Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn

mục lục
1

mở đầu

Ch-ơng I: Quá trình truyền năng l-ợng và t-ơng tác của
gamma cho vật chất

4
4

1.1. Bản chất của tia gamma
1.1.1. Tia gamma

4

1.1.2. Tính chất của tia gamma

6

1.2. T-ơng tác cđa gamma víi vËt chÊt

7

1.2.1. HiƯu øng quang ®iƯn

7

1.2.2. HiƯu ứng Compton

9

1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp

11

1.3. Sự suy giảm của chùm bức xạ gamma khi đi qua vật chất

13

1.3.1. Sự suy u cđa chïm gamma hĐp

14

1.3.2. Sù suy u cđa chïm gamma réng. HÖ sè tÝch luü

15

1.3.3. HÖ sè hÊp thơ

16

1.4. LiỊu chiÕu, liỊu hÊp thơ vµ liỊu sinh häc

17

1.4.1. Liều l-ợng bức xạ

17

1.4.2. Liều hấp thụ bức xạ

18

1.4.3. Mối t-ơng quan giữa liều chiếu và liều hấp thụ

18

I.4.4. Liều t-ơng đ-ơng

19

1.4.5. Mối t-ơng quan giữa các đại l-ợng đo bức xạ

20

1.5. Liều và suất liều trong che chắn và bảo vệ bức xạ: Liều
và suất liều và hệ số gamma

20

1.6. Mối t-ơng quan giữa liều chiếu xạ và liều tán xạ

21

1.7. Quá trình truyền năng l-ợng của bức xạ gamma cho vËt

21

chÊt.

1


1.7.1. Lý thuyết cấu trúc vết

22

1.7.2. Mô hình truyền năng l-ợng

23

1.7.3. Dẫn xuất của mô hình truyền năng l-ợng

25

Ch-ơng II: T-ơng tác của gamma với vật chất sống và kĩ thuật

28

bảo vệ chống bức xạ
2.1. T-ơng tác của gamma với vật chất sống

28

2.2. Kỹ thuật bảo vệ chống bức xạ

30

2.2.1. Thời gian chiếu xạ

30

2.2.2. Khoảng cách tới nguồn

30

2.2.3. Che chắn bức xạ

32

Ch-ơng III: Ph-ơng pháp thực nghiệm nghiên cứu t-ơng tác
của gamma với vật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn.

34

3.1. Cơ sở của ph-ơng pháp

34

3.2. Dụng cụ thí nghiệm

36

3.3. Tiến hành thí nghiệm

39

3.4. Thiết kế che chắn bức xạ gamma

45

Kết luận

49

Tài liệu tham khảo

51

2


mở đầu
Kể từ khi Beccơren phát hiện ra hiện t-ợng phân rà phóng xạ, con ng-ời
chúng ta đà ý thức đ-ợc rằng: Xung quanh chúng ta ngập tràn các loại bức xạ,
và giờ đây phóng xạ và bức xạ đà trở thành những khái niệm rất gần gũi. Ngay
từ thuở sơ khai con ng-ời đà phải hứng chịu đủ mọi loại phóng xạ của vũ trụ, từ
đất đá ở môi tr-ờng xung quanh, thức ăn, n-ớc uống, không khí ta hít thở hàng
ngày và thậm chí cả bản thân con ng-ời chúng ta cũng chứa một l-ợng chất
phóng xạ nhất định.
Gamma và X là một trong các loại bức xạ có năng l-ợng cao, khả năng
đâm xuyên lớn và có thể gây tác động mạnh, nguy hiểm đến các sinh vật sống,
đến con ng-ời. Gamma và X là các loại bøc x¹ võa mang tÝnh chÊt h¹t võa mang
tÝnh chÊt sóng, về mặt vật lý chúng chỉ khác nhau về b-ớc sóng, b-ớc sóng càng
ngắn năng l-ợng của chúng càng cao.
Khi đi qua vật chất các l-ợng tử gamma va chạm và t-ơng tác với các
nguyên tử của vật chất theo các hiệu ứng hấp thụ và tán xạ, trong các quá trình
đó chúng có thể truyền một phần hoặc hoàn toàn năng l-ợng của mình cho vật
chất. Khi hấp thụ năng l-ợng của tia gamma, các nguyên tử phân tử của vật chất
bị biến đổi, trở thành các ion. ChÝnh sù hÊp thơ nµy cã thĨ dÉn tíi sù phá huỷ

cấu trúc của vật chất. Với bức xạ gamma tác dụng của chúng càng mạnh mẽ,
chúng có khả năng đâm xuyên rất lớn, do vậy chúng có thể phá huỷ cấu trúc của
những lớp vật chất ở rất sâu d-ới lớp bề mặt.
Với những liều l-ợng đủ lớn, tia gamma gây ra các tác động xấu tới sức
khoẻ và cã thĨ dÉn tíi tư vong ®èi víi con ng-êi.
Nh-ng mặt khác, bức xạ nói chung và bức xạ gama nói riêng cũng có
những ứng dụng to lớn trong sản suất và đời sống, ngày nay ngành công nghệ
bức xạ đang phát triển mạnh mẽ và không ngừng. Có thể kể đến các ứng dụng
của bức xạ nh- : sản suất vật liệu cách điện, bền nhiệt, pôlime, khử trùng các
dụng cụ y tế, ứng dụng trong chụp ảnh công nghiệp
Việc nghiên cứu và hiểu biết quá trình t-ơng tác của bức xạ gamma với
vật chất giúp chúng ta tìm ra giải pháp, tiêu chí an toàn nhất khi sử dông, tiÕp

3


xúc với bức xạ gamma trong khi vẫn khai thác đ-ợc những lợi ích, tiềm năng đa
dạng của bức xạ gamma. Nhận thức đ-ợc tầm quan trọng đó, cùng với sự h-ớng
dẫn của thầy giáo Th.S : Nguyễn Thành Công đà giúp tôi lựa chọn đề tài

Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và ứng dụng trong thiết
kế che chắn.
Nhiệm vụ của bản luận văn Trình bày các đặc điểm cơ bản về bức xạ
gamma, các quá trình t-ơng tác chủ yếu của gamma với vật chất. Giới thiệu các
đại l-ợng đặc tr-ng, một số lý thuyết về quá trình truyền năng l-ợng của bức xạ
gamma cho vật chất và giới thiệu những điểm cơ bản trong kỹ thuật bảo vệ
chống bức xạ hiện nay, từ đó tiến hành ph-ơng pháp thực nghiệm nghiên cứu
t-ơng tác của gamma víi vËt chÊt, giíi thiƯu mét sè øng dơng trong thiết kế che
chắn.
Tính thời sự của đề tài, quá trình t-ơng tác của gamma với vật chất thực tế

sinh viên s- phạm mới chỉ nghiên cứu, tiếp xúc bằng lý thuyết là chủ yếu. Với
bn luận văn ny kết hợp với bi thí nghiệm Ghi v xc định phổ của tia
gamma, ®o phỉ hÊp thơ cđa gamma víi c²c chÊt kh²c nhau ” ë phßng thÝ
nghiƯm Quang phỉ – khoa Vật Lý Tr-ờng ĐH Vinh, sẽ giúp sinh viên khắc
phục hạn chế này. Các số liệu mà tôi khảo sát trong bản luận văn hy vọng sẽ
đóng góp thêm các số liệu mới cho bài thí nghiệm.
Tính thực tiễn của đề tài, sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu ®Ị tµi ®· ®-a
ra mét sè øng dơng trong thiÕt kế che chắn bức xạ gamma nh- thiết kế thành
bảo vệ nguồn, cửa bảo vệ phòng máy tia X. Ngoài ra còn giúp các bạn sinh viên
hiểu rõ cơ chế, bn chất, nguyên lý hot động của bộ thí nghiệm Ghi v xc
định phổ của tia gamma, đo phổ hấp thơ cđa gama víi c²c chÊt kh²c nhau ” ë
phßng thÝ nghiƯm Quang phỉ – khoa VËt Lý – tr-êng ĐH Vinh từ đó phần
nào giúp các bạn sinh viên học tập tốt hơn khi tiếp xúc với bài thí nghiƯm nµy.

4


Bố cục của luận văn gồm

Phần mở đầu: Giới thiệu luận văn và lý do chọn đề tài
Phần nội dung:
Ch-ơng I: Quá trình truyền năng l-ợng của gamma cho vật chất.
Ch-ơng II: T-ơng tác của gamma với vật chất sống và kỹ thuật bảo vệ
chống bức xạ.
Ch-ơng III: Ph-ơng pháp thực nghiệm, nghiên cứu t-ơng tác của gamma
với vật chất và ứng dụng trong thiết kế che chắn.
Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả đà đạt đ-ợc và các công việc đà thực
hiện.

5

Ch-ơng I
Quá trình truyền năng l-ợng và t-ơng
tác của tia Gamma cho vËt chÊt
1.1. B¶n chÊt tia gamma
1.1.1. Tia Gamma
Bøc xạ gamma là hiện t-ợng hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao
về trạng thái kích thích thấp hơn hay trạng thái cơ bản bằng cách phân rà bức xạ
gamma. Hạt nhân sau khi phân rà gamma không thay đổi số khối A và điện tích
Z. Công thức của quá trình là:
( Z X A )* Z X A

(1.1)

Nh- vậy phân rà Gamma chỉ xảy ra trong hạt nhân kích thích. Hạt nhân
kích thích có thể thu đ-ợc 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
đ-ợc nâng lên trạng thái kích thích. Sau phân rà 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 đ-ợc những hạt nhân bức xạ gamma.
Tia gamma là các sóng điện từ có b-ớc sóng cùc ng¾n
( 10 14 m  10 12 m ) phát ra trong sự phân rà của hạt nhân nguyên tử. Cần chú ý
là tia gamma và tia Rơnghen đều là các sóng điện từ nh-ng gamma có b-ớc
sóng ngắn hơn, độ đâm xuyên lớn hơn ( có thể xuyên qua lớp vật liệu dày nhxuyên 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 l-ợng cao về trạng thái năng l-ợng thấp hơn
của các electron trong lớp vỏ nguyên tử. Tia rơnghen đ-ợc tạo ra khi các điển tử

6

bị hÃm, những điện tử có tốc độ cao đến gần ( bay ngang qua) hạt nhân mang
điện d-ơng chúng chịu một sức hút và chuyển động chậm lại. Trong quá trình bị
làm chậm hoặc bị hÃm chúng bị mất đi một phần động năng ban đầu d-ới
dạng tia Rơnghen ( theo điện động lực học cổ điển ). Đôi khi điện tử bị dừng
lại tức thì, khi đó toàn bộ năng l-ợng của chúng đ-ợc chuyển thành năng l-ợng
cực đại của bức xạ Rơnghen ( có b-ớc sóng cực tiểu ).
Trong ống phóng tia Rơnghen, khi các electron đập vào bia thì tốc độ
của chúng thay đổi liên tục trong tr-ờng Culông của các nguyên tử bia hay nói
cách khác năng l-ợng của các electron bị mất dần, do đó các tia rơnghen phát
ra có b-ớc 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 t-ơng ứng với các sóng đó.
60

Co ( T=5,2714 năm ) phát ra 2 loại sãng tréi ë 1173,228 KeV vµ

VÝ dơ :

1332,490 KeV.
137

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

57

Co ( T= 271,79 ngày ) phát ra 3 lo¹i sãng tréi 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 l-ợng
xác định và có các đỉnh đặc tr-ng cho năng l-ợng của chúng là rời rạc ) khác
với phổ của tia rơnghen.

7


Th-ờng ng-ời ta mô tả một tia gamma nhất định bằng năng l-ợng của nó
hơn là biểu diễn nó theo chiỊu dµi b-íc sãng. VÝ dơ nh- phỉ cđa mét nguồn

C-ờng độ

gamma có dạng nh- sau :

Số kênh
Hình 1: Phổ cđa mét ngn gamma
1.1.2. TÝnh chÊt cđa tia gamma
- Kh«ng nhìn thấy đ-ợc bằng mắt th-ờng.
- Không cảm nhận đ-ợc bằng các giác quan của con ng-ời.
- Có khả năng làm cho một số chất phát quang. Một số có tính chất nh- vậy là
Canxi, Bari, Diamon ( Kim c-ơng ).
- 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 ng-ời cần phải rất cẩn thận khi làm việc, tiếp xúc với nó.

- Có thể ion hoá vật chất ( Đặc biệt với chất khí, chất khí rất dễ bị Ion hoá để
trở thành các điện tử và Ion d-ơng ).
- Tuân theo các định luật cơ bản của ánh sáng ( Phản xạ, khúc xạ, truyền theo
đ-ờng thẳng ).

8


- Tuân theo qui luật : C-ờng độ của nó tỉ lệ nghịch với bình ph-ơng khoảng
cách giữa nguồn phát và một điểm xác định trong không gian.
- Có thể xuyên qua những vật mà ánh sáng không thể xuyên qua đ-ợc. Độ đâm
xuyên của nó phụ thuộc vào năng l-ợng của phôtôn gamma, mật độ và chiều
dày lớp vật chất. Qui luật hấp thụ của phôtôn gamma có dạng tỉng qu¸t nh- sau:
I = Io. e  .x .B
Trong đó: I, Io , , x, B lần l-ợt là c-ờng độ chùm tia tại vị trí x, c-ờng độ
chùm tia ban đầu, hệ số hấp thụ, chiều dày lớp vật chất mà phôtôn đà xuyên qua
(mà tại đó gamma cã c-êng ®é I ), hƯ sè Builup (sÏ xem xét ở phần sau).
- Chúng tác dụng lên lớp nhũ t-ơng của phim ảnh.
1.2. T-ơng tác của tia gamma víi vËt chÊt
1.2.1. HiƯu øng quang ®iƯn
Trong hiƯu øng quang điện photon va chạm không đàn hồi với nguyên
tử của vật chất và nó truyền toàn bộ năng l-ợng của mình cho electron kiên
kết của nguyên tử ( photon gamma bị biến mất ). Năng l-ợng 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 l-ợng :
h. Wd Elk

(1.2.1)

Đặc điểm của hiệu ứng quang điện là chỉ xảy ra khi năng l-ợng của l-ợng
tử gamma lớn hơn năng l-ợng liên kết cđa electron ( E  Ee ). HiƯu øng quang
®iƯn xảy ra càng mạnh khi khi liên kết của electron trong nguyên tử các bền
vững và hầu nh- không xảy ra với electron có liên kết yếu, đặc biệt là khi năng
l-ợng liên kết của l-ợng tử gamma E Ee . Điều này định luật bảo toàn năng

9


l-ợng và xung l-ợng của các hạt tham gia phản ứng không cho phép. Nói chung,
hiệu ứng quang điện th-ờng xảy ra ở các lớp electron phía trong.
Tia X đặc tr-ng

e quang điện

Gamma tới

Hình 2: Quá trình xảy ra hiện t-ợng quang điện
Khi phát ra electron quang điện, nguyên tử bị giật lùi một chút để bảo
toàn xung l-ợng nh-ng vì khối l-ợng của nguyên tử lớn hơn rất nhiều so với
khối l-ọng của electron nên động năng giật lùi này có thể bỏ qua trong ph-ơng
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 ®iƯn ph¸t ra tõ c¸c líp trong ( líp K chẳng hạn) thì nguyên tử
nằm ở trạng thái kích thích và năng l-ợng kích thích này biến mất bằng cách
giải phóng thêm một hay vài electron liên kết yếu. (đ-ợc gọi là electron Auger ).
Sự phân bố không gian ( phân bố góc ) của các electron trong hiệu ứng
quang điện rất đặc tr-ng. Khi các photon gamma có năng l-ợng nhỏ thì các
electron quang điện bay ra chủ yếu theo ph-ơng vuông góc với ph-ơng truyền

của tia gamma tới. Khi tăng năng luợng của gamma hình ảnh phân bố thay đổi.
Các electron quang điện -u tiên bay về phía trc theo h-íng t¹o víi h-íng
trun cđa gamma mét gãc càng nhỏ nếu năng l-ợng của gamma càng lớn.
Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng l-ợng gamma
khá phức tạp:

10


+ Đối với mỗi lớp electron, khuynh h-ớng chung của sự phụ thuộc là ~
+ Đối với E E K thì ~
+ Đối với E E K th×  ~

1
E3

1
E7/2
1
E

Sù phơ thc tiÕt diƯn hiƯu øng quang điện vào năng l-ợng của l-ợng tử
gamma đ-ợc biểu diễn trên đồ thị.


EM

EL

E

EK

Hình 3 : Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện
vào năng l-ợng của photon gamma
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
l-ợng của gamma có tiết diện hiệu ứng quang điện lớn tức là hiện t-ợng 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 tr-ng (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 tr-ng).
1.2.2. Hiệu øng Compton

11


Khi tăng năng l-ợng của photon gamma lên trên biên hấp thụ K quá trình
hấp thụ sẽ chủ yếu thay ®ỉi tõ h-íng hÊp thơ quang ®iƯn sang h-íng Compton.
Trong h-ớng Compton, photon gamma va chạm định h-ớng với một
electron tự do tạo ra một electron chuyển động và một photon bị tán xạ. Hay nói
cách khác, trong quá trình này photon gamma sẽ giống nh- một hạt nó sẽ truyền
một phần năng l-ợng của mình cho electron tự do làm cho electron tự do đó bật
ra xa và chuyển ®éng víi vËn tèc nµo ®ã trong khi photon Êy bị tán xạ một góc
nào đó và năng l-ợng bị giảm đi.

mv

e compton
h

e nguyên tử




h
c

h '
c

Photon tán xạ

Hình 4: Quá trình t-ơng tác Compton
áp dụng định luật bảo toàn năng l-ợng xà xung l-ợng cho hệ ta có
ph-ơng trình sau:

h '

h
h
1
(1 cos )
m0 c 2

Đây là hệ thức liên hệ giữa năng

l-ợng photon tới h ; năng l-ợng photon tán xạ h ' ; và góc tán xạ .
Tán xạ compton xảy ra trên các điện tử tự do và điện tử lớp ngoài có liên

kết yếu với hạt nhân bởi vì những điện tử này thực sự đ-ợc coi nh- tự do với
photon năng l-ợng cao.
Xác xuất t-ơng tác Compton tăng một cách tuyến tính với nguyên tử số
của chất gây tán xạ và giảm chậm khi tăng năng l-ợng của photon.
Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu dụng vào năng l-ợng trong hiệu ứng
Compton có dạng khác nhau tuỳ theo vùng năng l-ợng của l-ợng tö gamma.

12


§å thÞ biĨu diƠn sù phơ thc cđa tiÕt diƯn tán xạ Compton vào năng
l-ợng của gamma :

Compton

103

102

10

1
10-1

E (MeV )

0

0,1

1

10

100

Hình 5 : Sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton vào
năng l-ợng E
1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp
Khi một photon gamma có năng l-ợng 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 quá trình này và các điện tử có điện tích bằng nhau nh-ng trái dấu đ-ợc
tạo ra. Quá trình đ-ợc mô tả nh- hình vẽ

Gamma
tới

e+
(pozotron)

e- (electron)

Hình 6: Quá trình tạo cặp
13


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

taocap

103

102

10

1
10-1
0

0,1

1

10

100
E (MeV )

Hình 7: Sự phụ thuộc của tiết diện tạo cặp vào năng l-ợng
E

Ngoài ra do e+ và e- đ-ợc sinh ra trong điện tr-ờng của hạt nhân nên e+ bị
đẩy ra xa hạt nhân còn e- bị làm chậm lại. Do đó phổ năng l-ợng đo đ-ợc 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 l-ợng rõ hơn.Tiết diện thành phần và thiết diện tổng hợp của
cả 3 quá trình đ-ợc giới thiệu trên hình 8: sự phụ thuộc của tiết diện t-ơng tác

của l-ợng tử gamma vào năng l-ợng của nó.

14


Tiết diện
(cm2.g-1 )

103

102

10

Hiệu ứng tổng

Compton
1
Tạo cặp

Quang điện
-1

10

0

0,1

1

10

100
E (MeV )

Hình 8 : Sự phụ thuộc của tiết diện t-ơng tác của l-ợng tử
gamma vào năng l-ợng E
1.3. Sự suy giảm của chùm bức xạ gamma khi đi qua vật chất
Khi mét chïm tia gamma xuyªn qua mét líp vËt chÊt nào đó thì nó sẽ
t-ơng tác với vật chất và bị suy giảm c-ờng độ.
L-ợng bức xạ bị hấp thụ phụ thuộc :
- L-ợng bức xạ gamma tới.
- Mật độ của lớp vật chất mà nó đi qua.
- Chiều dày lớp vật chất đó.
Trong thực tế tính chất này của tia gamma đ-ợc 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 mÉu vËt. Khut tËt bªn trong cđa mÉu vËt tøc là sự
thay đổi về độ dày ( Lỗ trống chẳng hạn) hoặc là sự thay đổi về tỉ trọng của nã (
nÕu bªn trong mÉu vËt cã ngËm xØ chÊt khác), thì khi tia gamma xuyên qua các
chỗ ấy sẽ có sự thay đổi t-ơng ứng về c-ờng độ so với khi xuyên qua những chỗ
khác của mẫu vật, và điều này đ-ợc ghi nhận trên ảnh chụp. Dựa vào ¶nh chôp

15


ấy ng-ời ta biết đ-ợc những khuyết tật bên trong của mẫu vật để có cách khắc
phục nó.
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

t-ơng tác của bức xạ gamma với vật chất có đặc tr-ng sau : Mỗi một photon
tách ra khỏi chùm tới bởi một hành động t-ơng tác đơn độc tức là một photon
sẽ tách ra khỏi chùm tia khi nó t-ơng tác với vật chất (bị vật chất hấp thụ). Do
đó số photon t¸ch ra khái chïm tia N sÏ tØ lƯ víi chiỊu dµy líp vËt chÊt x vµ
tØ lƯ víi sè photon tíi N
N  .N.x

(1.3.1)

 lµ hƯ sè lµm yếu hay hệ số hấp thụ

Mà năng l-ợng của các photon lµ nh- nhau  sè photon sÏ tØ lƯ với c-ờng 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 đ-ợc :
Ln I

I
Io

 .x o

x

 I  I o .e   . x

(1.3.3)

Trong đó : I o là c-ờng độ chùm tới.
I là c-ờng độ chùm truyền qua

x là chiều dày lớp vật chất mà tia gamma xuyên qua.
là hệ sè hÊp thơ tun tÝnh.

Chïm tíi

Chïm trun qua

Io

I

x
H×nh 9: Sù suy giảm của chùm gamma khi đi qua vật chất

16


1.3.2. Sù suy gi¶m cđa chïm gamma réng. HƯ sè tích luỹ
Khi l-ợng tử gamma đi qua vật chất d-ới dạng một chùm bức xạ rộng,
trong thành phần của chùm ngoài các tia đi thẳng, còn có các thành phần tán xạ.
Vì ph-ơng trình hấp thụ đơn giản đ-ợc dựa trên giả thuyết rằng bức xạ tán xạ

hoàn toàn tách ra khỏi chùm. Tuy nhiên trong thực tế không hoàn toàn nh- vậy,
đặc biệt trong vật chất có độ dày lớn.
Đối với lớp chắn mỏng ph-ơng trình trên có giá trị vì : Xác xuất để bức
xạ tán xạ tới điểm quan sát (hoặc đầu dò) sau một lần va chạm là rất nhỏ. Ng-ợc
lại đối với lớp dày thì một số bức xạ tán xạ sẽ đến đ-ợc đầu dò cùng với bức xạ
không bị làm yếu. Vì thế, c-ờng độ đo đ-ợc của bức xạ sau khi đi qua lớp chắn
sẽ cao hơn đáng kể so với c-ờng độ đ-ợc tính toán qua ph-ơng trình hấp thụ đơn
giản.
Hiện t-ợng nêu trên đ-ợc biết đến nh- hiện t-ợng tích luỹ bức xạ do tán
xạ nhiều lần. Vì vậy trong thực tế ph-ơng trình hấp thụ cần đ-ợc thay đổi bằng
cách đ-a thêm một hệ số mới đ-ợc gọi là hƯ sè tÝch l, ký hiƯu lµ BE(h ,Z, .x )
và :
C-ờng độ của chùm bức xạ rộng đ-ợc mô tả bằng công thức:
I(x) = I0.e- .x .BE( h ,Z, .x )

(1.3.4)

Trong đó: - hệ số suy giảm tuyến tÝnh cđa chïm hĐp.
BE( h , Z, .x ) – hệ số tích luỹ năng l-ợng có tính tới đóng góp
của bức xạ tán xạ. Đối với chùm hẹp hệ số này bằng 1, và khi đó ta có ph-ơng
trình hấp thụ đơn giản.
Đối với chùm rộng BE( h , Z, .x ) > 1 vµ nã phơ thc vµo năng l-ợng
của tia gamma h. , nguyên tử số Z, và bề dày x của vật liệu.
Do năng l-ợng hấp thụ không hoàn toàn tỷ lệ với tác động sinh học ( với
cùng một liều l-ợng hấp thụ đối với các loại bức xạ khác nhau nh-ng lại không
gây các tổn th-ơng sinh học nh- nhau, hay nói cách khác cïng mét hiÖu øng

17

sinh học nh-ng đối với các loại bức xạ khác nhau cần có các liều hấp thụ khác
nhau) nên ng-ời ta phân biệt hệ số tích luỹ năng l-ợng và hƯ sè tÝch l liỊu
l-ỵng BD( h , Z, .x ). Khi đó ta có các biểu thức t-ơng tự ®èi víi liỊu l-ỵng:
D = D0.e- .x . BD( h , Z, .x )

(1.3.5)

1.3.3. HƯ sè hÊp thơ
1.3.3.1. HƯ sè hÊp thơ tun tÝnh
= Io. e  .x th×  là hệ số hấp thụ tuyến

Trong ph-ơng trình hấp thụ I

tính. Hệ số hấp thụ tuyến tính là phần bị giảm của c-ờng độ tạo nên bởi đơn vị
chiều dày hÊp thơ.
Mn thÊy râ h¬n ý nghÜa cđa hƯ sè hấp thụ ta xem xét trên khía cạnh
khác. Để đơn giản ta xét chùm tia gamma song song c-ờng độ Io (số photon có
trong một đơn vị thời gian) đi qua mét khèi vËt chÊt ®ång nhÊt thiÕt diƯn 1cm2 .
Sau khi đi qua chiều dày x của vật chất, c-ờng độ của chùm tia X còn lại là I. Sự
suy giảm này tuân theo định luật Lambert:
dI
.dx
I

(1.3.6)

Lấy tích phân trên toàn chiều dày x ta đ-ợc:

I = Io. e  .x

(1.3.7)

1 I0
ln
x I

(1.3.8)

lµ sù hÊp thơ trên đơn vị chiều dày trên đơn vị thiết diện.
Đơn vị của là (cm-1) hay (m-1).
Khoảng cách x0

1



của photon (vì khi x = x0 =

đôi khi còn đ-ợc gọi là quÃng chạy tự do trung bình
1



thì I = I0 tức l photon chy trong qung đường

đó không bị suy giảm c-ờng độ tức là không t-ơng tác với vật chất, không bị vật
chất hấp thụ hay trong quÃng ®-êng ®ã nã chuyÓn ®éng tù do).

18


Và để tính độ xuyên sâu thì độ sâu th-ờng đ-ợc biểu thị bằng một chiều
dài hồi phục.
phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Chiều dài b-ớc sóng sơ cấp : Những tia năng l-ợng thấp sẽ dễ bị hấp
thụ hơn những tia năng l-ợng cao.
- Nguyên tử số Z cđa chÊt hÊp thơ : Nh÷ng chÊt cã Z lớn sẽ hấp thụ
nhiều bức xạ hơn những chất có Z nhá.
- MËt ®é vËt chÊt cđa chÊt hÊp thơ.
13.3.2. Hệ số hấp thụ khối
Đôi khi để tiện lợi ng-ời ta dùng đại l-ợng m =


thay cho ( là mật


độ của chất che chắn). m đ-ợc gọi là hệ số hấp thụ khối.
Đơn vị của hệ số hấp thụ khối suy ra từ đơn vị của  (cm-1) vµ  (
lµ (

g
)
cm 3

cm 2
).

g

1.4. LiỊu chiÕu, liều hấp thụ và liều sinh học
Khi đi qua vật chất các photon gamma va chạm và t-ơng tác với các
nguyên tử và phân tử thành phần của vật chất. Trong mỗi lần va chạm hoặc
t-ơng tác đơn lẻ, các photon gamma mất đi một phần năng l-ợng của mình cho
nguyên tử và phân tử, Trong các tr-ờng hợp đó các nguyên tử và phân tử sẽ bị
thay đổi và có thể trở thành các ion. Nếu năng l-ợng của photon đủ lớn, nó có
thể tạo ra cả một chuỗi các ion và các biến đổi các cấu trúc khác đặc tr-ng cho
vật chất. Số l-ợng các ion và biến đổi đặc tr-ng có một sự phụ thuộc xác định
với năng l-ợng ban đầu của photon và phần năng l-ợng của photon mà vật chất
hấp thụ. Các năng l-ợng này th-ờng đ-ợc sử dụng d-ới khái niệm liều l-ợng.
1.4.1. Liều l-ợng chiếu xạ
Để đặc tr-ng cho liều l-ợng theo hiệu ứng ion hoá, ng-ời ta áp dụng khái
niệm liều l-ợng chiếu xạ của bức xạ Rơnghen và gamma. Về mặt vËt lý liÒu

19


chiếu xạ là năng l-ợng tạo ra các hạt mang điện trong một đơn vị khối l-ợng của
không khí và đ-ợc biểu diễn bằng đơn vị C/kg. (Là năng l-ợng biến đổi thành
động năng của các hạt mang điện trong một đơn vị khối l-ợng không khí của
khí quyển)
1 C/Kg là năng l-ợng chiếu xạ của bức xạ Rơnghen hoặc Gamma gây ra
trong 1 Kg không khí khô, ở các ®iỊu kiƯn tiªu chn ( T = 00C, p = 760 mmHg)
các ion mang điện tích 1 Culông điện mỗi dấu.
Đơn vị ngoại hệ là Rơnghen (R).
1 R là liều l-ợng chiếu xạ của bức xạ Rơnghen hoặc gamma làm xuất
hiện trong 0,001293g (1cm3) không khí khô ở điều kiện tiªu chuÈn ( T = 00C,
p = 760 mmHg ) tạo ra các ion mang l-ợng điện 1 đơn vị điện tích mỗi dấu

(1 CGSE - Đơn vị tĩnh điện tuyệt đối).
1.4.2. Liều hấp thụ bức xạ
Liều hấp thụ D là năng l-ợng E của bức xạ đ-ợc một đơn vị khối l-ợng m
của môi tr-ờng đó hấp thụ
D =

dE
dE

dm .dV

Đơn vị của liều hấp thụ trong hệ SI lµ Gray (Gy):
1 Gy = 1 J/Kg = 100 rad = 104 egr/g
Ước số của Gy th-ờng đ-ợc sử dụng là mGy ( 10-3Gy ).
1.4.3. Mối t-ơng quan giữa liều chiÕu vµ liỊu hÊp thơ
Cã 1 C = 3.109 CGSE nếu gọi q là điện tích của ion ( bằng ®iƯn tÝch cđa
1e = 1,6.10-19C ) th× q = 4,8.10-10CGSE.
Gäi n là số ion, Khi đó số cặp ion tạo ra trong 1cm3 không khí sẽ là:
2,08.10 9
1
3
9
1,61.1012 Cặp ion/g.
n =
2,08.10 Cặp ion/cm =
10
0,001293g
4,8.10

Nếu năng l-ợng trung bình để tạo ra một ion trong không khí là

34 eV và 1 eV =1,6.10-12egr thì liều chiếu Dch sẽ lµ :
Dch = 1R= n  = 2,08.109.34.10 6 (MeV/cm3) =7,06.104 (MeV/cm3)
Hc

20


Dch=7,06.104.1,6.10-12.106= 0,114 (erg/cm3)
Khi chuyển sang đơn vị gam ta có:
1R = Dch= n  =1,61.1012.34.10 6 = 5,47.107 (MeV/g)
1R = Dch= 5,47.107.1,6.10-12.106= 87,7 (erg/g).
Giá trị 0,114 (erg/cm3) và 87,7 (erg/g) đ-ợc gọi là đ-ơng l-ợng năng
l-ợng của Rơngen.
Liều hấp thụ theo đơn vị Rad là :
Dht= 1 Rad = 100 (erg/g)
Dch 87,7erg / g

 0,877
Dht
100erg / g


Dch (R) = 0,877 Dht (Rad)

Nh- vậy đối với không khí (trong điều kiện cân bằng eletron) 1R = 0,877 Rad.
1.4.4. Liều t-ơng đ-ơng
Liều hấp thụ rất tiện lợi về mặt vật lý nh-ng lại không tiện lợi về mặt
sinh học. Cùng một liều l-ợng hấp thụ đối với các loại bức xạ khác nhau
nh-ng lại không gây ra các tổn th-ơng sinh học nh- nhau. Nãi c¸ch kh¸c,
cïng mét hiƯu øng sinh häc nh-ng đối với các loại bức xạ khác nhau cần cã

c¸c liỊu hÊp thơ kh¸c nhau.
Sù kh¸c nhau vỊ hiƯu øng sinh häc ë cïng mét liỊu hÊp thơ cã thĨ hiƯu
chØnh b»ng hƯ sè chÊt l-ỵng Q. HƯ sè này phản ánh khả năng gây ra hỏng hóc
của một loại bức xạ. Q càng lớn, khả năng này càng mạnh. Bảng sau cho biết
hệ số Q với một số loại bức xạ:
Loại bức xạ

Q

Bức xạ rơnghen, gamma và electron

1

Nơtron nhiệt

5

Nơtron nhanh

20

Bức xạ Anpha

20
21


1.4.5. Mối t-ơng quan giữa các đơn vị đo bức xạ
Mối t-ơng quan gữa các đơn vị đo bức xạ thể hiện trong bảng sau:
Tên đại l-ợng

Ký

Đơn vị trong

Đơn vị

Quan hệ giữa các đơn vị

hiệu

hệ SI

ngoại hệ

đo

Độ phóng xạ

A

Bq

Ci

1Ci=3,7.1010Bq

Liều hấp thụ

Dht

J/Kg; Gy

Rad

1Gy=1J/Kg=100Rad/Kg

Suất liều hấp

Dht

J/kg.s

Rad/s

1Gy/s=100Rad/s=1W/kg

thụ
Liều chiếu

Gy/s
Dch

C/Kg

R

1R=2,58.10-4C/Kg

Dch

C/Kg.s=A/kg

R/s

1R/s=2,58.10-4AKg

Dtd

Sv

Rem

1Sv=1Gy.Q.N

xạ(Tia X và )
Suất liều chiếu
xạ
Liều t-ơng
đ-ơng

1Rem=1Rad.Q.N

1.5. Liều và suất liều an toàn trong che chắn và bảo vệ bức xạ: Liều, suất
liều và hệ số gamma
Bức xạ ion hoá trong không khí truyền theo đ-ờng thẳng. Trong tr-ờng
hợp nh- vậy suất liều tại điểm 1 và 2 giảm tỉ lệ với bình ph-ơng khoảng cách
tính từ nguồn:
2

D'1 r2

D' 2 r1 2

(1.5.1)

Tuy nhiên, sự hấp thụ tia gamma trong không khí phụ thuộc vào năng
l-ợng của tia gamma. Đối với những nguồn có năng l-ợng khác nhau, suất liều
D đ-ợc tính theo công thức:
D=

.A
r2

(1.5.2)

22


Trong đó : Hệ số gamma là suất liều hấp thụ tính theo mSvh-1 ở khoảng cách
1m cách nguồn 1GBq của đồng vị phóng xạ; thứ nguyên của nó là

mSvh .m GBq . Khoảng cách r tính theo m từ nguồn tới điểm quan tâm. A là
-1

2

1

hoạt độ phóng xạ của nguồn tính theo GBq.

Các nguồn có năng l-ợng tia gamma kh¸c nhau cã hƯ sè  kh¸c nhau. Và
sau đây là một số giá trị của hệ số gamma víi mét sè ngn th-êng gỈp:
Ngn gamma

HƯ sè gamma

137

Cs

0,081

192

Ir

0,13

Co

0,351

60

1.6. Mối t-ơng quan giữa liều chiếu xạ và liều tán xạ.
C-ờng độ tia tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ, năng l-ợng của chùm tới,
diện tích vùng tán xạ và tỉ lệ nghịch với bình ph-ơng khoảng cách r từ vùng
tán xạ tới điểm đo. Ngoài ra đại l-ợng này còn phụ thuộc vào bản chất của vật
liệu tán xạ. T-ơng tự nh- liều chiếu xạ Dch , các tia tán xạ cũng gây ra liều tán
xạ Dtx biểu diễn bằng công thức:

Dtx=

aDch .S .t
400.r 2

Trong đó:
+ a - là tỉ số liều tán xạ với liều chiếu xạ ở khoảng cách 1m đối với diện
tích vùng tán xạ là 400cm2.
+ S - diện tích của vùng tán xạ (cm2)
+t

- thời gian chiếu

+ Dch - liều chiếu xạ vào vật liệu tán xạ.
1.7. Quá trình truyền năng l-ợng của bøc x¹ gamma cho vËt chÊt

23


Các hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp đ-ợc coi là các quá
trình t-ơng tác cơ bản chủ yếu của l-ợng tử gamma với vật chất. T-ơng tác
của l-ợng tử gamma nói riêng và của bức xạ nói chung có thể xem xét d-ới
góc độ truyền năng l-ợng, trong đó các quá trình t-ơng tác cơ bản có thĨ dÉn
tíi c¸c hiƯu øng vËt lý, ho¸ häc, sinh học có thể ghi nhận đ-ợc. Quá trình
truyền năng l-ợng rất thích hợp trong việc ng-ơn cứu về an toàn và bảo vệ bức
xạ. Ta hÃy xem xét một số lý thuyết về quá trình truyền năng l-ợng.
1.7.1. Lý thuyết cÊu tróc vÕt
Trong lý thut cÊu tróc vÕt, m«i tr-êng nghiên cứu gồm các phần tử
nhạy bức xạ đồng nhất với nhau, đ-ợc gắn chặt trong một ma trận sao cho có
thể coi là một môi tr-ờng truyền và hấp thụ năng l-ợng bức xạ. Lý thuyết cấu

trúc vết xem xét mối t-ơng quan giữa mật độ vết khuyết tật đ-ợc tạo ra trong
quá trình ion hoá dọc theo đ-ờng đi của hạt mang điện với liều l-ợng mà môi
tr-ờng hấp thụ.
Hiệu ứng truyền năng l-ợng của bức xạ cho vật chất là hiệu ứng tổng
hợp của các quá trình t-ơng tác vi mô của bức xạ gamma với vật chất của môi
tr-ờng, trong đó các đặc tr-ng và cấu trúc của vật chất bị thay đổi phụ thuộc
vào năng l-ợng mà vật chất hấp thụ.
Trong phân bố ngẫu nhiên, xác xuất để một phân tử trong một tập hợp
các phần tử đồng nhất về mặt thống kê bị va đập X lần khi số va đập trung
bình của mỗi phần tử là A, đ-ợc xác định bằng biểu thức:
AX.e-A/X!

(1.7.1)

Khi đó suy ra xác suất của một phần tử không bị va chạm lần nào là
(cho X=0) e-A. Từ đó ta có xác suất của một phần tử bị va chạm từ một lần trở
lên sẽ là 1-e-A (Vì tổng xác suất bằng 1).
Trong một hệ bị chiếu xạ một cách đồng đều, ta gọi D37 là liều hấp thụ
sau mỗi lần va chạm đối với phần tử nhạy bức xạ. Nếu liều hấp thụ là D thì số
lần va chạm sẽ là D/ D37 , nh- vậy xác suất để một phần tử bị va đập 1 lần trở
lên sÏ lµ :

24


P=1- e  D / D

37

(1.7.2)

Trong mét tËp hỵp cã N phần tử nhạy bức xạ thì số phần tử bị va đập
hay nói cách khác số phần tử bị kích hoạt thu đ-ợc sẽ là n(D) và :
n(D) = N.P = N(1- e  D / D )
37

(1.7.3)

Nh- vËy, sự phụ thuộc giữa mật độ các phần tử kích hoạt và liều hấp thụ
tuân theo quy luật hàm mũ nh- trªn ( Do xÐt trong cïng thĨ tÝch vËt liệu thì
ph-ơng trình tỉ lệ số hạt trên cũng là ph-ơng trình mật độ các phần tử kích
hoạt ).
Độ nhạy của vật liệu (hay đêtectơ) đ-ợc xác định bằng đại l-ợng 1/ D37.
Khi D = D37 thì :
n(D) = N(1-e-1) = 0,63 N
Do đó, D37 là liều l-ợng tại đó mật độ của các phần tử kích hoạt đạt
63% mức bÃo hoà.
Lý thuyết cấu trúc vết thoạt đầu đ-ợc phát triển để xác định hàm đặc
tr-ng liều và tỉ lệ tử vong của các enzym và virut khi bị chiếu xạ bởi các ion
nặng ( các hạt mang điện năng l-ợng cao hay nh- ng-ời ta th-ờng nói bởi bức
xạ truyền năng l-ợng tuyến tính cao High LET). Với ý nghĩa này bức xạ
gamma đ-ợc xắp xếp vào loại bức xạ truyền năng l-ợng tuyến tính thấp (Low
LET).
Lý thuyết cấu trúc vết đà đ-ợc dùng để mô tả đ-ờng đặc tr-ng liều của
các vật liệu, của một số liều l-ợng kế bức xạ nh- Alanin, thuỷ tinh và một số
loại liều l-ợng kế khác.
Nh-ợc điểm của lý thuyết cấu trúc vết là ch-a mô tả đ-ợc hiệu ứng suất
liều, hiệu ứng liều siêu cao và một số hiệu ứng khác.
1.7.2. Mô hình truyền năng l-ợng
Ưu điểm của mô hình truyền năng l-ợng là có tính đến các hiệu ứng

suất liều, hiệu ứng phông, hiệu ứng môi tr-ờng (các hiệu ứng gây bởi các yếu
tố nh- nhiệt độ, độ ẩm) hiệu ứng liều siêu cao và một số hiệu ứng khác. các
luận điểm chính của mô hình truyền năng l-ợng nh- sau:

25