CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG 1. Nhu cầu thực tiễn Trong môi trường sống của chúng ta tồn tại rất nhiều các tác nhân phóng xạ. Các chất này có thể được hình thành từ nguồn gốc tự nhiên trong quá trình hình thành trái đất hoặc do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất trên trái đất. Ngoài ra còn có những tác nhân có nguồn gốc nhân tạo được sinh ra khi con người bắt đầu sử dụng các phản ứng hạt nhân, tia phóng xạ để phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như y tế, nghiên cứu, năng lượng,… Theo thống kê, có khoảng hơn 60 các nhân phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên.
Các hạt nhân phóng xạ này chủ yếu nằm trong chuỗi phản ứng hạt nhân của các nhân tố chính như: Urani, Thori, Radi, Kali-40… Trong đó, các hạt nhân phóng xạ phổ biến là: Radi-226, Thori-232, Kali-40… Các hạt nhân phóng xạ này thường tồn tại trong môi trường và tạo ra các tia phóng xạ tác động lên các sinh vật sống cũng như cơ thể con người gây ra những ảnh hưởng từ bên ngoài với cơ thể con người. Ngoài ra, một số hạt nhân có thể đi vào cơ thể sinh vật sống thông qua đường thức ăn, nước uống, không khí và do đó tạo ra các tia phóng xạ từ bên trong, ảnh hưởng trực tiếp đến các bộ phận bên trong của cơ thể sinh vật cũng như con người [8]. Các tia phóng xạ này với liều lượng khác nhau có ảnh hưởng với mức độ khác nhau. Ngoài ra, các loại bức xạ khác nhau (α, β, γ) do có độ xuyên sâu khác nhau nên cũng có mức độ ảnh hưởng khác nhau.
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các tia phóng xạ lên cơ thể con người, người ta đưa ra khái niệm suất liều phóng xạ (đơn vị là Sv/h) là liều bức xạ ion hóa (Sv) trên một đơn vị thời gian. 8 Nguyễn Thị Minh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Xét trong một khoảng thời gian ngắn, khi ta bỏ qua yếu tố thời gian, thì cơ thể con người sẽ có những biểu hiện khác nhau với các mức độ nhiễm xạ khác nhau như sau: -Khoảng 0.2 Sv: Không có biểu hiện bệnh lý gì -Khoảng 0.5 Sv: Giảm cầu lympho trong máu -Khoảng 3 Sv: Rụng tóc -Khoảng 10 Sv: Gần như 100% tử vong Mặc dù, với các mức độ nhiễm xạ nhỏ không gây ra những biểu hiện bệnh lý ngay, nhưng do các tia phóng xạ có thể gây ra những biến đổi trong tế bào, dẫn đến đột biến gen là nguyên nhân gây ra ung thư ở tất cả các bộ phận trong cơ thể. Vì thế, các tia phóng xạ có ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe và tính mạng của con người. Điều này càng trở nên nghiêm trọng hơn khi các tế bào sinh sản bị tác động vào.
Vì vậy, người ta đặt ra tiêu chuẩn an toàn bức xạ suất liều giới hạn cho phép để đảm bảo an toàn cho sức khỏe của người dân. Theo tiêu chuẩn này thì mỗi suất liều cho phép với dân chúng là 1mSv/năm; suất liều cho phép đối với nhân viên làm việc với bức xạ là 20mSv/năm (lấy trung bình trong 5 năm). Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới, các bức xạ hạt nhân được sử dụng khá phổ biến trong y tế (chủ yếu là dưới dạng X quang) và trong các ứng dụng kỹ thuật hạt nhân khác. Ngoài ra, chúng ta còn sử dụng năng lượng hạt nhân như là một nguồn năng lượng chính để thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt.
Do đó, nhu cầu đặt ra là phải có các thiết bị đo suất liều phóng xạ để theo dõi, kiểm soát mức độ phóng xạ trong môi trường và đưa ra những cảnh báo để chúng ta có thể kịp thời xử lý các sự cố 9 Nguyễn Thị Minh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp liên quan tới rò rỉ bức xạ hạt nhân. Thiết bị này còn được gọi là thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Các thiết bị này đã được các nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, … nghiên cứu, chế tạo và sử dụng trong các cơ sở sử dụng bức xạ hạt nhân của họ từ lâu. Tuy nhiên, bài toán nâng cao độ chính xác và ổn định cho thiết bị vẫn là một vấn đề được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm.
Cơ sở lý thuyết Để hiểu rõ về nguyên tắc hoạt động của các thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường, ta cần phải hiểu về tương tác của các tia phóng xạ với vật chất. Từ đó ta có thể đưa ra các phương pháp khác nhau để xác định được suất liều phóng xạ trong môi trường. Nếu bỏ qua các tương tác hạt nhân thì tia gamma tương tác với vật chất qua các hiệu ứng chính sau: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp electron - positron. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và điện tử liên kết với hạt nhân, trong quá trình này toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma được truyền cho điện tử.1) Trong đó: Te là động năng của electron phát ra photo electron.
Eγ là năng lượng của lượng tử gamma. Ii là năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i trong hạt nhân. 10 Nguyễn Thị Minh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Khi Eγ< IK thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, M. và không thể xảy ra trên lớp vỏ K, khi Eγ< IL hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp vỏ M, N.
và không thể xảy ra trên lớp K, L, … Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các điện tử tự do - các điện tử không liên kết với hạt nhân. Năng lượng liên kết của điện tử với nguyên tử càng nhỏ so với năng lượng của lượng tử gamma thì xác suất hiệu ứng quang điện càng nhỏ. Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt quá năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp vỏ trong cùng. Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm E-3.
Xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo khi E ≥ EK với EK là năng lượng liên kết của electron trên lớp K, tuân theo quy luật E-7/2. Nhưng khi E >> EK thì xác suất tổng cộng lại tuân theo quy luật E-1 [2] Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện phụ thuộc vào Z theo qui luật Z5. Như vậy tiết diện quang điện: Z5 σ photon = 7/2 (Khi ≥ EK) E (1.2) Z5 σ photon = (Khi E >> EK) E Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay cả ở vùng năng lượng cao còn đối với các nguyên tử nhẹ hiệu ứng quang điện chủ yếu chỉ xảy ra ở vùng năng lượng thấp. Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, một electron bị bứt ra khỏi một lớp nào đó của nguyên tử sẽ để lại một lỗ trống.
Lỗ trống này sẽ được một electron từ các lớp ngoài của nguyên tử chuyển xuống chiếm chỗ. Quá trình này dẫn tới làm phát các tia X đặc trưng hay các electron Auger. 11 Nguyễn Thị Minh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp 1. Hiệu ứng Compton Hình 1.1: Mô hình tán xạ Compton Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma tán xạ đàn hồi lên một electron quỹ đạo ngoài của nguyên tử.
Lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng, còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình tán xạ đàn hồi của gamma lên electron tự do. Công thức tính năng lượng của lượng tử gamma bị tán xạ với góc θ như sau [2]: hv 2 ( hv, = hv / 1 + 1 − cosθ ) (1.3) mec Từ công thức (1.3), góc bay của gamma sau tán xạ càng lớn thì hν’ càng bé, nghĩa là gamma càng mất nhiều năng lượng. Gamma chuyển năng lượng lớn nhất cho electron khi bay ra ở góc 1800, tương ứng với tán xạ ngược.
Góc bay ra của gamma tán xạ có thể thay đổi từ 00 đến 1800, trong lúc electron chủ yếu bay về phía trước, nghĩa là góc bay của nó thay đổi từ 00 đến 900. Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử và tỷ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy: Z σ compton = (1.4) E 12 Nguyễn Thị Minh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Trong tán xạ thì electron sau tán xạ tiêu tán động năng của nó theo cơ chế kích thích, ion hoá môi trường một cách trực tiếp như hạt beta. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron Khi tia gamma có năng lượng rất cao (Eγ> E0) cùng với hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton, trong quá trình tương tác của gamma với vật chất còn xảy ra hiện tượng tạo cặp electron-positron [2]. Quá trình tạo cặp không thể xảy ra trong chân không, mà đòi hỏi phải ở lân cận hạt nhân hoặc điện tử, khi không có mặt của hạt nhân hoặc electron, quá trình tạo cặp của lượng tử gamma không thể xảy ra.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ.
Như vậy, năng lượng ngưỡng E0 để xảy ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối lượng nghỉ của electron: E0 ≥ 2me c 2 (1.5) Khi đó: hv = Te+ + Te− + 2mec 2 (1.6) Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng lượng ngưỡng của lượng tử gamma là: E0 ≈ 4me. 13 Nguyễn Thị Minh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Tiết diện tạo cặp electron - positron trong trường Coulomb của điện tử bé hơn tiết diện hình thành cặp trong trường của hạt nhân cỡ 103 lần. Biểu thức cho tiết diện tạo cặp trong trường hạt nhân khá phức tạp. Trong miền năng lượng 5mec2< E <50mec2, tiết diện tạo cặp có dạng: σpair ~ Z2.
Theo công thức, tiết diện tạo cặp electron - positron gần như tỉ lệ với Z2 nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ có số nguyên tử lớn.