GHI ĐO BỨC XẠ BETA VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU MÔI TRƯỜNG
GHI ĐO BỨC XẠ BETA VÀ ỨNG DỤNG
PHÂN TÍCH MẪU MÔI TRƯỜNG
Nguyễn Thị Linh
Viện Nghiên cứu Hạt nhân
Đà Lạt
Mở đầu (1)
Nghiên cứu, kiểm soát phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc
đo đạc hoạt độ của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên và nhân tạo
trong các mắt xích khác nhau của chúng. Phân tích phóng xạ là lĩnh
vực thách thức vì chất phóng xạ và môi trường mà chúng tồn tại vô
cùng phức tạp. Chất phóng xạ có thể xuất hiện theo nhiều dạng,
phần trăm, mode và năng lượng phân rã khác nhau, và mỗi nuclides
có hơn một mode phân rã. Ngoài ra, sự khác nhau về sơ đồ phân rã
từ chuỗi phân rã, sự cân bằng giữa các đồng vị con cháu và đồng vị
mẹ, tốc độ phân rã sẽ làm cho quá trình phân tích đối với từng
nuclide trở nên phức tạp. Vấn đề phân tích còn bị chi phối bởi môi
trường hóa học và vật lý.
Mở đầu (2)
Hiện nay, có nhiều phương pháp phân tích hiện đại phát triển ứng
dụng phân tích hoạt độ phóng xạ. Các loại detector khác nhau sử dụng đo
phóng xạ với số lượng khổng lồ, và thiết kế ở trạng thái khí, lỏng và rắn.
Các loại này khác nhau không chỉ về trạng thái vật lý mà cả trạng thái hóa
học. Thiết bị và vành chắn điện tử kết hợp với đetector ghi bức xạ cũng
khác nhau. Kết quả là các detector ghi bức xạ, thiết bị được kết hợp với
nhau phục vụ đo phóng xạ với hiệu suất ghi của detector khác nhau, phụ
thuộc nhiều hệ số như: đặc trưng của thiết bị, loại năng lượng mà bức xạ
sinh ra, cũng như tính chất mẫu phân tích.
Sự lựa chọn phù hợp một loại detector ghi bức xạ hay phương pháp
phân tích phóng xạ phù hợp, yêu cầu sự hiểu biết về tính chất của bức xạ
hạt nhân, cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất, chu kỳ bán hủy của
nhân phóng xạ, sơ đồ phân rã, phần trăm phân rã, năng lượng phân rã là
vấn đề cơ bản đối với các phương pháp xác định và đo phóng xạ. Sự lựa
chọn detector và thiết bị phù hợp nhất phụ thuộc vào yêu cầu riêng đối với
từng trường hợp cụ thể.
2. TỔNG QUAN (1)
2.1. Các ĐVPX tự nhiên
+ Các ĐVPX có nguồn gốc từ vũ trụ
Bức xạ từ vũ trụ (photon năng lượng cao, hạt
nặng mang điện…) tương tác với các hạt nhân
N và O trong tầng cao của KQ → các ĐVPX
3H, 7Be, 14C, 22Na…
Bề mặt Trái đất.
+ Các ĐVPX có nguồn gốc từ vỏ Trái đất
•
Phổ biến nhất là 40K và các ĐVPX tạo thành chuỗi:
và 232Th (T1/2 dài).
•
Một số ĐVPX khác hoạt độ nhỏ, ít phổ biến hơn: 50V,
113Cd, 115In, 123Te, 138La, 142Ce, 144Nd, 147Sm, 174Hf…
235U, 238U
87Rb,
+ Tăng phông các ĐVPX tự nhiên do CN
4
Sơ đồ phân rã của 238U
5
Sơ đồ phân rã của 235U
6
Sơ đồ phân rã của 232Th
7
2. TỔNG QUAN (2)
2.2. Các ĐVPX nhân tạo
Có nguồn gốc từ:
+ Các vụ thử hạt nhân
+ Chôn cất thải phóng xạ dưới đáy đại dương
+ Sự cố hạt nhân
+ Phóng thích thông lệ mức thấp có kiểm soát của
các cơ sở BX, HN (NMĐHN, cơ sở xử lý nhiên
liệu)
8
2. TỔNG QUAN (3)
2.2. Các ĐVPX nhân tạo.
Các ĐVPX nhân tạo được quan tâm chủ yếu là 90Sr, 137Cs và 239Pu.
Chúng được sinh ra từ các vụ thử vũ khí hạt nhân, thải từ các sự cố hạt nhân,
các sự cố từ lò phản ứng hạt nhân,…
-
90Kr
- Sơ đồ tạo thành 90Sr:
-
90Rb
32.3s
-
90Sr
153s
90Y
28.8y
-
90Zr
64.1h
- Sơ đồ tạo thành 137Cs:
3%
137I
97%
-
(24.5s)
136Xe
(beàn)
137Xe
3.82m
-
6.5%
-
137Cs
93.5%
-
- Sơ đồ tạo thành 239Pu:
238U
(n,) 239U
23.54m
239Np
2.3d
239Pu
137mBa
137Ba
(2.55m; 661KeV)
(beàn)
2.4104y
9
2. TỔNG QUAN (4)
2.3. Các kỹ thuật phân tích
• Đếm alpha
• Đếm bêta phông thấp
• Phổ kế nhấp nháy lỏng
• Phổ kế gamma phông thấp
• Phổ kế alpha phân giải cao trực tiếp
• Phổ kế alpha phân giải cao, kết hợp với kỹ thuật tách hóa
Ở đây chỉ xin trình bày phương pháp ghi đo bức xạ beta.
10
3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (1)
3.1. Phân rã beta
•
11
3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (2)
3.1. Phân rã beta
12
7
Ionization and Excitation by α- or β- rays
α-ray or β-ray loses a part of energy by ionization
and / or excitation in material, and a large number of
electron and positive ion are produced. The average
energy to produce a pair of electron & ion is 25 ~ 40
eV in gas, and about 3 eV in solid material.
β- ray
Ionization Process
Nucleus
expanded
δ-ray
Orbital
electrons
Electron
β-ray
Ionization and Excitation in electron energy level
Excitation Process
Ionization Process
Electron
Free electron
excited
Neutral
atom
Ionized
electron
δray
Positive
ion
Excited
atom
δ- ray is a produced electron which can ionize
other atoms. If a neutral atom captures an electron,
it becomes a negative ion. Finally, all of radiation
energy changes to thermal energy.
α- ray
or β- ray
N
N
M
M
L
L
K
K
α- ray
or β- ray
13
3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (3)
3.2. Tương tác của hạt β với vật chất
Hạt β tương tác với vật chất:
• Năng lượng sinh ra do quá trình ion hóa,
• Kích thích điện tử lớp vỏ ( obital) ,
• Giảm động năng của nó do bức xạ hãm. Vì vậy, Turner (1995)
mô tả độ mất năng lượng đối với hạt β là tổng của sự mất do va
chạm và năng lượng phát xạ:
• Do hạt β mất năng lượng dọc theo đường đi nên chỉ đi được một
quãng đường hữu hạn, gọi là quãng chạy (range) của hạt, nó phụ
thuộc vào năng lượng và mật độ vật chất của môi trường hấp
thụ.
14
3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (4)
3.2. Tương tác của hạt β với vật chất (2)
• Hình sau chỉ ra đường cong khoảng chạy trong không khí
khi hạt β vùng năng lượng từ 0.01 – 10MeV.
15
10
Absorption Characteristics of β- rays
β- ray trajectory
Range (R)
Absorption Characteristics and Range of β-rays
β-ray absorption curve is almost exponential in
the thickness region where transmission is no so
small. Mass absorption coefficient μ(cm2·mg-1) and
the range R (mg / cm2) for the maximum energy E
(MeV) are given by some empirical equations.
A / A 0 = exp ( -μd )
μ= 0.017 E -1.43
R = 542 E - 133
for E > 0.8 MeV
R = 407 E 1.38
for 0.15 MeV < E < 0.8 MeV
Transmission A / A0 (%)
β- ray or fast electron loses a part of
energy in material by the processes of
collision with orbital electrons of atoms
and Bremsstrahrung (emission of X-ray)
near the nucleus.
The direction of β- particle changes in
every collision with an atom, thus, the
trajectory is winding. In addition, due to
continuous energy distribution of β-rays,
it is difficult to determine the exact value
of range by direct measurement.
1.0
0.5
Exponential
0.1
Maximum
range (R)
0.05
0.01
0.005
0
100
200
300
400
500
600
Absorber thickness d (mg / cm2)
β- ray absorption curve and the max. range
16
3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (5)
3.3. Nguyên tắc cơ bản về ghi đo bức xạ (1)
• Có 3 loại detector ghi đo bức xạ: detector có dòng khí,
nhấp nháy và detector bán dẫn. Có thể phân loại detector
tương ứng với dạng vật lý của hệ đo như các dạng rắn,
lỏng, khí; có thể phân loại tương ứng với tín hiệu ghi
nhận đầu ra như tín hiệu dòng điện (ion), ánh sáng, và
tương ứng với chức năng như: đếm, phổ độ cao xung, đo
liều, hiển thị dạng phổ.
• Nguyên lí hoạt động của hầu hết các detector đo bức xạ
dựa trên cơ sở của sự ghi điện tử hoặc ion (như buồng
ion hoá, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger-Muller) hay
• Ghi các photon ánh sáng được phát ra bởi các nguyên tử
hay phân tử bị kích thích: detector nhấp nháy ( rắn và
lỏng).
17
3.2. Nguyên tắc cơ bản về ghi đo bức xạ (2)
Signal
Amplification
Physical
Chemical
Biological
Calibration
Assessment
Detector
Reader
18
3.4. Cấu trúc và phân loại detector
Hệ detector ghi đo bức xạ bao gồm 3 hợp phần:
• Detector có vùng hoạt: là nơi xẩy ra tương tác bức xa;
• Các hợp phần gắn với detector để duy trì các điều kiện ghi
đo tối ưu;
• Thiết bị hiển thị chính xác thông tin thu được từ detector
và chuyển đổi nó thành tín hiệu đầu ra.
19
3.5. Các loại detector ghi đo bức xạ(1)
Detector ion hóa khí (buồng ion hoá, ống đếm tỉ lệ, ống
đếm Geiger-Muller); detector đếm nhấp nháy; detector
bán dẫn.
• Số cặp ion sinh ra do quá trình ion hóa phụ thuộc vào
các hệ số như khí sử dụng, cao thế đặt vào giữa 2 điện
cực của detector.
• Mối liên quan giữa số xung đếm và cao thế đặt giữa các
điện cực của detector ion hóa khí được chỉ ra ở sơ đồ
sau:
20
- Xem thêm -