Chương 1: Tổng quan về tương tác của chùm electron với vật chất. C hương này trình bày về các tương tác chủ yếu của electron với vật chất: sự mat năng lượng do quá trình ion hóa và phát bức xạ ham, quãng chạy của electron trong vật chat. Chương 2: May gia tốc tuyển tinh UERL-10-15S2. Chương này trình bay về cơ sở lý thuyết máy gia tốc tuyến tính va giới thiệu về máy gia tốc tuyến tính UERL-10- 1582 đặt tại Trung tâm VINAGAMMA.
Chương 3: Do thực nghiệm trên máy gia tốc tuyển tính VERL-10-15S2. Chương này trình bày về kết qua đo suất liều thu được theo bề day của mẫu nêm và suất liều tại 9 điểm đo trên các mẫu móng có bé day lần lượt là 2, 3, 4, 5 em. Từ đó nhận xét, về khả năng che chắn của bê tông pha tro bay ở tỉ lệ thay thế tro bay là 35%. Đưa ra kết luận về kết qua đề tài cũng như kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo.
TONG QUAN VỀ TƯƠNG TAC CUA CHUM ELECTRON VOI VAT CHAT. Tương tác của electron với vật chất Khi chùm electron đi trong môi trường vật chất chúng sẽ tương tác Coulomb với các electron quỳ đạo hoặc với hạt nhân. Có hai loại tương tác xảy ra là va chạm đàn hoi và va chạm không đàn hồi với xác suất xảy ra tùy thuộc vào năng lượng của hạt tới va thông số tương tác b, với thông số tương tác b chính là khoảng cách tinh tir tâm hạt nhân của nguyên tử tới quỹ đạo của electron. Đối với electron tới có năng lượng 1 — 10 MeV, khối lượng tương đỗi của nó lớn hơn dang kê so với khối lượng electron của các nguyên tir nhưng lại rất nhỏ so với khối lượng hạt nhân.
Do đó, electron đi tới sẽ tương tác Coulomb không đàn hồi với hạt nhân nguyên tử (b « a, a là bán kính nguyên tử) và bị thay đôi phương chuyên động và mắt một phan năng lượng đưới dang bức xạ hãm va có thé tao ra tia X (Bremsstrahlung). Năng lượng bức xạ hãm phát ra phụ thuộc và độ lớn thông số b. Thông số tương tác b càng nhỏ thì nang lượng phát bức xạ hãm càng lớn. Ngược lại, khi electron tới va chạm với các electron trong vật chat, chúng truyền đa số năng lượng của mình.
Năng lượng AE mà electron nhận được lớn hơn với năng lượng liên kết của nó khiến electron bị birt ra ngoài nguyên tử. Đây là quá trình ion hóa nguyên tử môi trường. Nếu quá trình ion hóa xảy ra ở lớp n, động năng của electron bay ra khỏi nguyên tử chính bằng T = AE — E„ với E„ là năng lượng liên kết của electron trên quỹ đạo n. Chúng lại tiếp tục tham gia tương tác với môi trường và ion hóa môi trường đồng thời tạo ra các electron thứ cấp được gọi là delta electron hay Knoek-on và tiếp tục tương tác Coulomb đồng thời tạo ra electron cấp thứ ba (tertiary clectron) cho tới khi năng lượng của clectron tới bị hấp thụ hoản toàn (trừ đi năng lượng tia X thoát ra).
Sự mất năng lượng do ion hóa Khi di trong môi trường. electron đi tới tương tac với electron quỳ đạo thông qua tán xạ Coulomb và truyền năng lượng của mình cho các electron của nguyên tử môi trường. Năng lượng cần thiết để ion hóa nguyên tử là khoảng 10 eV. Nếu năng lượng AE ma electron quỹ đạo nhận được lớn hon thé năng ion hóa, nó sé bay ra khỏi nguyên tử, kết quả một cặp ion — electron được tạo thanh và nguyên tử bị ion hóa.
Ngược lại, néu electron không có đủ năng lượng đẻ ion hóa nguyên tử, electron nhảy lên mức năng lượng cao hơn khiến nguyên tử ở trạng thái kích thích sau đó chuyên nhanh về trạng thái cơ bản. Đây được gọi là sự kích thích nguyên tử môi trường. Electron bị tán xạ K -electron Hình 1.1 Mô hình sự mat năng lượng electron tới do ion hóa. Sau mỗi lần tán xạ không đàn hồi của electron — electron, một phan lớn năng lượng của electron ban đầu được truyền cho electron bị va chạm.
Sau mỗi lan va cham, xác suất dé electron mat một nửa năng lượng của minh là lớn nhất do tính đông nhất của hai hạt, đồng thời chúng bị tán xạ theo những góc lớn nên quỹ đạo mang tính ngẫu nhiên. Điều này dẫn đến quãng đường đi của electron trong môi trường vật chất không phải là đường thăng. Hans Bethe đã đưa ra biểu thức xác định mỗi quan hệ quãng chạy và nang lượng có thê thu được bằng tính toán cơ học lượng tử cho qua trình va chạm vào năm 1930. Biéu thức tính sự tiêu hao năng lượng trên một đơn vị chiều dai do tán xa Coulomb có dang [24]: fs] adie -I+#!]+I-/! +s(I-l~# | =ð (1.
là động năng tương đối của electron, ne là mật độ electron trong môi trường, ở là số hạng hiệu chỉnh hiệu ứng mật độ. Tham số Ƒ thé hiện năng lượng kích thích trung bình của electron nguyên tử, được xác định bằng cách lấy trung bình của mọi quá tỉnh ion hóa vả kích thích nguyên tử. 7 được tính qua công thức bán thực nghiệm sau [25]: NỊ=ÍN|—: =12+2 (eV), Z<13 z (12) =9,76+58,8Z"!(eV) Z 213 Trên thực tế, ta con phải xét sự có mặt của các electron khác trong môi trường vật chất khi xảy ra tương tác của hạt tới với một electron bat kỳ. Do đó phải có sự hiệu chỉnh đối với hiệu ứng mật độ.
Số hạng hiệu chỉnh hiệu ứng mật ổ được tính dựa trên hàm đáp ứng điện môi do Fano công bố vào năm 1956 [26] : - he 5a 5=2In| — +In(/Ø@z)-I,0 (1.3) Trong đó y= = va đại lượng 2œ, là năng lượng plasma va được tính như 1-8 sau [27]: ho,= |P2 x28,816eV (1.4) A Khi v/¢ 1, phương trình (1.1) trở thành [24]: (-dx}J. _ sme nZ In| 2 A (1.5) 2 Fan | mv 2I Y2 Do ở mức năng lượng tương đối tính, vận tốc v gan bang vận tốc ánh sáng va năng lượng hãm do va chạm tăng theo hàm logarithm của năng lượng. Khi đó sau va chạm chim electron đơn năng sẽ mat năng lượng, và năng lượng của chùm electron qua tam vật chat sẽ phân bố trong khoảng năng lượng nao đó phụ thuộc bè day vật liệu. Sự mất năng lượng do bức xạ hãm Do electron có khôi lượng rất nhỏ nên chúng để bị lệch trong điện trường của hạt nhân và chịu gia tốc hướng tâm.
Gia tốc của hạt tích điện thu được tỉ lệ với điện tích của hạt nhân và ti lệ nghịch với khoi lượng của nó. Theo điện động lực học cô điền, khi một hạt tích điện chuyền động có gia tốc thì sẽ phát ra bức xạ điện từ gọi là bức xạ hãm. Phé bức xạ hãm là phô liên tục, có năng lượng từ 0 đến năng lượng cực đại bằng năng lượng của hạt tích điện. Ở mức năng lượng vài MeV hoặc nhỏ hơn, sự mat năng lượng do phát bức xạ hãm đóng góp tương đối nhỏ vào quá trình tiêu hao năng lượng của electron tới.
Bethe và Haitler đã đưa ra biểu thức cho sự mat năng lượng do bức xạ hãm của electron va chỉ ra rang nó phụ thuộc vao man chắn hạt nhân bởi các electron nguyên tử vào năm 1934 như sau [28]: (=).2 Mô hình sự mat năng lượng electron tới do phát bức xạ ham. Với o, = mỊ = =5,80%10* cm?/nguyén tir, B, là hàm biến đổi chậm của mục” Z và E có giá trị 16/3 với năng lượng E«<0.5MeV và khoảng 6 với E ~1.0MeV, Ta nhận thay sự mat năng lượng do bức xạ hãm tỉ lệ với bình phương điện tích Z của hạt nhân môi trường, với mật độ nguyên tử môi trưởng n và động năng T của electron tới. Sự mat năng lượng do ion hóa khi xe tỉ lệ với Z va logarithm năng lượng. còn sự giảm năng lượng do bức xạ tỉ lệ với Z*, vì vật ở năng lượng cao sự mắt năng lượng do bức xạ chiếm ưu thé.
Như vậy, năng lượng tiêu của electron khi tương vật chat tới chính là tông của sự mat năng lượng hai quá trình ion hóa và phát bức xạ hãm dx dx j. \dxj}iy E_goi là “nang lượng tới han” va được định nghĩa là năng lượng mà tại đó sự mat năng lượng do ion hóa và do phát bức xạ hãm là bằng nhau. Khi năng lượng tới vượt ngưỡng E quá trình phát bức xạ hãm chiếm ưu thé và ngược lại. Bethe va Heitler đưa ra công thức xắp xi giữa sự mắt năng lượng do bức xạ và ion hóa như sau [29]: la) dx}.
de Năng lượng tới han ứng với ti số ở về trái bằng một, nghĩa là khi đó E„ = = : Như vậy, nguyên tử số của môi trường càng lớn thì năng lượng tới han càng giảm. Dé chính xác hon, năng lượng tới hạn theo nguyên tử số của môi trường được tinh [30]: -_800 "Fal 5 (MeV) (1.1 đưa ra gia tri nang lượng tới hạn của một số vật liệu. Khi năng lượng của hạt electron lớn hơn năng lượng tới hạn rat nhiều, sự mat mát năng lượng do quá trình bức xạ chiếm ti lệ lớn, nghĩa là hat electron mat mát năng lượng chủ yếu do phát bức xạ hãm. Môi trường có khả năng hãm bức xa electron tot là môi trường ma chùm bức xạ chuyên động trong đó bị mat mat năng lượng nhanh nhất.
VậlủệU Ec(MeV) Vậtliệu — Ec (MeV) Chì (Pb) 951 Khéng khi 102 Nhôm (Al) 51,0 Polystyrene 109 Sat (Fe) 27,4 (Nal) 17,4 Đông (Cu) 24,8 Nước (H20) 92 Dé đặc trưng cho kha nang phat bức xa ham của môi trường đối với electron, khái niệm chiều dai bức xạ của môi trường được đưa ra. Chiều dai lam chậm bức xạ của môi trường chính là khoáng cách mà chim electron chuyên động trong môi trường đó thì năng lượng sẽ bị giảm đi một hệ số Ì ~ 0,367 do phát bức xạ hãm và e được tinh bởi Mukund tai CERN [31] | ee (1.10) Z(z+I)n| SẼ] VZ Với Z, A là điện tích và số khối của nguyên tử môi trường. Khi môi trường có cấu tạo gồm nhiều thành phần nguyên tử khác nhau thì chiều đài làm chậm bức xạ của nó được xác định theo chiều đải làm chậm của tất cả các thành phần có trong nó. Lúc nảy có thê xác định chiêu đài làm chậm bức xạ của môi trưởng phức tạp bằng công thức [3]: 1 ` A1 x.11 Trong đó: Xa:chiêu dai làm chậm bức xạ của môi trường nhiều thành phân nguyên tô; qi: hàm lượng nguyên tử số của môi trường: L0 Ay => A,: số khối hiệu dụng của môi trường; el Xi: chiều dai làm chậm bức xạ của môi trường chỉ có nguyên tử có số khối A,.2 Chiều dài bức xạ của một số nguyên tổ [32].