Phong va vat lieu che chan Detector

  • 2 months ago
  • 0 lượt xem
  • 0 bình luận

  • Ít hơn 1 phút để đọc

Giới thiệu

Vi buc xa vu tru chieu lien tuc vao khi quyen cua trai dat va co hoat do phong xa tu nhien trong moi truong, nen tat ca cac detector deu ghi duoc tin hieu phong nao do. Ban chat cua phong nay thay doi nhieu theo kich thuoc, loai detector va viec che chan quanh detector.

Thông tin tài liệu

Loại file: PDF , dung lượng : 0.29 M, số trang : 6 ,tên

Xem mẫu

Chi tiết

  1. KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ 31 SỐ 04 NĂM 2019 Phông và vật liệu che chắn Detector ThS. NGUYỄN ANH HÒA Trung tâm Giáo dục Thường xuyên tỉnh Gia Lai V ì bức xạ vũ trụ chiếu liên tục vào khí + Thành phần sơ cấp và thứ cấp của bức quyển của trái đất và có hoạt độ phóng xạ vũ trụ. xạ tự nhiên trong môi trường, nên tất 1.1. Hoạt độ phóng xạ của các vật liệu cả các detector đều ghi được tín hiệu phông thông thường nào đó. Bản chất của phông này thay đổi nhiều Phần lớn hoạt độ phóng xạ của các vật theo kích thước, loại detector và việc che chắn liệu cấu trúc thông thường là do nồng độ thấp quanh detector. Tốc độ đếm phông có thể cao của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên thường hàng ngàn số đếm trên giây đối với các chất được coi là tạp chất. Các thành phần quan trọng nhấp nháy thể tích lớn hoặc nhỏ hơn một số nhất là potassium-K, thorium-Th, uranium-U và đếm trên giây trong các ứng dụng đặc biệt. Bởi radium-Ra. vì độ lớn phông ảnh hưởng đến việc xác định mức bức xạ cực tiểu, nên rất có ý nghĩa trong Kali tự nhiên chứa 0,012% K40, nó phân rã những ứng dụng có chứa nguồn bức xạ hoạt với chu kỳ bán rã 1,26.109 năm qua sơ đồ phân độ thấp. Các detector thường được che chắn rã như hình 1. ngoài để cách ly các nguồn bức xạ khác trong phòng thí nghiệm. 1. Nguồn phông Có thể chia bức xạ phông thành 5 loại: + Hoạt độ phóng xạ tự nhiên từ các vật liệu cấu thành detector. Hình 1: Sơ đồ phân rã K40 + Hoạt độ phóng xạ tự nhiên của các thiết Các bức xạ phát ra là hạt bêta với năng bị phụ thuộc, giá đỡ và che chắn được đặt trong lượng cực đại 1,314 MeV (hiệu suất 89%), tia vùng lân cận trực tiếp của detector. gamma năng lượng 1,460 MeV (hiệu suất 11%) + Bức xạ từ hoạt độ của bề mặt trái đất và tia X đặc trưng của argon-Ar theo sự bắt (bức xạ trên mặt đất), phòng thí nghiệm hoặc electron. Detector gamma có thể ghi được tia các cấu trúc khác. gamma năng lượng cao này trong phổ phông, + Hoạt độ phóng xạ trong không khí bao vì kali là thành phần phổ biến trong bê tông và quanh detector. các vật liệu xây dựng khác.
  2. 32 KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ Th, U và Ra là thành viên của các dãy phân cấu của các hệ thống detector. Một số vật liệu TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG rã dài chứa các sản phẩm con cháu mà phát ra như thủy tinh pyrex chứa hoặc là K hoặc là Th phổ tổ hợp của tia alpha, bêta và gamma. Trong như là thành phần thông thường, và do đó phổ gamma trên mặt đất như hình 2, hoạt độ có mức phông khá cao. Có thể giảm hoạt độ trong dãy Th: actinium-Ac228, Ra224, bismuth- phóng xạ do tạp chất gây ra bằng việc chọn Bi212, lead-Pb212, thallium-Tl208; trong dãy U: Ra226, các mẫu có độ sạch cao. Vì vậy copper-Cu hoặc Pb214, Bi214. Hoạt độ tự nhiên sống dài của U235 magnesium-Mg được chế tạo bằng điện phân và K40 cũng là hiễn nhiên. Cũng có thể xác định thì thích hợp để sử dụng trong kết cấu của các được một đỉnh nhỏ do beryllium-Be7 được sinh ống đếm phông thấp. Thép không rỉ thường có ra bởi tương tác vũ trụ. mức phông thấp. Aluminum-Al thông thường có chứa tạp chất U và Ra nên không thích hợp để dùng để tạo ống đếm phông thấp. Đồng thau có hoạt độ thấp nếu thành phần chì trong nó thấp. Chất hàn điện và một vài vật liệu bảng mạch có thể có hoạt độ tương đối cao, chúng cũng đóng góp vào tốc độ đếm phông của detector gamma. Bảng 1: Hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong các vật liệu cấu trúc thông thường Vật liệu 232 Th (583 keV) 238 U 40 K Nhôm (6061 từ Harshaw) 0,42 0,04 < 0,05 Nhôm (1100 từ Harshaw) 0,24 < 0,017
  3. KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ 33 Đối với ống đếm nhấp nháy, vỏ thủy tinh lỏng để cung cấp cho detector Ge. Bụi phóng SỐ 04 NĂM 2019 của ống nhân quang và chân ống hoặc các vật xạ có thể bao gồm hoạt độ phóng xạ tự nhiện liệu cấu tạo khác cũng là nguồn phông tiềm hoặc rơi lắng phóng xạ khí quyển và có thể bị tàng. Ống làm bằng thạch anh thì có hoạt độ loại bỏ đáng kể bằng phin lọc đặt tại nơi cung thấp hơn đáng kể so với thủy tinh. Trước đây, cấp không khi cho phòng thí nghiệm. tạp chất K trong NaI là nguồn phông, nhưng kỹ 1.3. Bức xạ vũ trụ thuật chế tạo hiện đại ngày nay cho phép tạo ra NaI nhiễm bẩn K không đáng kể. Bismuth Thành phần có ý nghĩa của phông detector germanate (BGO) có thể cho thấy rõ phông phát sinh do các bức xạ thứ cấp được sinh ra được cho bởi nhân phóng xạ Bi207 với chu kỹ bởi tương tác của các tia vũ trụ trong khí quyển bán rã 38 năm, nó được sinh ra bởi tác dụng trái đất. Bức xạ vũ trụ sơ cấp có thể có nguồn của proton vũ trụ với Pb206 vì người ta thấy rằng gốc từ thiên hà hay mặt trời, nó tạo nên các hạt BGO thu được từ quặng chì không mang nhiễm tích điện và các ion nặng với động năng rất cao. bẩn phóng xạ này. Đối với hệ detector Ge, thì Trong tương tác của chúng với khí quyển sẽ tạo yêu cầu vật liệu detector phải rất sạch để đảm nên sự phân loại lớn các hạt thứ cấp gồm π và bảo hoạt độ phóng xạ là thấp. μ mezon, e -, p, 0n1 và photon có năng lượng trải rộng hàng trăm MeV. Những bức xạ này tới mặt Việc che chắn được đặt quanh detector để đất và có thể tạo nên các xung phông trong giảm phông khỏi tia vũ trụ hoặc bức xạ trên mặt nhiều loại detector. đất lại có thể tạo ra phông mức thấp. Bề mặt che chắn cũng có thể là nguồn hoạt độ đáng kể Vì động năng của chúng rất cao, nên các do rơi lắng phóng xạ hoặc nhiễm bẩn bề mặt hạt vũ trụ sơ cấp và thứ cấp có độ mất năng từ tai nạn sự cố. Do vậy, bề mặt bên trong của lượng tương đối đặc biệt (-dE/dx) so với độ mất các vật liệu che chắn phông thấp thường được năng lượng của electron nhanh. Do vậy, biên độ sand-blast (phun luồng cát để rửa sạch mặt xung tương ứng là nhỏ trong detector “mỏng” kim loại) trước khi khử bất kỳ hoạt độ phóng để dừng các hạt tích điện nhưng không dừng xạ bề mặt nào. Việc sơn cũng có thể làm giảm các electron. Tuy nhiên, trong các detector rắn hoạt độ alpha bề mặt, mặc dù hoạt độ phóng có chiều dày lớn như chất nhấp nháy NaI(Tl) xạ của bản thân sơn cũng cần được kiểm tra hoặc detector Ge, năng lượng đọng lại có thể trước khi sử dụng. là nhiều MeV và lúc đó các xung tương ứng có 1.2. Hoạt độ phóng xạ không khí thể lớn so với các xung tín hiệu. Lượng phông đo được có thể bắt nguồn Các thành phần thứ cấp khác nhau là khác từ không khí xung quanh mang hoạt độ phóng nhau về độ cứng hoặc khả năng đâm xuyên xạ hoặc dưới dạng lượng vết của khí phóng xạ qua vật chất. Tại bề mặt trái đất, bức xạ vũ trụ hoặc hạt bụi: radon-Rn222 và Rn220 là khí phóng thứ cấp thường hướng xuống, để che chắn có xạ sống ngắn, chúng là sản phẩm trong dãy hiệu quả thì vật liệu che chắn được đặt trên phân rã của U và Th có trong đất hoặc trong các detector. Các notron nhanh từ các tương tác vật liệu cấu trúc của phòng thí nghiệm. Hoạt của bức xạ vũ trụ (hay từ bất kỳ nguồn nào độ của chúng có thể phụ thuộc đáng kể vào khác) cũng có thể tạo nên các tia gamma thứ thời điểm trong ngày và điều kiện khí tượng. cấp trong che chắn detector. Tia gamma được Để loại bỏ ảnh hưởng của radon vào phông thì sinh ra khi notron được làm chậm và bị hấp thụ, xung quanh detector có thể được chế tạo kín khi trong chất che chắn có chứa hydro (chẳng và làm sạch khí radon tự do. Một vài phòng thí hạn bê tông). Vì vậy tia gamma 2,22 MeV có thể nghiệm sử dụng khí nitrogen từ bình nitrogen được thấy trong phổ phông.
  4. 34 KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ 2. Vật liệu che chắn của Ra226. Đồng vị này phân rã với chu kỳ bán rã TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG 2.1. Vật liệu thông thường dùng cho che 20,4 năm, nên các mẫu chì có tuổi nhiều thập chắn phông thấp niên thì sẽ gần như không còn hoạt độ này. 2.1.1. Chì Chì đã tinh chế cũng có thể có hoạt độ phóng xạ do tạp chất từ rơi lắng phóng xạ khí Bời vì chì có mật độ cao và số nguyên tử lớn quyển. Phông khác có thể sinh ra từ con cháu nên nó là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất của thorium-Th hoặc tạp chất phosphorous-P cho việc xây dựng che chắn detector. Tiết diện phổ biến trong antimony-Sb là hợp kim của chì. hấp thụ quang điện chiếm ưu thế đối với năng Một số mẫu chì có hoạt độ cao như 1,5 Bq/g, lượng gamma 0,5 MeV, và do đó tia gamma nhưng với chì sạch thì hoạt độ thấp hơn một tương đối cứng từ các nguồn phông ngoài (như hoặc hai bậc về độ lớn. tia 1,46 MeV của K40) có thể bị hấp thụ có hiệu 2.1.2. Thép quả. Vì có mật độ cao nên chiều dày của vài cm chì sẽ làm giảm đáng kể phông cho detector Sắt hoặc thép cũng là vật liệu che chắn gamma. Chì có hiệu quả trong việc loại bỏ đáng gamma phổ biến, và thường được sử dụng kể thành phần phông vũ trụ, nhưng không làm trong trường hợp cấu hình che chắn có kích giảm tốc độ đếm vì sự tích lũy bức xạ thứ cấp thước lớn, nếu chỉ dùng chì thì rất tốn kém. do tương tác của tia vũ trụ với chì. Trong trường hợp này thì lớp thép ở ngoài và lớp chì bên trong là rất hiệu quả. Sắt hoặc thép Chì được sử dụng rộng rãi dưới dạng “gạch được lấy từ các tàu sản xuất từ trước những năm chì” hình chữ nhật trong việc xây dựng các vật 1950 thì thường được sử dụng để chế tạo các che chắn gamma đơn giản. Vấn đề từ các vết vật che chắn phông thấp. Sắt hoặc thép được nứt giữa hai viên gạch có thể khắc phục được lấy từ các tàu sản xuất sau những năm 1950 thì bằng việc xây dựng vật che chắn nhiều lớp có hoạt độ mức thấp nào đó vì nhà sản xuất đã hoặc sử dụng gạch có dạng đặc biệt với bề mặt đưa vào Co60 để kiểm tra độ ăn mòn. khóa liên động. Chì cũng được đúc tương đối dễ dàng thành các hình dạng rắn, tuy nhiên cần Vì số nguyên tử và mật độ sắt hoặc thép cẩn thận trong quá trình đúc để tránh bị xốp (52 và 7,86 g/cm3) là thấp hơn nhiều so với chì hoặc tạo ra các lỗ trống. Để việc đúc được thuận (202 và 11,34 g/cm3) nên trong các ứng dụng lợi và chính xác người ta thường tạo ra các đếm phông thấp thì cần chiều dày sắt hoặc khuôn đúc có kích thước và hình dạng mong thép cỡ vài chục cm. muốn. Một phương pháp khả dụng khác để tạo 2.1.3. Thủy ngân ra các vật che chắn có mật độ thấp hơn, bằng Mặc dù tương đối đắt nhưng thủy ngân là cách thêm chì vào plastic hoặc nhựa epoxy (là vật liệu che chắn rất hiệu quả trong trường hợp loại nhựa có nhiều ưu điểm tốt như độ bám đếm phông thấp. Có thể làm sạch nó ở mức độ dính cao trên bề mặt kim loại, có tính ổn định cao qua việc chưng cất và do đó nó có hoạt độ hoá học, bền hoá chất), với vật liệu như thế có phóng xạ dư ở mức thấp. Nó thường được sử thể tạo khuôn đúc và tạo dáng dễ dàng hơn. dụng như là thành phần trong cùng của các Chì thường có hoạt độ tự nhiên đáng kể che chắn gamma lớn. Bởi vì thủy ngân có dạng do có chứa các nhiễm bẩn mức thấp, và do đó lỏng ở nhiệt độ phòng nên nó được giữ trong chì được tinh chế đặc biệt hoặc là chì được tái các công tai nơ thích hợp, thường được chế tạo chế từ nguồn chì cũ thì hay được sử dụng để từ chất lucite (là polymer tổng hợp của methyl tạo ra vật che chắn dùng trong các ứng dụng methacrylate, đôi khi được gọi là thủy tinh phông thấp. Khi vừa được tinh chế, chì có thể acrylic, vật liệu có hoạt độ phóng xạ thấp), mà chứa lượng đáng kể Pb210, là sản phẩm phân rã có thể được định dạng để làm khớp các đường
  5. KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ 35 viền phía ngoài của detector. Vì mật độ của thủy Mặc dù bê tông gồm các thành phần chủ SỐ 04 NĂM 2019 ngân (13,55 g/cm3) lớn hơn mật độ của chì và yếu là nước và các nguyên tố có số khối nhỏ, số nguyên tử thì giống nhau (tùy đồng vị), nên nhưng bê tông baryte (bê tông nặng sản xuất khi che chắn tia gamma nếu dùng thủy ngân với barit) chứa phần trăm đáng kể các thành dày của vài cm thì cho hiệu quả lớn hơn. phần nặng, và do đó nó hiệu quả hơn nhiều 2.1.4. Bê tông trong che chắn gamma. Bê tông có giá thành thấp nên nó thường 2.2. Che chắn neutron được sử dụng trong hầu hết các vật che chắn Việc che chắn neutron là quan trọng, bất có thể tích lớn. Tuy nhiên hoạt độ của nó tương kỳ detector nào được thiết kế để đếm neutron đối cao vì trong thành phần của nó có K40, U thì phải được che chắn đối với nguồn phông và các sản phẩm rơi lắng phóng xạ. Do đó, nó ngoài để tăng tỉ số tín hiệu-phông. Tuy nhiên, được sử dụng như là thành phần bên ngoài các loại detector khác, gồm các hệ đếm gamma của vật che chắn, với hoạt độ của bản thân nó được che chắn bởi các lớp thép, chì hoặc vật phông thấp cũng có thể bị ảnh hưởng bởi liệu che chắn khác có hoạt độ thấp hơn ở bên phông neutron nhanh. Phần lớn độ nhạy xuất trong. Hiệu quả khác nhau của chiều dày bê hiện vì các tia gamma được tạo ra do sự hấp tông đối với việc làm giảm thành phần phông thụ của neutron trong detector hoặc các vật vũ trụ được minh họa ở hình 3. Nếu các phòng liệu bên cạnh. Việc che chắn neutron rõ ràng là thí nghiệm được bố trí trong các nhà cao tầng quan trọng nhất là xung quanh các thiết bị tạo thì sẽ lợi dụng được các sàn nhà bê tông để làm neutron, những thành phần neutron có thể đo giảm đáng kể các thành phần phông vũ trụ. được cũng có mặt trong phông tự nhiên do các sản phẩm thứ cấp của tương tác vũ trụ. Các nguyên lý khác nhau hoàn toàn áp dụng cho việc chọn lựa các vật liệu che chắn neutron như đã được so sánh với vật liệu che chắn gamma. Quan trọng nhất là làm chậm nhanh các neutron xuống các năng lượng thấp, mà ở đó nó có thể dể dàng bị bắt trong vật liệu có tiết diện hấp thụ cao. Chất làm chậm hiệu quả nhất là các nguyên tố có số nguyên tử thấp, và do đó, vật liệu chứa hydro là thành phần chính của hầu hết các vật che chắn neutron. Trong ứng dụng này nước, bê tông và paraphin là những nguồn che chắn khối rẻ tiền. Bởi vì quãng chạy tự do trung bình của neutron nhanh là cỡ hàng chục cm trong các vật liệu như vậy, nên chiều dày một mét hoặc lớn hơn là cần thiết cho việc làm chậm hiệu quả đối với hầu hết các neutron nhanh. Một khi neutron được làm chậm, nó có Hình 3: Phổ phông từ detector nhấp nháy NaI(Tl) 7,62cm x thể bị khử qua phản ứng bắt thích hợp. Sự hấp 7,62cm được che chắn paraphin và 10,2cm chì. Cho thấy sự sai khác nhau theo chiều dày của bê tông. Dùng paraphin để ngăn thụ này có thể là có sự có mặt của hydro đối với tương tác của notron với hydro tạo đỉnh gamma 2,22 MeV. nước làm chậm, mặc dù tiết diện bắt là tương
  6. 36 KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ đối nhỏ. Do đó, neutron nhiệt có thể khuếch TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG tán một khoảng cách thấy rõ trước khi bị bắt, làm giảm tính hiệu dụng của vật che chắn. Hơn nữa, việc bắt hydro dẫn đến tạo ra tia gamma 2,22 MeV, điều này thực sự không mong muốn trong nhiều loại detector. Do đó, thành phần thứ hai thường được sử dụng trong che chắn neutron, hoặc chộn lẫn đồng nhất với chất làm chậm, hoặc là có mặt như một lớp hấp thụ gần bề mặt. Vật liệu này được lựa chọn để có tiết diện bắt neutron cao, nên các neutron đã làm chậm sẽ bị hấp thụ một cách ưu tiên trong vật liệu này. Trong che chắn neutron, cùng với việc làm chậm là khử nó. Vì vậy, boron-B và lithium-Li là các thành phần phổ biến của vật che chăn neutron. Phản ứng 10B(n,α) có tiết diện bắt cao Hình 4: Tính hiệu dụng tương đối của các vật liệu che chắn tại năng lượng thấp, và có thể dễ dàng đưa B khác nhau đối với neutron 2,6 MeV được chỉ thị bởi thông lượng neutron nhiệt đối với chiều dày khác nhau. vào paraphin và các vật liệu khác. Tuy nhiên, phần lớn các phản ứng bắt dẫn đến trạng thái Cadmium cũng được ứng dụng rộng rãi kích thích trong các hạt nhân sản phẩm, mà như là chất hấp thụ neutron nhiệt, do tiết diện sau đó phân rã bằng việc phát ra tia gamma hấp thụ của nó cao. Lớp mỏng 0,5 mm là vật 0,48 MeV. Do đó, đối với những ứng dụng nhạy hấp thụ rất hiệu quả đối với neutron nhiệt, đối với phông gamma thì tốt hơn là thay thế B nhưng phản ứng (n,γ) tiếp theo cũng sẽ thêm bằng Li. Bởi vì phản ứng 6Li(n,α) biến đổi trực vào phông gamma thứ cấp./. tiếp thành trạng thái cơ bản của sản phẩm và không phát ra tia gamma. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hiệu quả của việc tổ hợp polyethylene với [1] R.R. Finck, K. Liden and R.B.R. Persson, Nuclear Instruments and Methods, 135 (1976), p.550. B hoặc Li trong việc che chắn neutron nhanh [2] D.C. Camp, C. Gatrousis, L.A. Maynard, Nuclear được so sánh với graphit và paraphin được chỉ Instruments and Methods, 117 (1974), p.189. ra trong hình 4. Từ hình này cho thấy hỗn hợp [3] J.H. Kaye, F.P. Brauer, J.E. Fager, H.G. Rieck Jr, Nuclear Instruments and Methods, 113 (1973), p.5. của polyethylenn và các chất hấp thụ nhiệt là [4] S.C. Gujrathi, J.M. D’Auria, Nuclear Instruments and có hiệu quả đáng kể trên một đơn vị chiều dày Methods, 100 (1972), p.445. so với các vật liệu còn lại.

Download

Xem thêm
Thông tin phản hồi của bạn
Hủy bỏ