Tài liệu Ghi đo bức xạ beta và ứng dụng phân tích mẫu môi trường

GHI ĐO BỨC XẠ BETA VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU MÔI TRƯỜNG Nguyễn Thị Linh Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt Mở đầu (1) Nghiên cứu, kiểm soát phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc đo đạc hoạt độ của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong các mắt xích khác nhau của chúng. Phân tích phóng xạ là lĩnh vực thách thức vì chất phóng xạ và môi trường mà chúng tồn tại vô cùng phức tạp. Chất phóng xạ có thể xuất hiện theo nhiều dạng, phần trăm, mode và năng lượng phân rã khác nhau, và mỗi nuclides có hơn một mode phân rã. Ngoài ra, sự khác nhau về sơ đồ phân rã từ chuỗi phân rã, sự cân bằng giữa các đồng vị con cháu và đồng vị mẹ, tốc độ phân rã sẽ làm cho quá trình phân tích đối với từng nuclide trở nên phức tạp. Vấn đề phân tích còn bị chi phối bởi môi trường hóa học và vật lý. Mở đầu (2) Hiện nay, có nhiều phương pháp phân tích hiện đại phát triển ứng dụng phân tích hoạt độ phóng xạ. Các loại detector khác nhau sử dụng đo phóng xạ với số lượng khổng lồ, và thiết kế ở trạng thái khí, lỏng và rắn. Các loại này khác nhau không chỉ về trạng thái vật lý mà cả trạng thái hóa học. Thiết bị và vành chắn điện tử kết hợp với đetector ghi bức xạ cũng khác nhau. Kết quả là các detector ghi bức xạ, thiết bị được kết hợp với nhau phục vụ đo phóng xạ với hiệu suất ghi của detector khác nhau, phụ thuộc nhiều hệ số như: đặc trưng của thiết bị, loại năng lượng mà bức xạ sinh ra, cũng như tính chất mẫu phân tích. Sự lựa chọn phù hợp một loại detector ghi bức xạ hay phương pháp phân tích phóng xạ phù hợp, yêu cầu sự hiểu biết về tính chất của bức xạ hạt nhân, cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất, chu kỳ bán hủy của nhân phóng xạ, sơ đồ phân rã, phần trăm phân rã, năng lượng phân rã là vấn đề cơ bản đối với các phương pháp xác định và đo phóng xạ. Sự lựa chọn detector và thiết bị phù hợp nhất phụ thuộc vào yêu cầu riêng đối với từng trường hợp cụ thể. 2. TỔNG QUAN (1) 2.1. Các ĐVPX tự nhiên + Các ĐVPX có nguồn gốc từ vũ trụ Bức xạ từ vũ trụ (photon năng lượng cao, hạt nặng mang điện…) tương tác với các hạt nhân N và O trong tầng cao của KQ → các ĐVPX 3H, 7Be, 14C, 22Na…  Bề mặt Trái đất. + Các ĐVPX có nguồn gốc từ vỏ Trái đất • Phổ biến nhất là 40K và các ĐVPX tạo thành chuỗi: và 232Th (T1/2 dài). • Một số ĐVPX khác hoạt độ nhỏ, ít phổ biến hơn: 50V, 113Cd, 115In, 123Te, 138La, 142Ce, 144Nd, 147Sm, 174Hf… 235U, 238U 87Rb, + Tăng phông các ĐVPX tự nhiên do CN 4 Sơ đồ phân rã của 238U 5 Sơ đồ phân rã của 235U 6 Sơ đồ phân rã của 232Th 7 2. TỔNG QUAN (2) 2.2. Các ĐVPX nhân tạo Có nguồn gốc từ: + Các vụ thử hạt nhân + Chôn cất thải phóng xạ dưới đáy đại dương + Sự cố hạt nhân + Phóng thích thông lệ mức thấp có kiểm soát của các cơ sở BX, HN (NMĐHN, cơ sở xử lý nhiên liệu) 8 2. TỔNG QUAN (3) 2.2. Các ĐVPX nhân tạo. Các ĐVPX nhân tạo được quan tâm chủ yếu là 90Sr, 137Cs và 239Pu. Chúng được sinh ra từ các vụ thử vũ khí hạt nhân, thải từ các sự cố hạt nhân, các sự cố từ lò phản ứng hạt nhân,… - 90Kr - Sơ đồ tạo thành 90Sr: - 90Rb 32.3s - 90Sr 153s 90Y 28.8y - 90Zr 64.1h - Sơ đồ tạo thành 137Cs: 3% 137I 97% - (24.5s) 136Xe (beàn) 137Xe 3.82m - 6.5% - 137Cs 93.5% - - Sơ đồ tạo thành 239Pu: 238U (n,) 239U 23.54m 239Np 2.3d 239Pu 137mBa 137Ba  (2.55m; 661KeV) (beàn)  2.4104y 9 2. TỔNG QUAN (4) 2.3. Các kỹ thuật phân tích • Đếm alpha • Đếm bêta phông thấp • Phổ kế nhấp nháy lỏng • Phổ kế gamma phông thấp • Phổ kế alpha phân giải cao trực tiếp • Phổ kế alpha phân giải cao, kết hợp với kỹ thuật tách hóa Ở đây chỉ xin trình bày phương pháp ghi đo bức xạ beta. 10 3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (1) 3.1. Phân rã beta • 11 3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (2) 3.1. Phân rã beta 12 7 Ionization and Excitation by α- or β- rays α-ray or β-ray loses a part of energy by ionization and / or excitation in material, and a large number of electron and positive ion are produced. The average energy to produce a pair of electron & ion is 25 ~ 40 eV in gas, and about 3 eV in solid material. β- ray Ionization Process Nucleus expanded δ-ray Orbital electrons Electron β-ray Ionization and Excitation in electron energy level Excitation Process Ionization Process Electron Free electron excited Neutral atom Ionized electron δray Positive ion Excited atom δ- ray is a produced electron which can ionize other atoms. If a neutral atom captures an electron, it becomes a negative ion. Finally, all of radiation energy changes to thermal energy. α- ray or β- ray N N M M L L K K α- ray or β- ray 13 3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (3) 3.2. Tương tác của hạt β với vật chất Hạt β tương tác với vật chất: • Năng lượng sinh ra do quá trình ion hóa, • Kích thích điện tử lớp vỏ ( obital) , • Giảm động năng của nó do bức xạ hãm. Vì vậy, Turner (1995) mô tả độ mất năng lượng đối với hạt β là tổng của sự mất do va chạm và năng lượng phát xạ: • Do hạt β mất năng lượng dọc theo đường đi nên chỉ đi được một quãng đường hữu hạn, gọi là quãng chạy (range) của hạt, nó phụ thuộc vào năng lượng và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ. 14 3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (4) 3.2. Tương tác của hạt β với vật chất (2) • Hình sau chỉ ra đường cong khoảng chạy trong không khí khi hạt β vùng năng lượng từ 0.01 – 10MeV. 15 10 Absorption Characteristics of β- rays β- ray trajectory Range (R) Absorption Characteristics and Range of β-rays β-ray absorption curve is almost exponential in the thickness region where transmission is no so small. Mass absorption coefficient μ(cm2·mg-1) and the range R (mg / cm2) for the maximum energy E (MeV) are given by some empirical equations. A / A 0 = exp ( -μd ) μ= 0.017 E -1.43 R = 542 E - 133 for E > 0.8 MeV R = 407 E 1.38 for 0.15 MeV < E < 0.8 MeV Transmission A / A0 (%) β- ray or fast electron loses a part of energy in material by the processes of collision with orbital electrons of atoms and Bremsstrahrung (emission of X-ray) near the nucleus. The direction of β- particle changes in every collision with an atom, thus, the trajectory is winding. In addition, due to continuous energy distribution of β-rays, it is difficult to determine the exact value of range by direct measurement. 1.0 0.5 Exponential 0.1 Maximum range (R) 0.05 0.01 0.005 0 100 200 300 400 500 600 Absorber thickness d (mg / cm2) β- ray absorption curve and the max. range 16 3. ĐO HOẠT ĐỘ BETA (5) 3.3. Nguyên tắc cơ bản về ghi đo bức xạ (1) • Có 3 loại detector ghi đo bức xạ: detector có dòng khí, nhấp nháy và detector bán dẫn. Có thể phân loại detector tương ứng với dạng vật lý của hệ đo như các dạng rắn, lỏng, khí; có thể phân loại tương ứng với tín hiệu ghi nhận đầu ra như tín hiệu dòng điện (ion), ánh sáng, và tương ứng với chức năng như: đếm, phổ độ cao xung, đo liều, hiển thị dạng phổ. • Nguyên lí hoạt động của hầu hết các detector đo bức xạ dựa trên cơ sở của sự ghi điện tử hoặc ion (như buồng ion hoá, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger-Muller) hay • Ghi các photon ánh sáng được phát ra bởi các nguyên tử hay phân tử bị kích thích: detector nhấp nháy ( rắn và lỏng). 17 3.2. Nguyên tắc cơ bản về ghi đo bức xạ (2) Signal Amplification Physical Chemical Biological Calibration Assessment Detector Reader 18 3.4. Cấu trúc và phân loại detector Hệ detector ghi đo bức xạ bao gồm 3 hợp phần: • Detector có vùng hoạt: là nơi xẩy ra tương tác bức xa; • Các hợp phần gắn với detector để duy trì các điều kiện ghi đo tối ưu; • Thiết bị hiển thị chính xác thông tin thu được từ detector và chuyển đổi nó thành tín hiệu đầu ra. 19 3.5. Các loại detector ghi đo bức xạ(1)  Detector ion hóa khí (buồng ion hoá, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger-Muller); detector đếm nhấp nháy; detector bán dẫn. • Số cặp ion sinh ra do quá trình ion hóa phụ thuộc vào các hệ số như khí sử dụng, cao thế đặt vào giữa 2 điện cực của detector. • Mối liên quan giữa số xung đếm và cao thế đặt giữa các điện cực của detector ion hóa khí được chỉ ra ở sơ đồ sau: 20