Luận văn thạc sĩ về khảo sát cấu hình che chắn bức xạ gamma bằng chương trình Penelope

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vật lý kỹ thuật khảo sát cấu hình che chắn nguồn bức xạ gamma bằng chương trình penelope, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn

• Tác giả: Lê Quỳnh Hoa
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Quang Linh
• Trường học: Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
• Đề tài: Khảo Sát Cấu Hình Che Chắn Bức Xạ Gamma Bằng Penelope
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT
• 1.1. Bản chất của tia gamma
• 1.2. Tính chất của tia gamma
• 2. CHƯƠNG 2: SỰ CHE CHẮN BỨC XẠ GAMMA
• 2.1. Tổng quan những nghiên cứu che chắn bức xạ từ trước đến nay
• 2.2. Kỹ thuật bảo vệ chống bức xạ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHE CHẮN BỨC XẠ GAMMA
• 3.1. Phương pháp Monte Carlo - Chương trình Penelope
• 3.2. Chương trình mô phỏng PENELOPE 2006
• 3.3. Kết quả thực hành ứng dụng PENELOPE 2006 tính toán che chắn bức xạ
• 3.3.1. Kết quả vận hành chương trình PENMAIN
• 3.3.2. Đồ thị phân bố phổ năng lượng electron truyền qua
• 3.3.3. Đồ thị phân bố phổ năng lượng electron tán xạ nước
• 3.3.4. Đồ thị phân bố phổ năng lượng photon truyền qua
• 3.3.5. Đồ thị phân bố phổ số electron xuất hiện sau khi qua khỏi vật
• 3.3.6. Đồ thị phân bố phổ số photon xuất hiện sau khi qua khỏi vật
• 3.3.7. Đồ thị phân bố liều tích phân theo trục Z
• 3.3.8. Đồ thị phân bố liều vi phân theo trục X
• 3.3.9. Đồ thị phân bố liều vi phân theo trục Y
• 3.3.10. Đồ thị phân bố liều vi phân theo trục Z
• 3.3.11. Đồ thị phân bố đăng liều trên một mặt cắt nào đó
• 3.3.12. Kết quả khảo sát phân bố liều trong một số thiết kế che chắn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bức xạ gamma và che chắn

Bức xạ gamma là một dạng bức xạ điện từ phát ra từ sự phân rã hạt nhân. Bức xạ gamma có khả năng xuyên thấu cao, điều này làm cho nó trở thành một mối nguy hiểm cho sức khỏe con người và môi trường. Việc che chắn bức xạ là rất cần thiết để bảo vệ con người khỏi tác hại của nó. Các phương pháp che chắn thường được sử dụng bao gồm việc sử dụng vật liệu như chì, bê tông và nước. Chương trình mô phỏng Monte Carlo, đặc biệt là Penelope, đã được áp dụng để tính toán và mô phỏng các cấu hình che chắn bức xạ gamma. Mục tiêu của nghiên cứu này là khảo sát các cấu hình che chắn khác nhau và đánh giá hiệu quả của chúng trong việc giảm thiểu bức xạ gamma.

1.1. Tính chất của bức xạ gamma

Bức xạ gamma có bước sóng ngắn và năng lượng cao, cho phép nó xuyên qua nhiều loại vật liệu mà các loại bức xạ khác không thể. Bức xạ gamma không thể nhìn thấy bằng mắt thường và không cảm nhận được bằng các giác quan của con người. Đặc điểm này làm cho việc đo lường và kiểm soát bức xạ gamma trở nên khó khăn hơn. Các nghiên cứu cho thấy rằng bức xạ gamma có thể gây ion hóa vật chất, đặc biệt là trong môi trường khí. Điều này dẫn đến việc cần thiết phải có các biện pháp bảo vệ khi làm việc với các nguồn bức xạ gamma.

II. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng Penelope

Luận văn này sử dụng chương trình Penelope để mô phỏng các cấu hình che chắn bức xạ gamma. Phương pháp Monte Carlo cho phép mô phỏng quá trình tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất một cách chính xác. Bằng cách sử dụng các mô hình hình học đơn giản, nghiên cứu đã thực hiện các tính toán để xác định hiệu quả của các vật liệu khác nhau trong việc che chắn. Kết quả cho thấy rằng độ dày và loại vật liệu có ảnh hưởng lớn đến khả năng che chắn bức xạ gamma. Việc áp dụng Penelope trong nghiên cứu này không chỉ giúp kiểm chứng các phương pháp tính toán mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách tối ưu hóa thiết kế che chắn.

2.1. Ứng dụng của Penelope trong vật lý kỹ thuật

Chương trình Penelope được phát triển để mô phỏng các quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý kỹ thuật. Việc sử dụng Penelope cho phép thực hiện các tính toán phức tạp mà trước đây chỉ có thể thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm. Chương trình này cung cấp các mô hình chi tiết về quá trình che chắn bức xạ gamma, giúp người dùng đánh giá hiệu quả của các giải pháp bảo vệ khác nhau. Hơn nữa, việc sử dụng Penelope trong nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các công nghệ che chắn bức xạ an toàn và hiệu quả hơn.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng các cấu hình che chắn khác nhau có hiệu quả khác nhau trong việc giảm thiểu bức xạ gamma. Các mô hình cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu có mật độ cao như chì có thể giảm đáng kể cường độ của bức xạ gamma. Các kết quả này được so sánh với các phương pháp tính toán giải tích để xác nhận độ tin cậy của mô phỏng. Việc phân tích các kết quả cho thấy rằng việc lựa chọn vật liệu và thiết kế cấu hình che chắn là rất quan trọng trong việc đảm bảo an toàn trong các ứng dụng liên quan đến bức xạ gamma.

3.1. Đánh giá hiệu quả che chắn

Đánh giá hiệu quả của các cấu hình che chắn cho thấy rằng độ dày và loại vật liệu có tác động lớn đến khả năng che chắn bức xạ gamma. Các mô phỏng cho thấy rằng các cấu hình với vật liệu như chì và bê tông có thể giảm đáng kể cường độ bức xạ gamma. Hơn nữa, việc tối ưu hóa thiết kế cấu hình che chắn có thể giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ mà không cần tăng đáng kể chi phí. Các kết quả này có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như y học hạt nhân, công nghiệp và nghiên cứu khoa học, nơi mà việc kiểm soát bức xạ gamma là rất quan trọng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bức xạ gamma là một dạng bức xạ ion hóa có năng lượng cao, được ứng dụng rộng rãi trong y tế, công nghiệp và năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên, bức xạ gamma cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây hại cho sức khỏe con người và môi trường. Theo ước tính, việc kiểm soát và che chắn bức xạ gamma đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo an toàn khi sử dụng, vận chuyển các nguồn bức xạ ion hóa. Nghiên cứu này tập trung khảo sát cấu hình che chắn nguồn bức xạ gamma bằng chương trình mô phỏng Monte Carlo PENELOPE 2006, nhằm đánh giá hiệu quả các thiết kế che chắn đơn giản và kiểm chứng độ tin cậy qua phương pháp tính toán giải tích.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013. Mục tiêu cụ thể là khảo sát các cấu hình che chắn hình cầu đối xứng với các vật liệu khác nhau, từ đó phát triển kỹ năng sử dụng phần mềm mô phỏng Monte Carlo trong kỹ thuật hạt nhân. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao công cụ tính toán và thiết kế che chắn an toàn bức xạ, góp phần bảo vệ sức khỏe người lao động và cộng đồng, đồng thời hỗ trợ phát triển ngành kỹ thuật hạt nhân tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vật lý hạt nhân liên quan đến tương tác của bức xạ gamma với vật chất, bao gồm:

• Hiệu ứng quang điện: Photon gamma truyền toàn bộ năng lượng cho electron liên kết trong nguyên tử, gây ion hóa và phát ra electron quang điện.
• Hiệu ứng Compton: Photon gamma va chạm với electron tự do, truyền một phần năng lượng và bị tán xạ, làm giảm cường độ chùm tia.
• Hiệu ứng tạo cặp: Photon gamma có năng lượng trên 1,022 MeV tạo ra cặp positron và electron khi tương tác với hạt nhân nguyên tử.
• Hệ số hấp thụ tuyến tính và hệ số tích lũy (Buildup factor): Mô tả sự suy giảm cường độ bức xạ khi đi qua vật liệu và ảnh hưởng của bức xạ tán xạ nhiều lần trong vật liệu che chắn.
• Các đại lượng đo lường hạt nhân: Liều hấp thụ, suất liều hấp thụ, liều tương đương, liều hiệu dụng và các hệ số trọng số mô (wr) theo khuyến cáo của ICRP.

Ngoài ra, nghiên cứu áp dụng các phương pháp tính toán giải tích về che chắn bức xạ gamma dựa trên định luật Lambert và các công thức suy giảm bức xạ, kết hợp với mô hình Monte Carlo để mô phỏng quá trình truyền và tán xạ photon trong vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, báo cáo kỹ thuật và các kết quả mô phỏng thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Mô phỏng Monte Carlo: Sử dụng chương trình PENELOPE 2006, một phần mềm mô phỏng vận chuyển photon và electron, để khảo sát các cấu hình che chắn bức xạ gamma hình cầu với các vật liệu khác nhau như chì, bê tông, sắt.
• Phân tích giải tích: So sánh kết quả mô phỏng với các phương pháp tính toán giải tích truyền thống dựa trên hệ số hấp thụ tuyến tính và hệ số tích lũy.
• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các cấu hình mô phỏng được lựa chọn dựa trên các trường hợp điển hình trong kỹ thuật hạt nhân, tập trung vào các thiết kế đơn giản để kiểm chứng độ tin cậy của chương trình.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 5 tháng, từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, mô phỏng, phân tích và tổng hợp kết quả.

Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác sự phân bố liều bức xạ trong các cấu hình che chắn, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế các lớp bảo vệ an toàn trong thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả che chắn của các vật liệu khác nhau: Kết quả mô phỏng cho thấy vật liệu chì có hệ số hấp thụ tuyến tính cao nhất, với bề dày che chắn 1 cm có thể giảm cường độ bức xạ gamma khoảng 50%, trong khi bê tông và sắt cần bề dày lớn hơn tương ứng khoảng 3 cm và 2 cm để đạt hiệu quả tương tự.

2. Ảnh hưởng của cấu hình hình học: Các cấu hình hình cầu đối xứng cho phép phân bố liều bức xạ đều hơn và giảm thiểu điểm nóng liều lượng. Sự phân bố liều vi phân theo các trục X, Y, Z được thể hiện rõ qua các đồ thị mô phỏng, với liều tích phân giảm dần theo chiều dày vật liệu.

3. Độ tin cậy của mô phỏng Monte Carlo: So sánh kết quả mô phỏng PENELOPE 2006 với phương pháp tính toán giải tích cho thấy sai số dưới 5%, khẳng định tính chính xác và khả năng ứng dụng của chương trình trong thiết kế che chắn.

4. Hệ số tích lũy và ảnh hưởng của bức xạ tán xạ: Hệ số tích lũy năng lượng được xác định tăng theo bề dày vật liệu và năng lượng photon gamma, làm tăng cường độ bức xạ đo được so với tính toán đơn giản, cần được tính đến trong thiết kế thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự khác biệt hiệu quả che chắn giữa các vật liệu chủ yếu do mật độ và nguyên tử số Z của vật liệu, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số hấp thụ tuyến tính. Vật liệu chì với Z=82 và mật độ 11,34 g/cm³ có khả năng hấp thụ bức xạ gamma tốt hơn nhiều so với bê tông (mật độ ~2,3 g/cm³) và sắt (Z=26).

Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây trong ngành kỹ thuật hạt nhân, đồng thời cho thấy ưu điểm vượt trội của phương pháp Monte Carlo trong việc mô phỏng chi tiết quá trình tương tác photon với vật chất, bao gồm cả các hiệu ứng tán xạ phức tạp mà phương pháp giải tích khó xử lý.

Việc trình bày dữ liệu qua các biểu đồ phân bố liều vi phân theo các trục không gian giúp trực quan hóa hiệu quả che chắn và xác định các vùng có liều cao cần chú ý trong thiết kế. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn phóng xạ cho người lao động và môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển kỹ năng sử dụng phần mềm mô phỏng Monte Carlo: Đào tạo kỹ sư hạt nhân và kỹ thuật y sinh về vận hành chương trình PENELOPE và các phần mềm tương tự để nâng cao năng lực thiết kế và đánh giá che chắn bức xạ trong thực tế.

2. Ứng dụng đa dạng vật liệu che chắn: Khuyến khích nghiên cứu và sử dụng các vật liệu mới như polymer hybrid gamma-ray (HGD) có ưu điểm nhẹ, không độc hại, thân thiện môi trường, nhằm giảm bề dày và trọng lượng lớp che chắn trong các ứng dụng di động hoặc không gian.

3. Thiết kế cấu hình che chắn tối ưu: Áp dụng mô phỏng chi tiết để thiết kế các cấu hình che chắn phù hợp với từng nguồn bức xạ cụ thể, đảm bảo giảm thiểu liều chiếu xạ tới mức cho phép theo tiêu chuẩn quốc tế trong thời gian ngắn nhất.

4. Xây dựng tiêu chuẩn và quy trình kiểm tra an toàn bức xạ: Dựa trên kết quả mô phỏng và tính toán giải tích, xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm tra định kỳ nhằm đảm bảo hiệu quả che chắn và an toàn cho người lao động.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-3 năm, phối hợp giữa các cơ sở đào tạo, viện nghiên cứu và các đơn vị sử dụng bức xạ để nâng cao chất lượng và hiệu quả công tác an toàn phóng xạ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Nâng cao kỹ năng mô phỏng và thiết kế che chắn bức xạ gamma, phục vụ công tác vận hành và bảo trì các nhà máy điện hạt nhân, phòng thí nghiệm hạt nhân.

2. Chuyên gia an toàn bức xạ: Áp dụng các kết quả nghiên cứu để đánh giá và kiểm soát liều chiếu xạ trong môi trường làm việc, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn quốc tế.

3. Nhà nghiên cứu vật liệu che chắn: Tham khảo các phương pháp mô phỏng và đánh giá hiệu quả vật liệu mới, phát triển các sản phẩm che chắn thân thiện môi trường và hiệu quả cao.

4. Sinh viên và giảng viên ngành Vật lý kỹ thuật, Kỹ thuật y sinh: Là tài liệu tham khảo bổ ích trong đào tạo và nghiên cứu khoa học, giúp hiểu sâu về tương tác bức xạ gamma và ứng dụng mô phỏng Monte Carlo.

Câu hỏi thường gặp

1. Chương trình PENELOPE 2006 là gì và tại sao được sử dụng?
   PENELOPE 2006 là phần mềm mô phỏng Monte Carlo chuyên dụng cho vận chuyển photon và electron trong vật liệu. Nó được sử dụng vì khả năng mô phỏng chính xác các quá trình tương tác bức xạ gamma với vật chất, hỗ trợ thiết kế che chắn hiệu quả.

2. Hiệu ứng quang điện, Compton và tạo cặp khác nhau như thế nào?
   Hiệu ứng quang điện là photon truyền toàn bộ năng lượng cho electron liên kết; hiệu ứng Compton là photon tán xạ với electron tự do, truyền một phần năng lượng; tạo cặp xảy ra khi photon có năng lượng >1,022 MeV tạo ra cặp positron và electron.

3. Hệ số tích lũy (Buildup factor) có vai trò gì trong tính toán che chắn?
   Hệ số tích lũy mô tả sự gia tăng cường độ bức xạ do bức xạ tán xạ nhiều lần trong vật liệu, làm cho cường độ đo được cao hơn tính toán đơn giản. Nó giúp thiết kế che chắn chính xác hơn, tránh đánh giá thấp liều chiếu xạ.

4. Làm thế nào để xác định bề dày lớp che chắn phù hợp?
   Bề dày được xác định dựa trên hệ số hấp thụ tuyến tính, hệ số tích lũy và mức liều cho phép. Có thể sử dụng công thức suy giảm theo lớp suy giảm một nửa hoặc mô phỏng Monte Carlo để tính toán chính xác.

5. Vật liệu nào được khuyến nghị sử dụng cho che chắn bức xạ gamma?
   Chì là vật liệu phổ biến do mật độ cao và hiệu quả hấp thụ tốt. Tuy nhiên, các vật liệu mới như polymer hybrid gamma-ray (HGD) đang được nghiên cứu vì nhẹ, không độc hại và thân thiện môi trường, phù hợp cho các ứng dụng đặc biệt.

Kết luận

• Nghiên cứu đã khảo sát thành công các cấu hình che chắn bức xạ gamma hình cầu bằng chương trình PENELOPE 2006, chứng minh tính chính xác và hiệu quả của phương pháp mô phỏng Monte Carlo.
• Vật liệu chì cho hiệu quả che chắn cao nhất, trong khi bê tông và sắt cần bề dày lớn hơn để đạt mức giảm tương đương.
• Hệ số tích lũy năng lượng và bức xạ tán xạ cần được tính đến để đảm bảo thiết kế che chắn an toàn và chính xác.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao kỹ năng thiết kế và đánh giá che chắn bức xạ trong kỹ thuật hạt nhân, hỗ trợ phát triển ngành tại Việt Nam.
• Đề xuất phát triển đào tạo, ứng dụng vật liệu mới và xây dựng tiêu chuẩn an toàn bức xạ trong vòng 1-3 năm tới nhằm tăng cường bảo vệ sức khỏe và môi trường.

Luận văn này là tài liệu tham khảo quan trọng cho các chuyên gia, kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật hạt nhân và an toàn phóng xạ, đồng thời mở ra hướng phát triển ứng dụng mô phỏng Monte Carlo trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TƯƠNG TÁC CUA BUC XA GAMMA VOI VAT CHAT 1. Bản chất của tia gamma 1. Tia Gamma Bức xa gamma [18] là hiện tượng hạt nhân chuyền từ trang 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 đối số khối A và điện tích Z.

Công thức của quá trình là: (yX >,Xˆ+z (1.1) Như vậy phân rã gamma chỉ xảy ra trong hạt nhân kích thích. Hạt nhân kích thích có thể thu được bằng nhiều cách. Trong phản ứng hạt nhân do kết quả băn phá bởi các hạt tích điện, hạt neutron và các photon khác mà hạt nhân bia sẽ được nâng lên trạng thái kích thích. Sau phân rã alpha và beta hạt nhân mới tạo thành có thể năm ở trạng thái kích thích.

Đây là cách đơn giản và phố biến nhất để thu được những hạt nhan bức xạ gamma. Tia gamma là các sóng điện từ có bước sóng cực ngắn (1074 m — 1012 m) phát ra trong sự phân rã của hạt nhân nguyên tử. Tia gamma và tia Roentgen đều là các sóng điện từ nhưng gamma có bước sóng ngăn hơn, độ đâm xuyên lớn hơn (có thé xuyên qua lớp vật liệu dày như xuyên qua 10cm Pb). Điểm khác biệt co ban của 2 loại tia ở chỗ: tia Gamma phát ra từ hạt nhân nguyên tử còn tia Roentgen phát ra bởi sự dịch chuyển trạng thái từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp hơn của các electron trong lớp vỏ nguyên tử.

Tia Roentgen được tạo ra khi các điển tử bị hãm, những điện tử có tốc độ cao đến gần (bay ngang qua) hạt nhân mang điện dương chúng chịu một lực hút và chuyển động chậm lại. Trong quá trình bị làm chậm hoặc bi ham chúng bị mat đi một phần động năng ban đầu dưới dạng tia Roentgen (theo điện động lực học cô điển). Đôi khi điện tử bị dừng lại tức thì, khi đó toàn bộ năng lượng của chúng được chuyển thành năng lượng cực đại của bức xạ Roentgen (có bước sóng cực tiểu). Trong ống phóng tia Roentgen, khi các electron đập vào bia thì tốc độ của chúng thay đổi liên tục trong trường Coulomb của các nguyên tử bia hay nói cách khác năng lượng của các electron bị mat dan, do đó các tia Roentgen phát ra có bước sóng thay đổi liên tục trong một dải rộng vì vậy phố của nó là một phổ liên tục.

Các đồng vị phóng xa phát ra một hoặc nhiều loại sóng. Do vậy trong phô của nó có các vạch khác nhau tương ứng với các sóng đó. Ví dụ: Co (T=5,2714 năm) phát ra 2 loại sóng trội ở 1173,228 KeV và 1332. J7Gs (T=30,07 năm) phát ra | loại sóng trội ở 661,657 KeV.

Co (T= 271,79 ngày) phat ra 3 loại sóng trội 14,6 KeV; 122,06 KeV; 136,47 KeV. 41 Am (T=432,2 năm) phát ra 2 loại sóng trội 26,3446 KeV và 54,5409 KeV. Tất cả các nguồn øamma đều có dạng pho vạch (tức là có năng lượng xác định và có các đỉnh đặc trưng cho năng lượng của chúng là rời rạc) khác với phố của tia Roentgen. Thường người ta mô tả một tia gamma nhất định băng năng lượng của nó hơn là biểu diễn nó theo chiều dài bước sóng.

Ví dụ như phố của một nguồn gamma có dạng như sau: > Lư độCường Ỳ Sô kênh Hình 1.1: Phố của một nguồn gamma 1. Tính chất của tỉa samma [18] 4 Không nhìn thấy được bang mat thường. + Không cảm nhận được băng các giác quan của con người. + Có khả năng làm cho một số chất phát quang.

Một số có tính chất như vậy là Canxi, Bari, Diamond (Kim cương). + Chuyến động với vận tốc của ánh sáng. + Có hại đối với các tế bào sống, gây nguy hiểm đối với sức khoẻ của con người, vì vậy cần phải rất cân thận khi làm việc, tiếp xúc với tia gamma. + Có thé ion hoá vật chất (Đặc biệt với chất khí, chất khí rat dé bị Ion hoá dé trở thành các điện tử và lon dương).

% Tuân theo các định luật cơ bản của ánh sáng (Phan xạ, khúc xa, truyền theo đường thăng). % Tuân theo quy luật : Cường độ của nó tỉ lệ nghịch với bình phương 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 được. Độ đâm xuyên phụ thuộc vào năng lượng của photon gamma, mật độ và chiều dày lớp vật chat.

Quy luật hap thụ của photon gamma có dạng tong quát như SaU: T=1,e" B Trong đó: I, Io, w,x,B lần lượt là cường độ chùm tia tại vi tri x, cường độ chùm tia ban đầu, hệ số hấp thụ, chiều dày lớp vật chất mà photon đã xuyên qua (mà tại đó gamma có cường độ I), hệ SỐ Build-up (sẽ xem Xét ở phân sau). % Chúng tác dụng lên lớp nhũ tương của phim ảnh. Tương tác của tia gamma với vat chat Tia gamma thuộc loại bức xạ có tính thâm nhập cao đối với vật chất. Khi đi vào môi trường vật chất, các photon năng lượng cao cỡ MeV có thể tương tác với các nguyên tử của môi trường với 3 kiểu tương tác chính là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và sự sinh cặp (do photon năng lượng cao nên bỏ qua tấn xạ Rayleigh) [12,7, 3].

Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện [12,7] là quá trình tương tác của lượng 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 toàn bộ năng lượng của mình cho electron liên kết của nguyên tử (photon gamma bị biến mất). Năng lượng ấy một phần đề chiến thăng sự liên kết với hạt nhân nguyên tử, phân còn lại biến thành động năng của electron bay ra. Vé mặt năng lượng: hv=W,+E, (1.1) Đặc điểm của hiệu ứng quang điện là chỉ xảy ra khi năng lượng của lượng tử gamma lớn hon năng lượng liên kết của electron (E,>E,).

Hiệu ứng quang điện xảy ra càng mạnh khi liên kết của electron trong nguyên tử bền vững va hau như không xảy ra với electron có liên kết yếu, đặc biệt là khi năng lượng liên kết của lượng tử gamma E, > E,. Điều nay định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng của các hạt tham gia phản ứng không cho phép. Nói chung, hiệu ứng quang điện thường xảy ra ở các lớp electron phía trong [7]. Tia X đặc trưng 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 lượng nhưng vì khối lượng của nguyên tử lớn hơn rất nhiều so với khối lượng của electron nên động năng giật lùi này có thể bỏ qua trong phương trình (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 được gọi là hiệu ứng Auger. Trong đó khi electron quang điện phát ra từ các lớp trong (lớp K chang hạn) thì nguyên tử nam ở trạng thái kích thích và năng lượng kích thích này biến mat bang cách giải phóng thêm một hay vài electron liên kết yếu (được gọi la electron Auger). Sự phân bố không gian (phân bố góc) của các electron trong hiệu ứng quang điện rất đặc trưng.

Khi các photon gamma có năng lượng nhỏ thì các electron quang điện bay ra chủ yếu theo phương vuông góc với phương truyền của tia gamma tới. Khi tăng năng lượng của gamma hình ảnh phân bố thay đổi. Các electron quang điện ưu tiên bay về phía truớc theo hướng tạo với hướng truyền của gamma một góc càng nhỏ nếu năng lượng của gamma càng lớn. Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện 5 vào năng lượng gamma khá phức tạp [7]: | + Đối với mỗi lớp electron, khuynh hướng chung của sư phụ thuộc là ở ~ = ae ` | + Đôi với z>E, thì 6~—, 7/2 b ke ge ` | + Đôi với £ > E, thi ở~— E Sự phụ thuộc tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lượng của lượng tử gamma được biêu diễn trên do thi.3: Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lượng của photon gamma Ta thay rõ ràng khi di qua các giá trị biên hấp thu có sự nhảy bậc của tiết diện hiệu ứng quang điện.

Hay có sự nhảy bậc của hệ SỐ hấp thụ (ở những năng lượng của gamma có tiết diện hiệu ứng quang điện lớn tức là hiện tượng 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 phat ra quang điện tử và các tia X đặc trưng (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 trưng). Hiệu ứng Compton Khi tăng năng lượng của photon gamma lên trên biên hấp thụ K quá trình hap thụ sẽ chủ yếu thay đổi từ hướng hấp thụ quang điện sang hướng Compton. Trong hướng Compton, photon gamma va chạm định hướng 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 như một hạt nó sẽ truyền một phần năng lượng của mình cho electron tự do làm electron tự do đó bật ra xa và chuyển động với van tôc nào đó trong khi photon ay bị tan xạ một góc nao đó va năng lượng bị giảm đi [7]. mv e compton © nguyen tử Hình 1.4: Quá trình tương tác Compton Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng cho hệ ta có phương trình sau [7]: ho ho = ho 1+ 5 (1—cos 6) MC Day là hệ thức liên hệ giữa năng lượng photon tới Av , năng lượng photon tan xạ hv ; và góc tán xạ 0. Tan xa 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 được coi như tự do với photon năng lượng cao. Xác suất tương tác Compton tăng một cách tuyến tính với nguyên tử số của chất gây tán xạ và giảm chậm khi tăng năng lượng của photon [3].

Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu dụng vào năng lượng trong hiệu ứng Compton có dạng khác nhau tùy theo vùng năng lượng của lượng tử gamma. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện tán xa Compton vào năng lượng cua gamma: 10 10 e O compton 10 10 E, (MeV) 0 0.5: Sự phụ thuộc cua tiết diện tán xạ Compton vào năng lượng E, 1.