estimation sometimes exceeding the necessary requirements. Using Monte
Carlo simulation of the propagation of radiation in matter can overcome the above
disadvantages and otherwise is an option to check the reliability of the analytical
method. The application of Monte Carlo simulation program for the purpose of
radiation shielding needs to develop as an essential research skill to enhance
effectiveness in experimental nuclear techniques.


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

ĐHBK TP.HCM 2013

LỜI CAM ĐOAN
---o0o--

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu do tôi thực hiện, không lấy kết quả
của ngƣời khác hoặc nhờ ngƣời khác làm giúp. Nếu có gì vi phạm, tơi xin hồn tồn
chịu trách nhiệm.
Ngƣời cam đoan

Huỳnh Thụy Vi


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

1

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.......................................................................................... 4
LỜI MỞ ĐẦU– MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN .......................................... 5
CHƢƠNG I:TƢƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT ...................... 8
1.1.Bản chất của tia gamma ......................................................................................
8
1.1.1. Tia Gamma ................................................................................................................. 8
1.1.2. Tính chất của tia gamma ........................................................................................ 10
1.2. Tƣơng tác của tia gamma với vật chất .................................................................... 11
1.2.1. Hiệu ứng quang điện ............................................................................................... 11
1.2.2. Hiệu ứng Compton .................................................................................................. 14
1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp ..................................................................................................... 16
1.3. Sự suy giảm của chùm bức xạ gamma khi đi qua vật chất ..................................... 17
1.3.1. Sự suy giảm của chùm gamma hẹp ....................................................................... 19
1.3.2. Sự suy giảm của chùm gamma rộng. Hệ số tích luỹ ........................................... 20
1.3.2.1. Hệ số hấp thụ tuyến tính .............................................................................. 21
1.3.2.2. Hệ số suy giảm khối ..................................................................................... 22
1.4. Các đơn vị, khái niệm trong an tồn phóng xạ ....................................................... 23
1.4.1. Liều hấp thụ .............................................................................................................. 23
1.4.2. Suất liều hấp thụ ...................................................................................................... 24
1.4.3. Liều chiếu ................................................................................................................. 24
1.4.4. Suất liều chiếu .......................................................................................................... 24
1.4.5. Liều tương đương .................................................................................................... 25
1.4.6. Liều hiệu dụng .......................................................................................................... 26
1.4.7. Mối tương quan giữa các đơn vị đo bức xạ ......................................................... 27
1.5. Mức chiếu xạ đƣợc phép giới hạn ........................................................................... 28

CHƢƠNG II:SỰ CHE CHẮN BỨC XẠ GAMMA ...................................................... 30
2.1. Tổng quan những nghiên cứu che chắn bức xạ từ trƣớc đến nay ........................... 30
2.2. Kỹ thuật bảo vệ chống bức xạ ................................................................................. 35
2.2.1. Thời gian chiếu xạ ................................................................................................... 35
2.2.2. Khoảng cách tới nguồn ........................................................................................... 35
2.2.2.1. Nguồn điểm ................................................................................................... 35
2.2.2.2. Nguồn có kích thước .................................................................................... 36
2.2.3. Che chắn bức xạ ...................................................................................................... 38
2.2.3.1. Bảo vệ sơ cấp ................................................................................................ 38
2.2.3.2. Bảo vệ thứ cấp .............................................................................................. 40

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

2.3. Các tính toán bảo vệ chống bức xạ gamma (theo độ bội quy giảm) có chú ý tới hệ
số tích lũy ....................................................................................................................... 41
2.3.1. Sự suy giảm cường độ của chùm bức xạ............................................................... 41
2.3.2. Hệ số tích lũy ............................................................................................................ 41
2.3.2.1. Định nghĩa ..................................................................................................... 42
2.3.2.2. Các loại hệ số tích lũy liên quan đến đặc trưng của bức xạ tới ............. 42
2.3.2.3. Các loại hệ số tích lũy liên quan đến đặc trưng của môi trường ........... 44
2.3.2.4. Đối với môi trường che chắn có nhiều lớp ................................................ 45
2.3.3. Độ bội suy giảm ....................................................................................................... 46
2.3.4. Tính tốn bề dày lớp bảo vệ theo các lớp suy giảm một nửa ............................. 46
2.3.4.1. Đối với nguồn gamma đơn năng ................................................................ 46
2.3.4.2.Đối với nguồn gamma đa năng .................................................................... 47
2.4 Che chắn nguồn gamma có dạng hình học khác nhau ............................................. 48
2.4.1.Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình học điểm ........................................... 48

2.4.2. Che chắn nguồn gamma có dạng hình học bất kì ................................................ 50
2.4.2.1.Che chắn nguồn gamma có dạng hình học dây thẳng ............................... 50
2.4.2.2.Che chắn nguồn bức xạ gamma dạng hình trịn......................................... 52
2.4.2.3.Che chắn nguồn gamma dạng hình học cầu rỗng ...................................... 54
2.4.2.4.Che chắn nguồn gamma dạng hình học cầu đặc ........................................ 55
2.4.2.5.Suất liều chiếu khi nguồn mặt trụ............................................................... 58
CHƢƠNG III:THỰC HÀNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHE CHẮN BỨC XẠ
GAMMA ........................................................................................................................ 65
3.1. Phƣơng pháp giải tích ..................................................................................................... 65
3.1.1. Nguồn bức xạ gamma dạng hình học điểm ......................................................... 65
3.1.2. Nguồn bức xạ gamma dạng trụ đặc...................................................................... 68
3.2. Phƣơng pháp Monte Carlo- Chƣơng trình Penelope .................................................. 71
3.2.1. Chương trình mơ phỏng PENELOPE ................................................................. 73
3.2.2. Tính suất liều của nguồn bức xạ dạng hình học điểm và nguồn hình trụ đặc 81
3.2.3. Sự phụ thuộc của liều hấp thụ vào góc tán xạ…………………………………….91
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 95
Phụ lục 1 : Các hằng số của các nguồn phóng xạ ......................................................... 97
Phụ lục 2 : Các hằng số A1, 1, 2, D,  của 1 số vật liệu che chắn ............................ 98

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

2


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

3

DANH MỤC CÁC BẢNG

Stt

Ký hiệu

Tên bảng

1

1.1

2

1.2

3

1.3

Mối tƣơng quan giữa các đơn vị đo bức xạ

27

4

1.4

Giới hạn liều qua các thời kỳ của ICRP

28

5

1.5

LLĐPGH một quí hoặc một năm

28

6

2.1

Bảng bề dày HVT và TVT của chì, sắt và bê tơng

39

7

2.2

8

2.3

Hệ số Q với một số loại bức xạ
Các trọng số mô đặc trƣng cho các mô trong cơ thể WT
(1990)

Bảng suất liều tán xạ của tia gamma và tia X đối với

bêtông
Hệ số

đối với nguồn điểm đẳng hƣớng của một

vài vật liệu che chắn

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

Trang
25
26

40

45


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Stt Ký hiệu

Tên hình

Trang

1

1.1

Phổ của một nguồn gamma

10

2

1.2

Q trình xảy ra hiện tƣợng quang điện

12

3

1.3

4

1.4

5

1.5

6

1.6

Quá trình tạo cặp

16

7

1.7

Sự phụ thuộc của tiết diện tạo cặp vào năng lƣợng E 

17

8

1.8

9

1.9

Sự suy giảm của chùm gamma khi đi qua vật chất

20

10

2.1

Dạng hình học tính suất liều gamma của nguồn có độ dài l

37

11

2.2

Lớp bảo vệ sơ cấp và thứ cấp

38

12

2.3

Nguồn điểm với lớp che chắn dạng tấm

48

13

2.4

Nguồn gamma dạng dây

50

14

2.5

Nguồn gamma dạng dây tròn

53

15

2.6

Nguồn gamma dạng dây tròn

55

16

2.7

Nguồn gamma dạng cầu đặc

56

17

2.8

Nguồn gamma dạng trụ đặc không che chắn

58

18

2.9

19

2.10

Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng
lƣợng của photon gamma
Quá trình tƣơng tác Compton

13
14

Sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton vào năng
lƣợng E 

15

Sự phụ thuộc của tiết diện tƣơng tác của lƣợng tử gamma
vào năng lƣợng E 

Suất liều nguồn trụ đặc khi đƣợc che dọc bởi tấm che có
bề dày d
Suất liều của nguồn trụ đặc khi che ngang bởi tấm che có
bề dày d

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

18

61

63


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

LỜI MỞ ĐẦU – MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
Kể từ khi Becquerel phát hiện ra hiện tƣợng phân rã phóng xạ, con ngƣời chúng ta đã ý
thức đƣợc xung quanh chúng ta ngập tràn các loại bức xạ, và giờ đây phóng xạ và bức
xạ đã trở thành những khái niệm quen thuộc. Tia gamma và tia X là sóng điện từ có
năng lƣợng từ 50 keV trở lên. Vì thế, sức xuyên thấu của nó rất lớn và chỉ có thể chặn
lại bằng vật liệu có nguyên tử lƣợng lớn nhƣ chì hoặc bêtơng, nƣớc nặng. Khi nói đến
bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi ngƣời thƣờng nghĩ ngay đến tác hại
của nó. Tác hại của bức xạ hạt nhân đƣợc thể hiện rõ rệt qua hậu quả hai quả bom
nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản trong chiến tranh thế giới thứ II. Và gần đây là
các thảm họa nhà máy điện hạt nhân Mayak (Liên xô, 1957) Three Miles Island (Mỹ,
1979), Trecnobƣn (Liên xô, 1986), Fukushima (Nhật, 2011). Khi đi qua vật chất các
photon va chạm và tƣơng tác với các nguyên tử của vật chất theo các hiệu ứng hấp thụ
và tán xạ. Trong các q trình đó chúng có thể truyền một phần hoặc hồn tồn năng
lƣợng của mình cho vật chất. Khi hấp thụ năng lƣợng của tia gamma, các nguyên tử
phân tử của vật chất bị biến đổi, trở thành các ion. Chính sự biến đổi này có thể dẫn tới
sự phá huỷ cấu trúc của vật chất.
Với liều lƣợng khá lớn, bức xạ ion hóa có thể gây ra các tác động có hại cấp tính tới
sức khoẻ và có thể dẫn tới tử vong đối với con ngƣời. Bên cạnh đó cịn có những tác
dụng phụ ảnh hƣởng tới hệ thống thần kinh trung ƣơng, hệ thống tiêu hóa, hệ thống hơ
hấp. Phổ biến nhất là những bệnh nhân ung thƣ trải qua xạ trị thƣờng phải chịu rất
nhiều tác dụng phụ nhƣ: rụng tóc, đau bụng, giảm lƣợng bạch cầu trong máu, kích ứng
da, loét miệng,.. Với liều lƣợng nhỏ, bức xạ ion hóa có thể gây ra những tác động lâu

dài mang tính ngẫu nhiên ảnh hƣởng đến việc tạo đột biến trên bản thân ngƣời bị chiếu
nhƣ gây ung thƣ, bất hoạt cơ quan hoặc ảnh hƣởng di truyền về sau.
Tuy nhiên, bức xạ hạt nhân có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ
thuật công nghệ, nông nghiệp, y học, mơi trƣờng vv… Có thể kể đến các ứng dụng của
GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

5


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

bức xạ nhƣ : sản xuất vật liệu cách điện, bền nhiệt, polymer, khử trùng các dụng cụ y
tế, ứng dụng trong chụp ảnh công nghiệp, sử dụng bức xạ gamma cƣờng độ cao cho
các mục đích khử trùng, biến tính vật liệu, bảo quản thực phẩm và nông sản, cải tạo
sinh khối, chế tạo một số chế phẩm bằng bức xạ, trong nông nghiệp sử dụng bức xạ
gamma kết hợp với những tác nhân khác để cải tạo giống cây trồng, sử dụng đồng vị
đánh dấu để nghiên cứu các quá trình sinh học. Các ứng dụng khác dùng trong các
ngành công nghiệp nhƣ xi măng, giấy, thủy tinh, công nghiệp thực phẩm, xây dựng,
giao thơng vận tải, cơ khí nhƣ đo độ ẩm, mật độ, cân trọng lƣợng và ứng dụng để thăm
dị, khai thác dầu khí. Nhiều trƣờng đại học, viện nghiên cứu sử dụng nguồn bức xạ
trong công tác nghiên cứu và giảng dạy. Trong ngành hải quan, nguồn bức xạ dùng
trong các máy soi hành lý.
Do mức độ tăng vọt của các hình thức thƣơng mại hóa hạt nhân nguyên tử nên nỗi lo
lắng của ngƣời dân về năng lƣợng hạt nhân vẫn không giảm bớt. Trong 3 năm qua, thế
giới đã 3 lần tổ chức các hội nghị thƣợng đỉnh về an ninh hạt nhân. Hội nghị nào cũng
thu hút sự tham dự của đông đảo nguyên thủ các nƣớc cùng lãnh đạo các tổ chức quốc
tế lớn, cho thấy tầm quan trọng của vấn đề này. Việt Nam và Ủy ban châu Âu vừa họp
bàn về những mong đợi của hai bên trong tƣơng lai ở lĩnh vực an toàn hạt nhân. Dự án
hợp tác an tồn hạt nhân giữa châu Âu và Việt Nam có giá trị 2 triệu euro và sẽ đƣợc
thực hiện trong 3 năm. Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của Việt Nam dự kiến đặt tại

tỉnh Ninh Thuận, gồm hai nhà máy có tổng cơng suất 4.000 MW. Theo kế hoạch, nhà
máy điện hạt nhân Ninh Thuận 1 sẽ đƣợc khởi công năm 2014 và bắt đầu phát điện
năm 2020. Dự kiến, năm 2015 sẽ triển khai tiếp nhà máy điện Ninh Thuận 2. Việc
nghiên cứu và hiểu biết về kỹ thuật che chắn an toàn bức xạ giúp chúng ta tìm ra giải
pháp, tiêu chí an tồn nhất khi sử dụng, tiếp xúc với bức xạ trong khi vẫn khai thác
đƣợc những lợi ích, tiềm năng đa dạng của nó.
Thực tế, việc tính tốn thiết kế che chắn các nguồn bức xạ gamma vẫn thƣờng đƣợc
thực hiện bằng phƣơng pháp giải tích cho những cấu hình hình học đơn giản, nhƣng
GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

6


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

với những cấu hình phức tạp, phƣơng pháp giải tích có những trở ngại dẫn đến việc
ƣớc lƣợng mang tính gần đúng nhiều lúc vƣợt quá yêu cầu cần thiết. Do vậy, việc sử
dụng các chƣơng trình Monte Carlo mơ phỏng q trình lan truyền bức xạ trong vật
chất có thể khắc phục nhƣợc điểm trên và mặt khác là một lựa chọn nhằm kiểm tra độ
tin cậy của các phƣơng pháp tính tốn giải tích. Việc ứng dụng chƣơng trình mơ phỏng
Monte Carlo cho mục đích che chắn an tồn bức xạ là một kỹ năng nghiên cứu cần
phát triển để tăng cƣờng công cụ hiệu quả trong kỹ thuật hạt nhân thực nghiệm. Với
tổng quan trên, đề tài “Khảo sát và mơ phỏng tính tốn các cấu hình che chắn của
một số nguồn bức xạ gamma bằng phƣơng pháp Monte Carlo” đƣợc thực hiện với
mục tiêu và nhiệm vụ đƣợc đề ra nhƣ sau:
Mục tiêu của đề tài:
Khảo sát các phƣơng pháp tính tốn giải tích kỹ thuật che chắn bức xạ gamma và thực
hiện mơ phỏng việc tính tốn che chắn bằng phƣơng pháp Monte Carlo qua chƣơng
trình PENELOPE 2006.
Các nhiệm vụ của đề tài:

-Khảo sát tổng quan về kỹ thuật che chắn bảo vệ an toàn bức xạ hạt nhân.
-Tổng quan về bức xạ gamma, các quá trình tƣơng tác chủ yếu của gamma với vật
chất, giới thiệu các đại lƣợng đo lƣờng hạt nhân đặc trƣng và an tồn phóng xạ.
-Tổng quan về phƣơng pháp tính tốn giải tích về che chắn bức xạ hạt nhân.
-Giới thiệu về chƣơng trình mơ phỏng sự lan truyền photon và electron năng lƣợng cao
trong vật chất PENELOPE 2006
-Sử dụng chƣơng trình PENELOPE 2006 mơ phỏng một số cấu hình che chắn bức xạ
gamma.

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

7


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

8

CHƢƠNG I
TƢƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT
1.1.Bản chất của tia gamma [1]
1.1.1. Tia Gamma
Bức xạ gamma là hiện tƣợng hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao về
trạng thái kích thích thấp hơn hay trạng thái cơ bản bằng cách phân rã bức xạ gamma.
Hạt nhân sau khi phân rã gamma không thay đổi số khối A và điện tích Z. Cơng thức
của q trình là:
( Z X A )* Z X A  

(1.1)

Nhƣ vậy phân rã Gamma chỉ xảy ra trong hạt nhân kích thích. Hạt nhân kích thích
có thể thu đƣợc bằng nhiều cách. Trong phản ứng hạt nhân do kết quả bắn phá bởi các hạt
tích điện, hạt nơtron và các photon khác mà hạt nhân bia sẽ đƣợc nâng lên trạng thái kích
thích. Sau phân rã anpha và bêta hạt nhân mới tạo thành có thể nằm ở trạng thái kích thích.
Đây là cách đơn giản và phổ biến nhất để thu đƣợc những hạt nhân bức xạ gamma.
Tia gamma là các sóng điện từ có bƣớc sóng cực ngắn ( 10

14

m  10 12 m ) phát

ra trong sự phân rã của hạt nhân nguyên tử. Cần chú ý là tia gamma và tia Rơnghen
đều là các sóng điện từ nhƣng gamma có bƣớc sóng ngắn hơn, độ đâm xuyên lớn hơn (
có thể xuyên qua lớp vật liệu dày nhƣ xuyên qua 10cm Pb). Điểm khác biệt cơ bản, bản
chất của 2 loại tia ở chỗ: Gamma phát ra từ hạt nhân nguyên tử còn tia rơnghen phát ra
bởi sự dịch chuyển trạng thái từ trạng thái năng lƣợng cao về trạng thái năng lƣợng
thấp hơn của các electron trong lớp vỏ nguyên tử. Tia rơnghen đƣợc tạo ra khi các điển
tử bị hãm, những điện tử có tốc độ cao đến gần ( bay ngang qua) hạt nhân mang điện
dƣơng chúng chịu một sức hút và chuyển động chậm lại. Trong quá trình bị làm chậm

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

hoặc bị hãm chúng bị mất đi một phần động năng ban đầu dƣới dạng tia Rơnghen (
theo điện động lực học cổ điển ). Đôi khi điện tử bị dừng lại tức thì, khi đó tồn bộ
năng lƣợng của chúng đƣợc chuyển thành năng lƣợng cực đại của bức xạ Rơnghen ( có
bƣớc sóng cực tiểu ).
Trong ống phóng tia Rơnghen, khi các electron đập vào bia thì tốc độ của

chúng thay đổi liên tục trong trƣờng Culông của các nguyên tử bia hay nói cách khác
năng lƣợng của các electron bị mất dần, do đó các tia rơnghen phát ra có bƣớc sóng
thay đổi liên tục trong một dải rộng vì vậy phổ của nó là một phổ liên tục.
Các đồng vị phóng xạ phát ra một hoặc nhiều loại sóng. Do vậy trong phổ của nó có
cách vạch khác nhau tƣơng ứng với các sóng đó.
Ví dụ :

60

Co ( T=5,2714 năm ) phát ra 2 loại sóng trội ở 1173,228 KeV và 1332,490

KeV.
137
57

Cs ( T=30,07 năm ) phát ra 1 loại sóng trội ở 661,657 KeV.

Co ( T= 271,79 ngày ) phát ra 3 loại sóng trội 14,6 KeV, 122,06 KeV, 136,47 KeV.

241

Am ( T=432,2 năm ) phát ra 2 loại sóng trội 26,3446 KeV và 54,5409 KeV.

Tất cả các nguồn gamma đều có dạng phổ vạch ( Tức là có năng lƣợng xác định và có
các đỉnh đặc trƣng cho năng lƣợng của chúng là rời rạc ) khác với phổ của tia rơnghen.
Thƣờng ngƣời ta mô tả một tia gamma nhất định bằng năng lƣợng của nó hơn là biểu
diễn nó theo chiều dài bƣớc sóng. Ví dụ nhƣ phổ của một nguồn gamma có dạng nhƣ
sau :

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

9


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

Cƣờng độ

10

Số kênh
Hình 1.1: Phổ của một nguồn gamma

1.1.2. Tính chất của tia gamma
- Khơng nhìn thấy đƣợc bằng mắt thƣờng.
- Khơng cảm nhận đƣợc bằng các giác quan của con ngƣời.
- Có khả năng làm cho một số chất phát quang. Một số có tính chất nhƣ vậy là Canxi,
Bari, Diamon ( Kim cƣơng )….
- Chúng chuyển động với vận tốc của ánh sáng
- Có hại đối với các tế bào sống, nói chung nó nguy hiểm đối với sức khoẻ của con
ngƣời cần phải rất cẩn thận khi làm việc, tiếp xúc với nó.
- Có thể ion hố vật chất ( Đặc biệt với chất khí, chất khí rất dễ bị Ion hoá để trở thành
các điện tử và Ion dƣơng ).
- Tuân theo các định luật cơ bản của ánh sáng ( Phản xạ, khúc xạ, truyền theo đƣờng
thẳng ).
- Tuân theo qui luật : Cƣờng độ của nó tỉ lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách giữa
nguồn phát và một điểm xác định trong không gian.

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

11

- Có thể xuyên qua những vật mà ánh sáng không thể xuyên qua đƣợc. Độ đâm xuyên
của nó phụ thuộc vào năng lƣợng của phôtôn gamma, mật độ và chiều dày lớp vật chất.
Qui luật hấp thụ của phơtơn gamma có dạng tổng quát nhƣ sau:
I = Io. e   . x .B
Trong đó: I, Io ,  , x, B lần lƣợt là cƣờng độ chùm tia tại vị trí x, cƣờng độ chùm
tia ban đầu, hệ số hấp thụ, chiều dày lớp vật chất mà phôtôn đã xuyên qua (mà tại đó
gamma có cƣờng độ I ), hệ số Builup (sẽ xem xét ở phần sau).
- Chúng tác dụng lên lớp nhũ tƣơng của phim ảnh.

1.2. Tƣơng tác của tia gamma với vật chất
Khi đi vào môi trƣờng vật chất, các photon năng lƣợng cao cỡ MeV có thể
tƣơng tác với các nguyên tử của môi trƣờng với 3 kiểu tƣơng tác chính là hiệu ứng
quang điện, hiệu ứng Compton và sự sinh cặp (do photon năng lƣợng cao nên bỏ qua
tán xạ Rayleigh).
1.2.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là quá trình tƣơng tác của lƣợng tử gamma với electron liên kết
trong nguyên tử.
Trong hiệu ứng quang điện photon va chạm không đàn hồi với nguyên tử của vật chất
và nó truyền tồn bộ năng lƣợng của mình cho electron kiên kết của nguyên tử ( photon
gamma bị biến mất ). Năng lƣợng ấy một phần để chiến thắng sự liên kết với hạt nhân
nguyên tử , phần còn lại biến thành động năng của electron bay ra.
Về mặt năng lƣợng :

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

h.  Wd  Elk

12

(1.2.1)

Đặc điểm của hiệu ứng quang điện là chỉ xảy ra khi năng lƣợng của lƣợng tử gamma
lớn hơn năng lƣợng liên kết của electron ( E  Ee ). Hiệu ứng quang điện xảy ra càng
mạnh khi liên kết của electron trong nguyên tử bền vững và hầu nhƣ khơng xảy ra với
electron có liên kết yếu, đặc biệt là khi năng lƣợng liên kết của lƣợng tử gamma
E  Ee . Điều này định luật bảo toàn năng lƣợng và xung lƣợng của các hạt tham gia

phản ứng khơng cho phép. Nói chung, hiệu ứng quang điện thƣờng xảy ra ở các lớp
electron phía trong.
Tia X đặc trƣng

e quang điện
Gamma tới

Hình 1.2: Quá trình xảy ra hiện tượng quang điện
Khi phát ra electron quang điện, nguyên tử bị giật lùi một chút để bảo toàn xung
lƣợng nhƣng vì khối lƣợng của nguyên tử lớn hơn rất nhiều so với khối lƣợng của
electron nên động năng giật lùi này có thể bỏ qua trong phƣơng trình (1.2.1).
Có thể có thêm một số electron phát ra cùng một electron quang điện nhất là ở
các nguyên tử nặng. Quá trình đó đuợc gọi là hiệu ứng Auger. Trong đó khi electron
quang điện phát ra từ các lớp trong ( lớp K chẳng hạn) thì ngun tử nằm ở trạng thái
kích thích và năng lƣợng kích thích này biến mất bằng cách giải phóng thêm một hay

vài electron liên kết yếu. (đƣợc gọi là electron Auger ).
GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

13

Sự phân bố khơng gian ( phân bố góc ) của các electron trong hiệu ứng quang điện rất
đặc trƣng. Khi các photon gamma có năng lƣợng nhỏ thì các electron quang điện bay ra
chủ yếu theo phƣơng vng góc với phƣơng truyền của tia gamma tới. Khi tăng năng
lƣợng của gamma hình ảnh phân bố thay đổi. Các electron quang điện ƣu tiên bay về
phía truớc theo hƣớng tạo với hƣớng truyền của gamma một góc càng nhỏ nếu năng
lƣợng của gamma càng lớn.
Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện  vào năng lƣợng gamma khá phức
tạp:
+ Đối với mỗi lớp electron, khuynh hƣớng chung của sự phụ thuộc là  ~
+ Đối với E  E K thì  ~
+ Đối với E  E K thì  ~

1
E3

1
E7/2
1
E

Sự phụ thuộc tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lƣợng của lƣợng tử gamma
đƣợc biểu diễn trên đồ thị.



EM

EL

EK

E

Hình 1.3 : Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lượng của
photon gamma
GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

14

Ta thấy rõ ràng khi đi qua các giá trị biên hấp thụ có sự nhảy bậc của tiết diện
hiệu ứng quang điện. Hay có sự nhảy bậc của hệ số hấp thụ (ở những năng lƣợng của
gamma có tiết diện hiệu ứng quang điện lớn tức là hiện tƣợng quang điện xảy ra mạnh
thì ở đó gamma bị hấp thụ mạnh hay hệ số hấp thụ lớn). Quá trình này đi kèm với việc
phát ra quang điện tử và các tia X đặc trƣng (do các electron lớp khác nhảy vào chiếm
chỗ của electron quang điện vừa bay ra, kết quả là phát ra photon tia X đặc trƣng).

1.2.2. Hiệu ứng Compton
Khi tăng năng lƣợng của photon gamma lên trên biên hấp thụ K quá trình hấp
thụ sẽ chủ yếu thay đổi từ hƣớng hấp thụ quang điện sang hƣớng Compton.

Trong hƣớng Compton, photon gamma va chạm định hƣớng với một electron tự do tạo
ra một electron chuyển động và một photon bị tán xạ. Hay nói cách khác, trong q
trình này photon gamma sẽ giống nhƣ một hạt nó sẽ truyền một phần năng lƣợng của
mình cho electron tự do làm cho electron tự do đó bật ra xa và chuyển động với vận tốc
nào đó trong khi photon ấy bị tán xạ một góc nào đó và năng lƣợng bị giảm đi.


mv
e compton

h

e nguyên tử



h
c



h '
c

Photon tán xạ

Hình 1.4: Quá trình tương tác Compton
GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

15

Áp dụng định luật bảo toàn năng lƣợng và xung lƣợng cho hệ ta có phƣơng trình sau:
h ' 

h
h
1
(1  cos  )
m0 c 2

Đây là hệ thức liên hệ giữa năng lƣợng photon tới h ; năng

lƣợng photon tán xạ h ' ; và góc tán xạ  .
Tán xạ Compton xảy ra trên các điện tử tự do và điện tử lớp ngồi có liên kết
yếu với hạt nhân bởi vì những điện tử này thực sự đƣợc coi nhƣ tự do với photon năng
lƣợng cao.
Xác suất tƣơng tác Compton tăng một cách tuyến tính với nguyên tử số của chất gây
tán xạ và giảm chậm khi tăng năng lƣợng của photon.
Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu dụng vào năng lƣợng trong hiệu ứng Compton có dạng
khác nhau tuỳ theo vùng năng lƣợng của lƣợng tử gamma.
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton vào năng lƣợng của
gamma:

 Compton

103

102

10

1

10-1

E (MeV )

0

0,1

1

10

100

Hình 1.5 : Sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton vào
năng lượng E 

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

16

1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp

Khi một photon gamma có năng lƣợng đủ lớn (  1,022MeV để tạo thành 2 điện tử )
đến gần một nguyên tử vật chất. Nó sẽ bị hấp thụ hoàn toàn và sinh ra một cặp positron
(e+) và electron (e-). Tức là photon không mang điện biến mất trong q trình này và
các điện tử có điện tích bằng nhau nhƣng trái dấu đƣợc tạo ra. Quá trình đƣợc mơ tả
nhƣ hình vẽ

e+
(pozotron)

Gamma
tới

e- (electron)

Hình 1.6: Q trình tạo cặp

Sự phụ thuộc của tiết diện tạo cặp vào năng lƣợng của photon gamma biểu diễn bằng
đồ thị sau:

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

 taocap

17

103
102

10

1
10-1
0

0,1

1

10

100
E (MeV )

Hình 1.7: Sự phụ thuộc của tiết diện tạo cặp vào năng lượng E 

Ngoài ra do e+ và e- đƣợc sinh ra trong điện trƣờng của hạt nhân nên e+ bị đẩy ra
xa hạt nhân còn e- bị làm chậm lại. Do đó phổ năng lƣợng đo đƣợc sẽ khác nhau với 2
loại hạt này. Sự khác nhau càng tăng với hạt nhân có nguyên tử số Z lớn vì ở đó tác
dụng của hạt nhân lên 2 loại hạt ấy mạnh mẽ hơn, nên sự lệch của phổ năng lƣợng rõ
hơn.Tiết diện thành phần và tiết diện tổng hợp của cả 3 quá trình đƣợc giới thiệu trên
hình 1.8.

1.3. Sự suy giảm của chùm bức xạ gamma khi đi qua vật chất
Khi một chùm tia gamma xuyên qua một lớp vật chất nào đó thì nó sẽ tƣơng tác với vật
chất và bị suy giảm cƣờng độ.

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh


Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

18

Lƣợng bức xạ bị hấp thụ phụ thuộc :
- Lƣợng bức xạ gamma tới.
-

Mật độ của lớp vật chất mà nó đi qua.

-

Chiều dày lớp vật chất đó.

Tiết diện
(cm2.g-1 )

103
102

Hiệu ứng tổng

10
Compton
1
10

Tạo cặp

Quang điện

-1

0

0,1

1

10

100
E (MeV )

Hình 1.8 : Sự phụ thuộc của tiết diện tương tác của lượng tử gamma vào năng
lượng E 
Trong thực tế tính chất này của tia gamma đƣợc sử dụng trong chụp ảnh công nghiệp:
Để phát hiện các khuyết tật bên trong của mẫu vật hay sự thay đổi về tỉ trọng bên
trong của mẫu vật. Khuyết tật bên trong của mẫu vật tức là sự thay đổi về độ dày ( lỗ
trống chẳng hạn) hoặc là sự thay đổi về tỉ trọng của nó ( nếu bên trong mẫu vật có
ngậm xỉ chất khác), thì khi tia gamma xuyên qua các chỗ ấy sẽ có sự thay đổi tƣơng
ứng về cƣờng độ so với khi xuyên qua những chỗ khác của mẫu vật, và điều này đƣợc
ghi nhận trên ảnh chụp. Dựa vào ảnh chụp ấy ngƣời ta biết đƣợc những khuyết tật bên
trong của mẫu vật để có cách khắc phục nó.
GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

Luận văn CH ngành Vật lý Kỹ thuật

19

1.3.1. Sự suy giảm của chùm gamma hẹp
Xét chùm gamma hẹp truyền vuông góc với một lớp vật chất dày x, sự tƣơng tác của
bức xạ gamma với vật chất có đặc trƣng sau: Mỗi một photon tách ra khỏi chùm tới bởi
một hành động tƣơng tác đơn độc tức là một photon sẽ tách ra khỏi chùm tia khi nó
tƣơng tác với vật chất (bị vật chất hấp thụ). Do đó số photon tách ra khỏi chùm tia N
sẽ tỉ lệ với chiều dày lớp vật chất x và tỉ lệ với số photon tới N
N  .N .x

(1.3.1)

 là hệ số làm yếu hay hệ số hấp thụ

Mà năng lƣợng của các photon là nhƣ nhau  số photon sẽ tỉ lệ với cƣờng độ dòng
bức xạ.
I  .I .x



(1.3.2)

Nếu bức xạ là đơn năng thì  là hằng số với mọi photon
 Tích phân biểu thức (1.3.2) ta đƣợc :

LnI

I

Io

 .x o  I  I o .e   . x
x

(1.3.3)

Trong đó : I o là cƣờng độ chùm tới.
I là cƣờng độ chùm truyền qua

x là chiều dày lớp vật chất mà tia gamma xuyên qua.
 là hệ số hấp thụ tuyến tính.

GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh