Chương 1 sẽ trình bày về các thành phần gây suy giảm cường độ chủ yếu tạo để tạo thành dạng phổ của bức xạ gamma: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp và sự đóng góp của những hiệu ứng này trong gamma phổ truyền qua của 137Cs. Tiếp theo đó, cơ sở lý thuyết về việc xác định mật độ chất lỏng bằng phương pháp gamma truyền qua sẽ được trình bày ở cuối chương. Phƣơng pháp gamma truyền qua 1. Các thành phần hình thành phổ bức xạ gamma Tia gamma (kí hiệu là γ) là một trong những bức xạ điện từ hay là những chùm photon giống như sóng vô tuyến, bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử ngoại, tia X và vi sóng.
Gamma có năng lượng lớn nhất trong phổ điện từ. Nhà khoa học người Pháp - Paul Villard đã tìm ra bức xạ gamma năm 1900 khi đang nghiên cứu về các loại bức xạ phát ra từ Radium. Tên của loại bức xạ này được Ernest Rutherford đặt là “gamma ray” tức là “tia gamma” vào năm 1903. Bức xạ gamma được tao ra từ các sao neutron và pulsar, vụ nổ siêu tân tinh và các khu vực xung quanh các lỗ đen.
Trên Trái Đất, bức xạ gamma được tạo ra bởi các vụ nổ hạt nhân và hoạt động phân rã phóng xạ của các đồng vị có trong tự nhiên. Trong hạt nhân, khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao E1 về trạng thái thấp hơn E2 (hoặc trạng thái cơ bản) thì sẽ phát ra các bức xạ gamma có năng lượng gần bằng E E1 E2. Bản chất của bức xạ gamma là sóng điện từ năng lượng cao hàng chục keV đến hàng chục MeV. Năng lượng của bức xạ gamma được xác định bởi công thức: 9 hc E h (1.1) Khi đi qua vật chất, bức xạ gamma cũng bị hấp thụ trong vật chất do tương tác điện từ.
Tuy nhiên cơ chế hấp thụ bức xạ gamma khác với các hạt tích điện như alpha, beta ở hai điểm. Đầu tiên, các lượng tử gamma không có điện tích nên không chịu ảnh hưởng của lực Coulomb khi đi đến gần lớp vỏ nguyên tử. Do năng lượng cao nên lúc xuyên qua vật chất lượng tử gamma ít va chạm với các electron và hạt nhân, do đó gamma ít lệch khỏi phương bay ban đầu của mình. Thứ hai, khối lượng nghỉ của gamma bằng không nên gamma không bị làm chậm trong môi trường vật chất, gamma chỉ bị hấp thụ, tán xạ hoặc thay đổi phương bay.
Đối với các hạt tích điện như alpha hay beta đều có quãng chạy hữu hạn trong vật chất. Bản thân gamma chỉ bị suy giảm cường độ tia tới nên một lượng tử gamma không có khái niệm quãng chạy. Các tương tác chủ yếu của gamma với vật chất là: hiệu ứng hấp thụ quang điện; hiệu ứng tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp với photon lúc ban đầu phải có năng lượng lớn hơn 1022 keV. Hiện tượng quang điện là hiện tượng photon tương tác với điện tử lớp vỏ (electron quỹ đạo) mà hầu như là lớp vỏ bên trong (lớp K, L), do gamma có năng lượng lớn và dễ dàng xuyên qua các lớp vỏ ngoài mà không gây tương tác.
Kết quả là photon này để lại toàn bộ năng lượng cho electron và tiêu biến. Lúc này, electron ở lớp vỏ nguyên tử được cấp năng lượng thoát ra ngoài nguyên tử và phát ra tia X đặc trưng. Electron thứ cấp bao gồm electron biến hoán nội di chuyển được một đoạn rồi dừng lại và bỏ lại năng lượng cho tinh thể đầu dò. Vậy nói cách khác thì hiện tượng quang điện là thành phần đóng góp chính cho đỉnh hấp thụ toàn phần.
Để có được hiện tượng quang điện thì electron phải là electron liên kết trong nguyên tử và năng lượng gamma tới phải lớn hơn năng lượng liên kết của electron để thỏa mãn biểu thức: Eelectron Ephoton lk (1.2) Tuy nhiên, không phải lúc nào gamma năng năng lượng lớn cũng gây ra tương tác quang điện. Xét từng lớp K,L,M,., khi đến một năng lượng nhất định, photon đi vào bị hấp thụ nên đầu dò không ghi nhận được dẫn đến hiệu suất giảm đột ngột. 10 Do đó, trên đường biểu diễn hệ số suy giảm khối theo bước sóng photon tới của một nguyên tố bất kì luôn xuất hiện những cạnh hấp thụ (giới hạn hấp thụ) ứng với lớp lớp đó: cùng một nguyên tố thì năng lượng cạnh hấp thụ tuân theo quy tắc EKht E L(I) ht E L(II) ht .Ứng với một lớp electron nhất định, nguyên tố có bậc nguyên tử số Z càng lớn thì năng lượng cạnh hấp thụ tương ứng càng cao. Điều này thể hiện qua tiết diện hiệu ứng quang điện: Z5 photo , E lk E 7/2 Z5 , E lk photo E (1.3) Từ công thức 1.3 có thể nhận xét tiết diện tương tác quang điện rất lớn đối với các nguyên tử nặng dù ở vùng năng lượng cao.
Ngoài ra, các nguyên tử nhẹ (Z thấp) như là cơ thể sinh học thì hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng lượng thấp.1 biểu diễn hệ số hấp thụ của hiệu ứng quang điện so với sự suy giảm toàn phần theo năng lượng.1 được vẽ từ số liệu do Viện Tiêu chuẩn và Kĩ thuật Quốc gia NIST cung cấp [12]. Cạnh hấp thụ K của 137Cs Hiện tượng tán xạ Compton là sự va chạm giữa photon tới và electron lớp vỏ (hầu như là bên ngoài). Lúc này, photon để lại một phần năng lượng cho electron còn bản thân photon lúc ban đầu thì lệch hướng bay sau khi tán xạ. 11 Tiết diện tán xạ Compton toàn phần của nguyên tử có Z electron: Z Compton E (1.4) Trong hiện tượng tán xạ Compton, việc để lại năng lượng nhiều hay ít trong vật liệu được chia thành các trường hợp sau: Tán xạ đơn: gamma tán xạ một lần lên vật chất, để lại một phần năng lượng rồi đi đến đầu dò.
Tán xạ nhiều lần: gamma tán xạ lần đầu lên vật chất và để lại một phần năng lượng. Sau đó, trong quá trình di chuyển lại bị tán xạ thêm một lần nữa và tiếp tục để lại năng lượng. Quá trình này có thể lặp lại nhiều lần nhưng gamma vẫn có thể được đầu dò ghi nhận. Năng lượng mà gamma để lại trong vật chất sau khi tán xạ có thể nhận giá trị bất kì (với góc tán xạ từ 0o đến 180o) đóng góp vào nền Compton.
Hiệu ứng tạo cặp electron-positron xảy ra khi gamma đến có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron ( 2mec2 1,02 MeV) đi qua trường điện của hạt nhân. Sau khi tạo cặp electron và positron, năng lượng của gamma chuyển hóa thành năng lượng của cặp electron – positron, cặp hạt này tiếp tục chuyển động cho đến khi electron mất năng lượng do ion hóa nguyên tử môi trường. Positron là phản hạt của electron – mang điện tích dương nên khi gặp electron nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa và hủy lẫn nhau, từ đó hủy cặp tạo ra hai photon có năng lượng 511 keV bay ngược chiều nhau. Nếu một trong hai photon đó thoát ra khỏi tinh thể sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn trong phổ gamma.
Hoặc cả hai photon đều thoát ra khỏi tinh thể sẽ tạo nên đỉnh thoát đôi. Tiết diện phản ứng tạo cặp tỉ lệ với Z2 và lnE: pair Z2 ln E (1.5) Ngoài ra còn có các tương tác khác: tán xạ kết hợp (Rayleigh) và phản ứng quang hạt nhân. Tán xạ Rayleigh: phát ra gamma cùng năng lượng nhưng hướng bay khác tia gamma ban đầu. Tương tác này đóng góp vào sự suy giảm chùm tia 12 nhưng không góp năng lượng cho đầu đò.
Phản ứng quang hạt nhân có năng lượng nhỏ hơn 5 MeV thì tiết diện không đáng kể do giới hạn quang dẫn nhỏ. Tóm lại, gamma tương tác với vật chất có ba hiệu ứng chính xảy ra đóng góp vào trong phổ gamma mà đầu dò ghi nhận được: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp electron – positron. Tiết diện vi phân tương tác toàn phần là tổng tiết diện tương tác của các quá trình này: σ total = σ photo + σ Compt + σ pair , (1.6) trong đó: σ total ,σ photo ,σ Compt ,σ pair lần lượt là tiết diện tương tác tổng, tiết diện tương tác do hiệu ứng quang điện, tiết diện tương tác do tán xạ Compton và tiết diện tương tác do hiệu ứng tạo cặp. Các tiết diện này đều được biểu diễn với đơn vị là barn (1barn = 10-24 cm2).
Cần lưu ý tiết diện của các quá trình trên tỉ lệ với nguyên Z5 Z tử số Z và năng lượng tia gamma như sau: photo , Compton. E 7/2 E Từ sự phụ thuộc của các tiết diện vào nguyên tử số Z và năng lượng E của gamma ta có thể chọn được các chất mô phỏng có cùng quy luật, đáp ứng yêu cầu phân tích phổ cho kỹ thuật gamma truyền qua (phần này sẽ được trình bày rõ hơn ở chương 2). Nhìn chung có thể thấy được đối với chùm tia gamma hẹp và đơn năng, khi tương tác với nguyên tử có Z lớn, hiệu ứng quang điện đóng vai trò quan trọng trong miền năng lượng thấp cỡ từ 0,2 MeV đến 2 MeV, hiệu ứng Compton từ 0,5 MeV đến 5 MeV còn hiệu ứng tạo cặp từ 5 MeV trở đi. Bằng sự đóng góp khác nhau của các hiệu ứng xảy ra khi gamma tương tác với vật chất, ta có được dạng phổ gamma như hình 1.
Phổ năng lượng gamma. BS: đỉnh tán xạ ngược; DPE: đỉnh thoát đôi; SPE: đỉnh thoát đơn; SS: tán xạ đơn; MS: tán xạ nhiều lần; FEA: đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần (đỉnh quang điện). Phân tích phổ gamma nguồn 137Cs Đối với nguồn 137Cs thì tại đỉnh hấp thụ toàn phần có năng lượng gần bằng 662keV. Bố trí thí nghiệm và kết nối đầu dò với phần mềm ADMCA để ghi nhận phổ.
Phổ gamma ghi nhận được trên ADMCA này cho ta biết các thông tin về thời gian đo mẫu, số đếm đỉnh phổ, số kênh, độ phân giải năng lượng của đỉnh (FWHM), diện tích đỉnh và sai số, phân bố dạng Gauss của đỉnh,… những thông tin đó giúp ta trong việc tính toán và xử lí số liệu cần quan tâm. Vậy khi xử lí các phổ gamma với phương pháp đo truyền qua, ta quan tâm đến các đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần vì các thông tin cần thiết đều được cung cấp bởi đỉnh này. thể hiện phổ ghi nhận được của nguồn 137Cs và phổ phông môi trường. Phổ 137Cs trong thực nghiệm được đo bởi đầu dò NaI(Tl) 1.