Xem mẫu
- 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
PHẠM THỊ THÙY DƯƠNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ MẪU MÔI TRƯỜNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP
Chuyên ngành: VẬT LÍ HẠT NHÂN
NĂM 2019
- 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ MẪU MÔI TRƯỜNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP
Người thực hiện: PHẠM THỊ THÙY DƯƠNG
Người hướng dẫn khoa học:ThS. LÊ QUANG VƯƠNG
- 1
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận này, sinh viên đã nhận được
nhiều sự giúp đỡ từ quý Thầy/Cô, Giờ đây, khi khóa luận đã hoàn thành, sinh viên xin
được gửi lời cảm ơn chân thành đến:
ThS. Lê Quang Vương – người hướng dẫn khoa học, đã tận tình chỉ bảo và tạo
điều kiện thuận lợi để sinh viên có thể hoàn thành khóa luận
Quý Thầy-Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư
Phạm Tp. HCM đã giảng dạy trong suốt những năm qua. Những kiến thức mà
sinh viên thu nhận được qua từng bài giảng, từng môn học của các Thầy-Cô là
nền tảng để sinh viên có thể tiếp thu và giải quyết các vấn đề trong khóa luận
Hơn nữa, những kiến thức đó còn là hành trang cho sinh viên đi tiếp trong công
việc sau này.
Quý Thầy-Cô trong Hội đồng bảo vệ khóa luận đã đóng góp các ý kiến để khóa
luận được hoàn thiện hơn.
Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân Trường Đại học Sư Phạm Tp.HCM đã đáp ứng
các điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị cần thiết để học viên thực hiện khóa
luận này.
Viện y tế công cộng Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ các đo đạc mẫu phân tích
trên hệ phổ kế gamma.
Các thành viên trong gia đình đã luôn ở bên động viên và chia sẻ những lúc khó
khăn để con có thể an tâm và có thêm động lực thực hiện khóa luận.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 05 năm 2019
Sinh viên
Phạm Thị Thùy Dương
- 2
Mục lục
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................................. 3
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................................ 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................ 5
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 6
CHƯƠNG I-TỔNG QUAN ..................................................................................................... 8
1.1 . Tình hình nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến khóa luận ............................. 8
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................................... 8
1.1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ........................................................................ 10
1.1.3. Mục tiêu và nội dung của khóa luận ...................................................................... 13
1.2. Cơ sở lí thuyết .............................................................................................................. 13
1.2.1. Chuỗi phóng xạ trong tự nhiên ............................................................................... 13
1.2.2. Qui luật phân rã phóng xạ....................................................................................... 16
1.2.3. Cân bằng phóng xạ ................................................................................................. 17
1.2.4. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất ............................................................. 18
1.2.5. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ..................................................................... 20
1.2.6. Hệ số tự hấp thụ ...................................................................................................... 21
1.3. Kết luận chương 1........................................................................................................ 23
CHƯƠNG II-ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................. 24
2.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................................. 24
2.1.1. Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe ............................................................... 24
2.1.2. Mẫu chuẩn và mẫu phân tích .................................................................................. 24
2.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 26
2.2.1. Các phương pháp xác định hoạt độ ........................................................................ 26
2.2.2. Công thức xác định hoạt độ .................................................................................... 27
2.3. Kết luận chương 2........................................................................................................ 28
CHƯƠNG III-KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................................... 29
3.1. Xây dựng đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ................................ 29
3.2. Xác định hoạt độ của các mẫu phân tích ................................................................... 32
3.3. Kết luận chương 3........................................................................................................ 37
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 38
PHỤ LỤC ................................................................................................................................ 42
- 3
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
Ký hiệu Ý nghĩa
λ Hằng số phân rã của nguồn đồng vị phóng xạ (1/giây)
ρ Mật độ khối lượng (g/cm3)
ε Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần
I Xác suất phát bức xạ gamma của nguồn đồng vị phóng xạ
A Hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ trong mẫu (Bq/kg)
Các chữ viết tắt:
Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ETNA Efficiency Transfer for Nuclide Chương trình chuyển hiệu suất
Activity measurements cho phép đo phóng xạ
FWHM Full Width at Half Maximum Bề rộng ở một nửa giá trị cực đại
HPGe High Purity Germanium Đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết
IAEA International Atomic Energy Cơ quan năng lượng nguyên tử
Agency quốc tế
MCNP Monte Carlo N Particles Chương trình mô phỏng Monte
Carlo
MDA Minimum Detectable Activity Hoạt độ phát hiện tối thiểu
WDXRF Wavelength Dispersive X-Ray Phương pháp tán sắc bước sóng
Fluorescence huỳnh quang tia X
- 4
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT Chỉ số bảng Nội dung Trang
1 2.1 Thông số mẫu chuẩn RGU-1 và các mẫu 25
phân tích
2 3.1 Kết quả xác định hiệu suất ghi đỉnh năng 28
lượng toàn phần của mẫu RGU-1
4 3.2 Độ sai biệt hiệu suất ghi đỉnh năng lượng 30
toàn phần của mẫu chuẩn RGU.
5 3.3 Thành phần nguyên tố hóa học có trong 32
mẫu chuẩn và mẫu phân tích.
6 3.4 Hệ số tự hấp thụ của các mẫu 33
7 3.5 So sánh hoạt độ trực tiếp và hoạt độ cân 34
bằng của mẫu 1
8 3.6 Độ sai biệt của đồng vị 226Ra đối với các 35
đồng vị còn lại khi đo trực tiếp của mẫu
1
9 3.7 Độ sai biệt của đồng vị 226Ra đối với các 35
đồng vị còn lại khi đo cân bằng của mẫu
1
12 3.8 So sánh hoạt độ của 226Ra xác định bằng 35
phương pháp trực tiếp và phương pháp
đo cân bằng hoạt độ.
- 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
STT Chỉ số hình Nội dung Trang
1 1.1 Chuỗi phóng xạ tự nhiên Uranium-238 14
2 1.2 Chuỗi phóng xạ tự nhiên Uranium-235 15
3 1.3 Hiệu ứng quang điện 18
4 1.4 Tán xạ Compton 19
5 1.5 Sự tạo cặp 19
6 1.6 Quá trình hấp thụ bức xạ khi đi qua vật 21
liệu
7 2.1 Hệ phổ kế gamma phông thấp tại Viện y 24
tế công cộng Tp. HCM
8 2.2 Mẫu chuẩn RGU-1 (a) và mẫu đá phân 25
tích (b)
9 3.1 Phổ mẫu chuẩn RGU-1 được ghi nhận 28
bởi đầu dò HPGe
10 3.2 Đường chuẩn hiệu suất ghi đỉnh năng 30
lượng toàn phần của mẫu chuẩn RGU-1
11 3.3 Phổ mẫu phân tích M1 được ghi nhận bởi 31
đầu dò HPGe GEM P4-83 bằng phương
pháp trực tiếp
12 3.4 Phổ mẫu phân tích M1 được ghi nhận bởi 32
đầu dò HPGe GEM P4-83 bằng phương
pháp do cân bằng hoạt độ
14 3.5 Đồ thị so sánh hoạt độ đo trực tiếp và 34
hoạt độ đo cân bằng của mẫu số 1
15 3.6 So sánh hoạt độ của đồng vị 226Ra của 5 36
mẫu phân tích.
- 6
MỞ ĐẦU
Xác định hoạt độ bằng phương pháp đo cân bằng là phương pháp được sử dụng phổ
biến. Tuy nhiên, với phương pháp này cần phải xử lí mẫu cẩn thận và có thời gian nhốt
mẫu là khoảng 20 đến 30 ngày để quá trình cân bằng xảy ra. Dẫn đến nhiều nhược điểm
như đối với các mẫu sinh học sẽ rất dễ hư hỏng, còn đối với các mẫu đá sẽ xảy ra hiện
tượng thoát khí Rn khi mẫu không được đóng kín dẫn đến sai số trong quá trình phân
tích. Từ những nhược điểm trên phương pháp xác định trực tiếp hoạt độ được đề xuất
với khả năng khắc phục được các nhược điểm của phương pháp đo cân bằng. Cùng với
đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết (HPGe) với ưu điểm là độ phân giải năng lượng cao
đang được sử dụng phổ biến trong phép phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ phát
gamma. Khóa luận được thực hiện với mục tiêu là xác định hoạt độ một số mẫu môi
trường bằng phổ gamma ghi nhận bởi đầu dò HPGe bằng phương pháp trực tiếp. Để xác
định hoạt độ của đồng vị phóng xạ bằng hệ phổ kế gamma bằng phương pháp đo trực
tiếp, có hai vấn đề chủ yếu cần phải được giải quyết là: (1) chuẩn hiệu suất ghi nhận tại
đỉnh năng lượng toàn phần, (2) tính toán hệ số hấp thụ của vật liệu. Hiệu suất đỉnh phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như: đặc trưng phân rã của đồng vị phóng xạ hiện diện trong
mẫu, năng lượng của bức xạ gamma tới, hình học của đầu dò, khoảng cách từ mẫu đến
đầu dò, kích thước và thành phần hóa học của mẫu. Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào thành
phần hóa học của mẫu. Do đó, việc hiệu chỉnh cho vấn đề này cần phải được thực hiện
đối với từng phép đo cụ thể, và nó là khó khăn gặp phải khi tiến hành bằng phương pháp
trực tiếp.
Khóa luận tập trung trình bày phương pháp xác định hoạt độ một số mẫu môi trường
(ở đây là các mẫu đá đã qua xử lí) bằng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe. Trong
quá trình xác định, nhận thấy có sự đóng góp tỷ lệ của 226 Ra trong hệ gamma. Sử dụng
kết quả từ các nghiên cứu khác thì trong tổng số đếm của đỉnh 186,21 keV có 57,2% là
của 226
Ra với sự tồn tại của trạng thái cân bằng [9],[11]. Các tính toán đã sử dụng để
xác định hoạt độ của 226
Ra cho phép đo trực tiếp và nhanh chóng bằng cách sử dụng
đỉnh 186 keV. Nội dung của khóa luận bao gồm:
Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về các chủ đề liên quan đến khóa luận;
mục tiêu và các nội dung nghiên cứu; các cơ sở lý thuyết được sử dụng trong
khóa luận.
- 7
Mô tả đối tượng nghiên cứu và các phương pháp sử dụng trong khóa luận.
Trình bày các kết quả xác định hoạt độ của các mẫu phân tích sau khi đã tính toán
hệ số hấp thụ vật liệu, so sánh giữa các phương pháp và đánh giá độ sai biệt.
- 8
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
1.1 . Tình hình nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến khóa luận
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần là đại lượng quan trọng, ảnh hưởng đến
kết quả phân tích hoạt độ của đồng vị phóng xạ bằng hệ phổ kế gamma. Trong phép đo
mẫu môi trường, do hàm lượng của các đồng vị phóng xạ hiện diện trong mẫu thường
rất thấp, nên nó yêu cầu mẫu đo phải được chuẩn bị ở dạng thể tích với kích thước lớn.
Khi đó, hiệu suất đỉnh của phép đo sẽ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng tự hấp thụ trong mẫu.
Trong cùng một điều kiện hình học đo, hiệu ứng tự hấp thụ phụ thuộc vào thành phần
nguyên tố và mật độ khối lượng của mẫu, mà nó là khác biệt giữa các mẫu đo khác nhau.
Do đó, việc tính toán hiệu suất đỉnh và hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ cần phải được thực
hiện đối với từng mẫu đo. Đường chuẩn hiệu suất đỉnh cho phép đo quan tâm có thể
được xác định bằng thực nghiệm như trong một nghiên cứu của Vukanac và cộng sự
[19]. Phương pháp này đòi hỏi phải có các mẫu tham khảo với hình học, thành phần
nguyên tố và mật độ khối lượng tương tự mẫu phân tích. Khi đó, hoạt độ của các đồng
vị phóng xạ trong mẫu phân tích có thể được xác định dựa trên đường chuẩn hiệu suất
thực nghiệm. Tuy nhiên, phương pháp thực nghiệm như vậy khó có thể được ứng dụng
đối với nhiều phòng thí nghiệm, bởi vì không đủ điều kiện để chế tạo các mẫu tham
khảo cũng như sự tốn kém về thời gian và tiền bạc. Do đó, các phương pháp tính toán
đã được phát triển để giải quyết các vấn đề này. Một số chương trình mô phỏng đxa
được phát triển và sử dụng rộng rãi như MCNP, GEANT, EGS hoặc các chương trình
tính toán như ETNA, EFTRAN, TRUECOIN. Độ tin cậy của các chương trình tính toán
đã được đánh giá bởi nhiều công trình nghiên cứu. Trong đó một số nghiên cứu tiêu biểu
như sau:
Radu và cộng sự [18] đã đánh giá khả năng của phương pháp chuyển hiệu suất, sử
dụng chương trình ETNA, để tính toán hiệu suất đỉnh cho một vài hình học đo khác
nhau dựa trên đường chuẩn hiệu suất đỉnh thu được từ hình học đo tham khảo của nguồn
dạng điểm. Trong nghiên cứu này, một hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe đồng
trục loại n được sử dụng để ghi nhận các phổ thực nghiệm. Các nguồn phóng xạ chuẩn
- 9
dạng điểm và dạng trụ được đo tại các khoảng cách khác nhau từ cửa sổ của đầu dò. Hệ
số hiệu chỉnh trùng phùng thực cho các hình học đo này được tính toán bằng chương
trình GESPECOR. Đường chuẩn hiệu suất đỉnh (đã hiệu chỉnh trùng phùng thực) cho
phép đo nguồn điểm tại khoảng cách 100 mm được sử dụng làm dữ liệu tham khảo để
tính toán hiệu suất đỉnh cho các hình học đo khác bằng chương trình ETNA. Giá trị của
các thông số hình học đầu dò cung cấp từ nhà sản xuất được sử dụng trong các tính toán
hiệu chỉnh trùng phùng thực và chuyển hiệu suất. Sau đó, các giá trị hiệu suất đỉnh tương
ứng thu được từ thực nghiệm (đã hiệu chỉnh trùng phùng thực) và tính toán bằng ETNA
được so sánh với nhau. Các kết quả đạt được cho thấy rằng chương trình ETNA là công
cụ hiệu quả và đáng tin cậy để tính hiệu suất đỉnh cho các phép đo sử dụng hệ phổ kế
gamma.
Yasser và cộng sự [7] đã ứng dụng phương pháp chuyển hiệu suất Monte Carlo để
tính toán hiệu suất đỉnh của đầu dò HPGe đồng trục loại n cho phép đo mẫu môi trường.
Trong nghiên cứu này, chương trình MCNPX được sử dụng để thực hiện các mô phỏng
Monte Carlo ứng với các hình học đo quan tâm. Hiệu suất đỉnh thực nghiệm của phép
đo nguồn 152Eu dạng trụ tại khoảng cách 320 mm từ cửa sổ đầu dò được sử dụng làm dữ
liệu tham khảo để xác định đường cong hiệu suất đỉnh của phép đo ba mẫu tham khảo
gồm DL-1a, IAEA-375 và IAEA-RGU. Sau đó, hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong
những mẫu này được xác định dựa trên các đường cong hiệu suất đỉnh đạt được. Kết
quả cho thấy độ sai biệt giữa giá trị hoạt độ đo được và giá trị tham khảo là nhỏ hơn 5%.
Điều này chứng minh rằng, phương pháp chuyển hiệu suất Monte Carlo là đủ tin cậy để
ứng dụng cho việc phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu môi trường.
Y.Y. Ebaid và các cộng sự [15] đã phát triển công thức thực nghiệm đơn giản và
đáng tin cậy để xác định tỉ lệ đóng góp số đếm của 235U và 226Ra tại đỉnh 186 keV. Trong
nghiên cứu này, những tính toán đã thể hiện rằng 226Ra đóng góp khoảng 58,3% và 235U
là 41,7% trong tổng số đếm tại đỉnh 186 keV khi có sự cân bằng thế kỉ. Ngoài ra, các
tính toán còn được áp dụng để tính hoạt độ 226
Ra trong mẫu mà không cần xảy ra cân
bằng thế kỉ giữa 226Ra và các sản phẩm con cháu. Phương pháp này có thể dùng để ước
tính uranium tổng cộng trong các mẫu mà không cần điều kiện cân bằng giữa 238
U và
các sản phẩm phân rã.
- 10
De Corte và các cộng sự [13] đã xác định tuổi của các mẫu trầm tích theo phương
pháp phân tích phổ gamma, điều quan trọng là phải biết trạng thái cân bằng thế kỉ trong
chuỗi phân rã Th và U trong suốt quá trình tích lũy liều bức xạ môi trường trong mẫu
địa chất. Khó khăn ở đây là trong phổ có sự đóng góp của 235U (185,7 keV) tại đỉnh 186
keV, những thông số hiệu chỉnh khác nhau được đề cập và đã được kiểm tra thông qua
việc phân tích và so sánh với các tài liệu tham khảo.
Péter Völgyesi và các cộng sư [17] Tỷ lệ hoạt động 238U và sự hiện diện của trạng
thái cân bằng thế kỉ 238
U, 226
Ra trong các mẫu xỉ than đã được nghiên cứu trong công
trình này để quyết định xem có thể sử dụng đỉnh 186 keV của 226Ra để xác định hoạt độ
mặc dù có nhiễu với 235U hay không. Nguyên cứu cho phép đo trực tiếp hoạt độ 226Ra
bằng cách sử dụng đỉnh của chính nó. Sau đó, tác giả đã chứng minh rằng phương pháp
này có thể được sử dụng thành công trên các mẫu cân bằng tỉ lệ uranium và cân bằng
thế kỉ của chuỗi 238U. Theo cách này, có thể rút ngắn đáng kể thời gian chuẩn bị mẫu,
tức là có thể đo đạc ngay sau khi chế tạo mẫu mà không cần thời gian chờ đợi sự cân
bằng thế kỉ.
Y.Y. Ebaid và các cộng sự [14] đã sử dụng phương pháp phân tích phổ gamma như
một kỹ thuật không phá hủy và tương đối đơn giản để đánh giá các tỷ lệ đồng vị uranium
trong các mẫu môi trường để điều tra tình trạng của chúng về việc bình thường, được
làm giàu hoặc cạn kiệt. Kỹ thuật này được khuyến khích thực hiện phân tích bảo vệ môi
trường cho tất cả các loại mẫu môi trường
1.1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Ngô Quang Huy và các cộng sự [4] đã trình bày phương pháp đo hoạt độ 238U trong
các mẫu đất bằng hệ phổ kế HPGe phông thấp ở đỉnh năng lượng 63,3 keV. Hoạt độ
238
U thấp nên đòi hỏi một mẫu đất có kích thước lớn với khối lượng khoảng 100 g. Các
hiệu ứng hình học và tự hấp thụ cũng như sự phụ thuộc mật độ của các mẫu đất sau đó
đã được nghiên cứu. Một quy trình phân tích các mẫu đất được thiết lập với sai số tương
đối khoảng 10%. Hai mẫu đất có hoạt độ đã biết được dùng làm mẫu chuẩn và 106 mẫu
đất được thu thập từ phía Nam của Việt Nam đã được phân tích, sau đó những kết quả
này được so sánh bằng phương pháp phân tích kích hoạt neutron.
Trần Thiện Thanh và các cộng sự [11] đã nghiên cứu trình bày một quy định để ước
tính kết quả trùng phùng ngẫu nhiên để đo mẫu môi trường. Thứ nhất, các yếu tố hiệu
- 11
chỉnh trùng phùng tổng được xác định bằng chương trình ETNA. Thứ hai, các mẫu được
kiểm tra bằng cách sử dụng hoạt độ phân tích của các đồng vị phóng xạ trong mẫu với
hiệu chỉnh tổng hợp ngẫu nhiên được sử dụng đúng bằng mã MCNP-CP. Cuối cùng, kết
quả đo hoạt độ phóng xạ của cả hai đầu dò được trình bày, các đánh giá theo tiêu chuẩn
IAEA thể hiện sự phù hợp cho tất các kết quả. Điều này chứng minh rằng quy trình được
trình bày là một phương pháp đơn giản, hữu ích và có độ chính xác cao cho các phòng
thí nghiệm phân tích sử dụng phép đo phổ gamma, được áp dụng cho các mẫu môi
trường.
Lê Quang Vương và các cộng sự [12] đã trình này sự đóng góp tỷ lệ của 226Ra và
235
U trong phổ gamma với dữ liệu hạt nhân cập nhật mới nhất. Kết quả cho thấy, trong
tổng tốc độ đếm của đỉnh 186 keV bao gồm 57,2% của 226Ra (186,2 keV) và 42,8% của
235
U (185,7 keV) với sự tồn tại của trạng thái cân bằng. Các tính toán này đã được sử
dụng để xác định hoạt độ của 238U cho phép đo trực tiếp và nhanh chóng chỉ bằng cách
sử dụng đỉnh 186 keV và xác minh trạng thái cân bằng thế kỉ 238U, 226Ra. Một phương
pháp cân bằng được đo cân bằng thế kỉ của chuỗi phân rã 238U thông qua sản phẩm phân
rã 214
Bi, năng lượng 609.3 keV được sử dụng cho nghiên cứu này. Độ lệch tương đối
nhỏ hơn 4,0% giữa cả hai phương pháp đã chứng minh phương pháp trực tiếp là đáng
tin cậy và có thể được áp dụng để xác định hoạt độ của 238
U trong các mẫu cân bằng
phóng xạ.
Ngô Quang Huy và cộng sự [4,7] đã đề xuất phương pháp bán thực nghiệm để xác
định hoạt độ của đồng vị phóng xạ trong mẫu môi trường dạng trụ bằng hệ phổ kế gamma
sử dụng đầu dò HPGe. Các nghiên cứu này chỉ ra rằng hiệu suất ghi nhận của đầu dò.
Trong phép đo mẫu môi trường bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng hình học và hiệu ứng tự
hấp thụ. Trong đó, hiệu ứng tự hấp thụ phụ thuộc vào mật độ khối lượng và thành phần
hóa học của mẫu. Các đường chuẩn bán thực nghiệm được xây dựng theo chiều cao và
mật độ khối lượng của mẫu đo để hiệu chỉnh cho hiệu ứng hình học và hiệu ứng tự hấp
thụ. Từ đó, hiệu suất đỉnh của đầu dò đối với phép đo quan tâm được xác định dựa trên
các đường chuẩn bán thực nghiệm đạt được. Phương pháp này đã được ứng dụng để
phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ bên trong các mẫu tham khảo cung cấp bởi
- 12
IAEA. Kết quả cho thấy có sự phù hợp giữa kết quả phân tích với giá trị hoạt độ tham
khảo.
Trương Thị Hồng Loan và cộng sự [8] đã đánh giá ảnh hưởng của thành phần hóa
học và mật độ khối lượng của mẫu đo lên đường cong hiệu suất đỉnh của hệ phổ kế
gamma bằng chương trình MCNP4C2. Trong nghiên cứu này, mô hình hệ phổ kế gamma
phông thấp sử dụng đầu dò HPGe GC2018 và mẫu đo dạng Marinelli đặt trên đầu dò.
Các mô phỏng Monte Carlo bằng chương trình MCNP4C2 được thực hiện để tính toán
hiệu suất đỉnh của các phép đo cho trường hợp có sự tự hấp thụ trong mẫu. Đồng thời,
hiệu suất đỉnh của phép đo không có ảnh hưởng của hiệu ứng tự hấp thụ cũng được tính
toán bằng cách mô phỏng Monte Carlo cho mẫu đo có thành phần là không khí. Sự so
sánh giữa hiệu suất đỉnh của các phép đo có và không có tự hấp thụ trong mẫu sẽ đánh
giá được ảnh hưởng của thành phần hóa học và mật độ khối lượng. Kết quả đạt được
cho thấy, sự khác biệt của hiệu suất đỉnh do ảnh hưởng của thành phần hóa học và mật
độ khối lượng ở vùng năng lượng dưới 100 keV là lớn hơn đáng kể so với vùng năng
lượng trên 100 keV. Sự khác biệt này gia tăng khi mật độ khối lượng của mẫu tăng lên.
Trong cùng một mật độ khối lượng và điều kiện đo thì ảnh hưởng của thành phần hóa
học của mẫu là không đáng kể. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng đưa ra một phương pháp
để hiệu chỉnh sự tự hấp thụ trong mẫu. Phương pháp này được thực hiện bằng cách làm
khớp các dữ liệu mô phỏng để xây dựng một hàm biểu diễn hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ
theo mật độ khối lượng mẫu và năng lượng của bức xạ gamma. Kết quả đo hoạt độ của
các đồng vị phóng xạ trong mẫu IAEA-375 ứng dụng phương pháp hiệu chỉnh có sự phù
hợp với giá trị hoạt độ tham khảo.
Trần Thiện Thanh và cộng sự [9] đã xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ
trong mẫu trầm tích biển bằng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe. Để cải tiến giới
hạn phát hiện của hệ đo, các phương pháp thụ động và chủ động được thực hiện để làm
giảm phông bức xạ. Cụ thể, đầu dò HPGe được đặt bên trong một buồng chắn phông để
che chắn bức xạ môi trường. Không gian bên trong buồng chắn phông được lấp đầy bởi
khí nitơ để loại bỏ sự hiện diện của radon (tồn tại trong không khí). Năm đầu dò nhấp
nháy plastic, được bố trí ở phía trên và các mặt bên của đầu dò HPGe, hoạt động ở chế
độ phản trùng phùng để loại bỏ các tín hiệu đóng góp từ bức xạ vũ trụ. Toàn bộ hệ thống
- 13
này được thiết lập trong một phòng thí nghiệm nằm dưới mặt đất 1m với tường bê tông
dày 1,5m. Mẫu trầm tích biển được cung cấp bởi IAEA ở dạng bột, đồng nhất và được
đóng gói trong một hộp ―SG50 (mẫu trụ). Đường cong hiệu suất đỉnh đạt được từ mẫu
dung dịch chuẩn với hình học tương tự mẫu đo. Hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ của mẫu
trầm tích so với mẫu dung dịch chuẩn được tính toán bằng công thức đơn giản dựa trên
các hệ số suy giảm tuyến tính của từng mẫu. Trong đó, hệ số suy giảm tuyến tính của
mẫu dung dịch chuẩn được tính bằng chương trình XCOM [2]do đã biết thành phần hóa
học. Hệ số suy giảm tuyến tính của mẫu trầm tích được xác định bằng phép đo gamma
truyền qua. Kết quả xác định hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ được tính toán bằng công thức
có sự phù hợp tốt với các giá trị tương ứng tính toán bằng chương trình GESPECOR và
ETNA cho vùng năng lượng lớn hơn 100 keV.
1.1.3. Mục tiêu và nội dung của khóa luận
Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận là sử dụng phương pháp xác định hoạt độ trực
tiếp bằng hệ phổ kế gamma ghi nhận bởi đầu dò HPGe đối với một số mẫu môi trường
sau đó so sánh với kết quả đo được từ phương pháp xác định cân bằng hoạt độ. Từ đó
giải thích được rằng có thể xác định hoạt độ của một số mẫu môi trường bằng phương
pháp trực tiếp thông qua tỷ lệ của 226Ra và 235U trong chuỗi phân rã.
Nội dung của khóa luận bao gồm xây dựng đường chuẩn hiệu suất bằng mẫu RGU-
1. Dựa vào đường cong đã xây dựng tiến hành xác định hoạt độ của các đồng vị có
trong mẫu phân tích với phương pháp đo trực tiếp. Đồng thời xác định hệ số tự hấp thụ
đối với từng mẫu nhất định và xử lí kết quả hoạt độ với hệ số tự hấp thụ đã xác định.
So sánh kết quả với hoạt độ xác định bằng phương pháp đo cân bằng hoạt độ. Đánh giá
kết quả thu được.
1.2. Cơ sở lí thuyết
1.2.1. Chuỗi phóng xạ trong tự nhiên
- 14
Hình 1.1. Chuỗi phóng xạ tự nhiên 238U
- 15
Hình 1.2. Chuỗi phóng xạ tự nhiên 235U
- 16
1.2.2. Qui luật phân rã phóng xạ
Đồng vị hạt nhân trải qua một lần phân rã (phóng xạ đơn)[3]:
N t N0e t
(1.1)
Trong đó:
λ là hằng số phân rã hay xác suất phân rã
N0 là số hạt ban đầu
N(t) là số hạt tại thời gian t
Đồng vị hạt nhân trải qua nhiều lần phân rã liên tục (phóng xạ chuỗi):
N0 N1 N2
Tốc độ tích luỹ N2 là hiệu giữa tốc độ hình thành đồng vị này do sự phân rã của
N1 và tốc độ phân rã của con:
dN 2 dN1
2 N 2 1N1 2 N 2
dt dt (1.2)
Thay vào (1.2) biểu thức của N1 rút ra từ (1.1) ta có:
dN 2
2 N 2 1 N1 e 1t 0
dt
(1.3)
Giải phương trình vi phân tuyến tính (1.3) thu được:
1
N2
2 1
N10 e1t e2 t N02e2 t
(1.4)
Giả định rằng ở thời điểm t=0 hạt nhân con đã được tách hoàn toàn khỏi nuclit
mẹ, tức là N02 0 thì (1.4) trở thành:
1
N2
2 1
N10 e 1t e 2 t
(1.5)
- 17
1
Rút ra: N2
2 1
N10 e 1t 1 e 2 1 t
(1.6)
1
Hay: N2
2 1
N1 1 e 2 1 t
(1.7)
1.2.3. Cân bằng phóng xạ
2 1 t
Sau một thời gian t đủ lớn ta thấy: e 0 và phương trình (1.6) trở thành:
1
N2 N1
2 1 (1.8)
Nghĩa là:
N2 1
= const
N1 2 1 (1.9)
Trạng thái lúc này tỷ số phân tử của hạt nhân mẹ và hạt nhân con trung gian không
thay đổi theo thời gian gọi là trạng thái cân bằng phóng xạ.
Khi 2 1 ta có 2 1 2 và phương trình (1.9) trở thành:
N 2 1
N1 2 (1.10)
Từ đó suy ra:
1N1 2 N2 (1.11)
hay
A1 A2 (1.12)
Từ công thức (1.11), (1.12) cho thấy khi đạt đến cân bằng phóng xạ, tỷ số giữa số
nguyên tử của hạt nhân con và hạt nhân mẹ luôn luôn là hằng số và hoạt độ phóng xạ
của hạt nhân mẹ và hạt nhân con luôn luôn bằng nhau. Trạng thái cân bằng phóng xạ
như vậy được gọi là cân bằng thế kỷ.
- 18
1.2.4. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
1.2.4.1. Hiệu ứng quang điện
Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma bị hấp thụ và năng
lượng gamma được truyền cho electron quỹ đạo. Electron này được gọi là quang electron
(photoelectron). Quang electron nhận được động năng Ee bằng hiệu số giữa năng lượng
gamma tới E và năng lượng liên kết EB của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra.
Hình 1.3. Hiệu ứng quang điện
Khi electron được bức ra từ một lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng
K, thì tại đó một lỗ trống được sinh ra. Sau đó lỗ trống này được một electron từ lớp vỏ
ngoài chuyển xuống chiếm lấy. Quá trình này dẫn tới bức xạ ra tia X đặc trưng.
1.2.4.2. Tán xạ Compton
Tán xạ Compton là quá trình gamma năng lượng cao tán xạ không đàn hồi lên
electron ở quỹ đạo ngoài. Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng
còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử.
nguon tai.lieu . vn