Tài liệu Nghiên cứu cải tiến buồng chì cho phân tích đồng vị phóng xạ tại vùng năng lượng nhỏ hơn 100KeV bằng phương pháp thực nghiệm

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  ĐỐNG THỊ NHƯ Ý NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN BUỒNG CHÌ CHO PHÂN TÍCH ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TẠI VÙNG NĂNG LƯỢNG NHỎ HƠN 100 KeV BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC  Thành phố Hồ Chí Minh-2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  ĐỐNG THỊ NHƯ Ý NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN BUỒNG CHÌ CHO PHÂN TÍCH ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TẠI VÙNG NĂNG LƯỢNG NHỎ HƠN 100 KeV BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Ngành: VẬT LÝ Mã số: 105 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: THS. TRẦN THIỆN THANH  Thành phố Hồ Chí Minh-2012 LỜI CÁM ƠN Như người ta thường nói “Cần cù bù thông minh”. Câu ấy rất đúng với tôi, không thông minh nhưng sau một khoảng thời gian dài phấn đấu chăm chỉ học tập, tôi rất vui mừng, phấn khởi và xen cả tự hào khi nhận được thông báo tôi đủ tiêu chuẩn được làm luận văn tốt nghiệp đại học. Thế nhưng, vốn không nhanh nhạy, khi bắt tay vào làm luận văn, tôi gặp nhiều khó khăn cả về mặt tư duy lẫn tinh thần… Cuối cùng, để có thể hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hỗ trợ của thầy cô, bạn bè và gia đình. Nay, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất từ tận đáy lòng đến:  Toàn thể thầy cô khoa Vật lý trường Đại học Sư Phạm TPHCM. Thầy cô, những người đưa đò cần mẫn đã truyền đạt những kiến thức bổ ích cho tôi, đó chính là nền tảng phục vụ các vấn đề trong luận văn và là hành trang trên con đường sự nghiệp của tôi trong tương lai. Thầy Ths. Hoàng Đức Tâm, cô Phan Thị Minh Tâm giúp đỡ về mặt tài liệu, trả lời câu hỏi những ngày đầu bỡ ngỡ không biết làm gì với luận văn. Thầy Ths. Lê Công Hảo dành thời gian quý báu của mình để đọc nội dung và góp ý cho luận văn của tôi hoàn thiện hơn.  Đặc biệt, thầy Ths. Trần Thiện Thanh, người thầy hướng dẫn ý tưởng luận văn, giải đáp thắc mắc của tôi để có thể hoàn thành luận văn này.  Xin cám ơn gia đình đã hỗ trợ mọi mặt từ vật chất đến tinh thần cho tôi.  Bạn Vũ Ngọc Ba nhiệt tình giúp đỡ. Chân thành cám ơn Đống Thị Như Ý MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ I DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... II DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... III PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................... V CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT .................................................... 1 1.1. Phóng xạ môi trường....................................................................................... 1 1.1.1. Đồng vị phóng xạ nhân tạo ........................................................................1 1.1.2. Đồng vị phóng xạ tự nhiên ........................................................................1 1.1.2.1. Đồng vị phóng xạ tạo ra từ tia vũ trụ.....................................................1 1.1.2.2. Đồng vị phóng xạ trong vỏ Trái Đất .....................................................2 1.1.3. Phông bức xạ gamma .................................................................................4 1.2. Tương tác bức xạ với vật chất ....................................................................... 5 1.2.1. Hiệu ứng quang điện ..................................................................................5 1.2.2. Hiệu ứng Compton .....................................................................................7 1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp .........................................................................................8 1.3. Các hiệu chính quan trọng trong bài toán ghi nhận bức xạ .......................... 10 1.3.1. Các hiệu chính hình học đo ......................................................................10 1.3.1.1. Hiệu chính gây ra do lớp vật chất nằm giữa mẫu đo và detector…..... 10 1.3.1.2. Hiệu chính do góc đặc .........................................................................10 1.3.2. Các hiệu chính liên quan đến mẫu cần đo ................................................12 1.3.2.1. Hiệu chính tự hấp thụ trong mẫu .........................................................12 1.3.2.2. Hiệu chính tán xạ trên nguồn...............................................................13 1.3.3. Các hiệu chính liên quan đến detector. .....................................................13 1.3.3.1. Tán xạ hoặc hấp thụ gây ra do cửa sổ detector....................................13 1.3.3.2. Hiệu suất ghi của detector ...................................................................14 CHƯƠNG 2- GIỚI THIỆU HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP ĐẦU DÒ HPGE-GC2018 VÀ BUỒNG CHÌ CẢI TIẾN ĐỂ GIẢM PHÔNG NỀN ............ 15 2.1. Mô tả hệ phổ kế............................................................................................. 15 2.1.1. Đầu dò HPGe GC2018 ............................................................................16 2.1.2. Buồng chì giảm phông .............................................................................18 2.2. Buồng chì cải tiến cho phân tích đồng vị phóng xạ vùng năng lượng thấp.. 19 2.2.1. Buồng chì trước khi cải tiến......................................................................19 2.2.2. Buồng chì cải tiến .....................................................................................20 2.3. Khái quát các đại lượng dùng khảo sát hiệu quả việc cải tiến buồng chì ..... 21 2.3.1. Chuẩn năng lượng ....................................................................................22 2.3.2. Chuẩn độ rộng đỉnh phổ ..........................................................................22 2.3.3. Giới hạn tới hạn L C (số đếm) ...................................................................23 2.3.4. Giới hạn phát hiện L D (số đếm) ...............................................................24 2.3.5. Giới hạn phát hiện hoạt độ MDA (Bq) ....................................................26 2.3.6. Giới hạn phát hiện nồng độ MDC (Bq/ kg) ..............................................27 2.3.6.1. Đường cong hiệu suất chuẩn ..............................................................28 2.3.6.2. Sai số hiệu suất ....................................................................................28 CHƯƠNG 3- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM .................................... 30 3.1. Chuẩn năng lượng ....................................................................................... 30 3.2. Chuẩn độ rộng đỉnh phổ ............................................................................. 32 3.3. Kết quả khảo sát các đồng vị có trong phông nền hệ phổ kế gamma ......... 32 3.3.1. Tốc độ đếm của các đồng vị trong phông nền ..........................................32 3.3.2. Kết quả khảo sát giá trị giới hạn phát hiện L D của các đồng vị có trong phông nền ............................................................................................................40 3.3.3. Kết quả khảo sát giá trị giới hạn phát hiện nồng độ MDC của các đồng vị phóng xạ có trong phông nền..............................................................................44 3.3.3.1. Giới hạn phát hiện nồng độ MDC cho các đồng vị có trong phông nền khi sử dụng nguồn chuẩn hình trụ. ...................................................................44 3.3.3.2. Giới hạn phát hiện nồng độ MDC của các đồng vị có trong phông nền khi sử dụng nguồn chuẩn là nguồn điểm. .........................................................49 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 55 KIẾN NGHỊ ........................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 57 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Bq Becquerel TPHCM Phân rã/giây Thành phố Hồ Chí Minh SE Single Escape peak Đỉnh thoát đơn DE Double Escape peak Đỉnh thoát đôi ADC Analog-to-Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số MCA Multi Channel Analyzer Máy phân tích đa kênh FWHM Full Width Half Maximum Độ rộng nửa chiều cao đỉnh phổ HPGe Hyper pure Germanium Germanium siêu tinh khiết MDA Minimum Detectable Activity Giới hạn phát hiện hoạt độ LD Detection Limit Giới hạn phát hiện LC Critical Limit Giới hạn tới hạn MDC Minium Detectable Concentration Giới hạn phát hiện nồng độ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thông tin kích thước đầu dò HPGe GC 2018 .......................................... 17 Bảng 3.1 Bảng các đồng vị chuẩn đã biết năng lượng gamma và số kênh ............. 30 Bảng 3.2 Kết quả tốc độ đếm toàn phần của các đồng vị có trong phông nền trong các trường hợp mở nắp buồng chì, đóng nắp chưa cải tiến và cải tiến buồng chì. Đơn vị tốc độ đếm (số đếm/ giờ) ............................................................................ 33 Bảng 3.3 Kết quả tốc độ đếm đỉnh của các đồng vị có trong phông nền trong các trường hợp mở nắp buồng chì, đóng nắp chưa cải tiến và cải tiến buồng chì. Đơn vị tốc độ đếm (số đếm/ giờ).......................................................................................... 35 Bảng 3.4 Kết quả tính toán giá trị giới hạn phát hiện L D của các đồng vị có trong phông nền lúc mở nắp, đóng nắp và cải tiến buồng chì. Đơn vị giới hạn phát hiện L D (số đếm) .............................................................................................................. 41 Bảng 3.5 Nguồn chuẩn hình trụ ............................................................................... 45 Bảng 3.6 Giá trị giới hạn phát hiện nồng độ MDC của các đồng vị có trong phông nền trong trường hợp mở nắp, đóng nắp, cải tiến buồng chì (Nguồn trụ). Đơn vị MDC (Bq/ kg) .......................................................................................................... 47 Bảng 3.7 Nguồn điểm chuẩn ................................................................................... 49 Bảng 3.8 Giá trị giới hạn phát hiện nồng độ MDC của các đồng vị có trong phông nền trong trường hợp mở nắp, đóng nắp, cải tiến buồng chì (Nguồn điểm). Đơn vị MDC (Bq/ kg) .......................................................................................................... 51 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Họ Thorium (4n)..........................................................................................2 Hình 1.2 Họ uranium (4n+2) ......................................................................................3 Hình 1.3 Họ actinium (4n+3) .....................................................................................3 Hình 1.4 Cơ chế hấp thụ quang điện ..........................................................................6 Hình 1.5 Tán xạ Compton ..........................................................................................8 Hình 1.6 Hiệu ứng tạo cặp ..........................................................................................9 Hình 1.7 Minh họa tính góc đặc nguồn điểm nhìn detector có bề mặt hình tròn .... 11 Hình 1.8 Mẫu đo phủ trên đế ................................................................................... 12 Hình 1.9 Hiệu ứng tán xạ hoặc hấp thụ bức xạ do cửa sổ detector ......................... 13 Hình 2.1 Sơ đồ hệ phổ kế gamma ........................................................................... 15 Hình 2.2 Hệ phổ kế gamma tại bộ môn vật lý hạt nhân ......................................... 16 Hình 2.3 Cấu trúc đầu dò HPGe GC2018 (kích thước mm) .................................. 17 Hình 2.4 Mặt cắt dọc buồng chì giảm phông (cm) .................................................. 18 Hình 2.5 Buồng chì trước khi cải tiến ..................................................................... 19 Hình 2.6 Buồng chì được cải tiến bằng cách lót thêm khối chì siêu sạch hình trụ và lớp đồng hấp thụ tia X .............................................................................................. 21 Hình 3.1 Đồ thị đường chuẩn năng lượng theo số kênh.......................................... 31 Hình 3.2 Đồ thị đường chuẩn FWHM theo năng lượng ......................................... 32 Hình 3.3 Phổ phông khi buồng chì mở nắp và đóng nắp chưa cải tiến ................... 38 Hình 3.4 Phổ phông khi buồng chì đóng nắp chưa cải tiến và sau khi cải tiến ....... 39 Hình 3.5 Phổ phông khi buồng chì mở nắp, buồng chì trước và sau khi cải tiến ... 40 Hình 3.6 Đồ thị so sánh giới hạn phát hiện khi mở nắp và đóng nắp buồng chì chưa cải tiến ...................................................................................................................... 43 Hình 3.7 Đồ thị so sánh giới hạn phát hiện khi đóng nắp và cải tiến buồng chì ..... 43 Hình 3.8 Đồ thị so sánh giới hạn phát hiện khi mở nắp, đóng nắp chưa cải tiến và sau khi cải tiến buồng chì. ........................................................................................ 44 Hình 3.9 Đồ thị đường cong hiệu suất chuẩn cho nguồn hình trụ........................... 46 Hình 3.10 Đồ thị đường cong hiệu suất chuẩn cho nguồn điểm ............................. 50 Hình 3.11 Phổ phông trước và sau khi cải tiến khi không lót thêm lớp đồng ......... 53 Hình 3.12 Phổ phông trước và sau cải tiến khi có lót thêm lớp đồng ..................... 54 PHẦN MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Các đồng vị phóng xạ tồn tại khắp nơi trong môi trường xung quanh chúng ta, gồm: đồng vị phóng xạ nhân tạo (chiếm 15% sự đóng góp vào phông phóng xạ) và đồng vị phóng xạ tự nhiên (được tạo ra từ tia vũ trụ, đồng vị phóng xạ nguyên thủy). Trong đó, các đồng vị phóng xạ tự nhiên, mà chủ yếu là 238 U, 232 Th,40 K đóng góp nhiều nhất vào phông phóng xạ gamma gây ảnh hưởng ít nhiều đến sức khỏe con người. Chính nền phông này cũng gây ảnh hưởng cho việc xác định chính xác các đỉnh gamma mà ta quan tâm phát ra từ một mẫu cần đo. Đặc biệt, là việc xác định các đỉnh gamma ở vùng năng lượng thấp nhỏ hơn 100 keV càng khó khăn hơn vì đây là chỗ bị ảnh hưởng nhiều nhất của phông phóng xạ tự nhiên (phông nền thường cao) làm cản trở việc xác định các đỉnh gamma năng lượng thấp phát ra từ mẫu đo. Để khắc phục điều đó, cả detector và mẫu đo được đặt trong buồng chì để giảm phông gamma. Tuy nhiên, buồng chì giảm phông vẫn có khuyết điểm và nền phông ở vùng năng lượng nhỏ hơn 100 keV vẫn khá cao. Vì vậy, ta cần có phương án cải tiến buồng chì để giảm phông nền thấp tới hạn. Từ đó, việc thực hiện các phép đo mẫu ở vùng năng lượng thấp được dễ dàng, chính xác hơn. Với những lí do nêu trên nên tên đề tài luận văn được chọn: “Nghiên cứu cải tiến buồng chì cho phân tích đồng vị phóng xạ tại vùng năng lượng nhỏ hơn 100 keV bằng phương pháp thực nghiệm”. Bố cục luận văn: Với mục đích trên, bố cục luận văn gồm 3 chương: Chương 1- Tổng quan về lý thuyết: Trình bày khái quát về nguồn gốc phóng xạ môi trường, các chuỗi phóng xạ tự nhiên. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và một số hiệu chính trong bài toán ghi đo bức xạ. Chương 2- Giới thiệu hệ phổ kế gamma phông thấp đầu dò HPGe GC 2018 và buồng chì cải tiến để giảm phông nền: Trình bày về hệ phổ kế gamma phông thấp đầu dò HPGe GC 2018 của Đại học Khoa học Tự Nhiên TPHCM (đây là hệ phổ kế gamma dùng khảo sát kết quả cải tiến buồng chì). Phương án cải tiến buồng chì nhằm giảm phông nền thấp tới hạn. Đồng thời, chương này cũng trình bày một số đại lượng vật lý dùng trong tính toán thực nghiệm ở chương 3. Chương 3- Kết quả tính toán thực nghiệm: Trình bày kết quả cải tiến buồng chì (khảo sát tốc độ đếm, giới hạn phát hiện L D và giới hạn phát hiện nồng độ MDC được tính toán cho nguồn chuẩn hình trụ và nguồn chuẩn dạng điểm của các đồng vị có trong phông nền trong trường hợp mở nắp, đóng nắp buồng chì chưa cải tiến, cải tiến buồng chì). Từ đó, thấy rõ việc cải tiến buồng chì đã làm phông nền thấp tới hạn, thuận lợi cho việc phân tích đồng vị phóng xạ ở vùng năng lượng thấp. 1 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1.1. Phóng xạ môi trường Nguồn phóng xạ môi trường được chia làm hai loại: Thứ nhất là nguồn phóng xạ nhân tạo do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay tạo ra bằng các máy gia tốc hoặc từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Thứ hai là nguồn phóng xạ tự nhiên. Nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: Nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy (có từ khi tạo thành Trái Đất) và nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ (được tia vũ trụ tạo ra). 1.1.1. Đồng vị phóng xạ nhân tạo [12], [13] Phát minh của Frederic Joliot và Iren Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo của phốt-pho và ni-tơ năm 1934 đã mở ra kỉ nguyên của phóng xạ nhân tạo. Ngày nay con người đã tạo được rất nhiều đồng vị phóng xạ. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo có chu kì bán rã khác nhau trong một dãy rất rộng, chúng có chu kì bán rã ngắn hơn nhiều so với các đồng vị phóng xạ nguyên thủy. Việc gia tăng nhanh chóng các ứng dụng công nghệ hạt nhân và sự tăng đột biến các vụ thử vũ khí hạt nhân trong thời chiến tranh lạnh đã khiến cho thế giới lo ngại về sự quản lí các nguồn đồng vị phóng xạ mà nguồn phóng xạ được quan tâm hàng đầu. Phóng xạ nhân tạo chiếm 15% sự đóng góp vào phông phóng xạ, phóng xạ nhân tạo đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên ít nhất, kế đến là các hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ và chiếm phần lớn lượng phóng xạ là các hạt nhân phóng xạ tự nhiên. Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên là 3H,121 I, 129 T,137 Cs, 90Sr, 99 Tc, 239 Pu… 1.1.2. Đồng vị phóng xạ tự nhiên [2],[7],[13] Nguồn phóng xạ tự nhiên gồm các chất phóng xạ có nguồn gốc bên ngoài Trái Đất như các tia vũ trụ và các chất phóng xạ có nguồn gốc từ Trái Đất. 1.1.2.1. Đồng vị phóng xạ tạo ra từ tia vũ trụ Các đồng vị phóng xạ tự nhiên sinh ra do những nguyên nhân ngoài Trái Đất như do tương tác của các tia vũ trụ có năng lượng cao với khí quyển, đó là các nguyên tố như 3H, 7Be, 10 Be,14C… và một số nguyên tố sinh ra do sự bắt neutron hay có nguồn gốc từ các thiên thạch trong vũ trụ đi vào Trái Đất. Cụ thể là khi đi vào khí quyển của Trái Đất, tia vũ trụ sơ cấp (86% proton, 13% alpha, còn lại là các hạt có số khối A>4) tương tác với các nguyên tử vật chất trong khí quyển tầng cao sinh ra tia vũ trụ thứ cấp. Quá trình tương tác thường gồm hai giai đoạn. Các hạt sơ cấp bị hấp thụ và sinh ra các hạt thứ cấp, sau đó các hạt thứ cấp ion hóa môi trường khí quyển. Tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron,…), các hạt muon, electron và photon. Ngoài các hạt sơ cấp và thứ cấp, tại lớp trên của khí quyển xảy ra các phản ứng hạt nhân giữa các hạt hadron với các hạt nhân khí quyển, sinh ra các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân bền. 1.1.2.2. Đồng vị phóng xạ trong vỏ Trái Đất Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất gồm các họ phóng xạ uranium, thorium và các hạt nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, Rb… Năm 1896, nhà bác học người 87 Anh Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium và con cháu của nó. Đến nay người ta biết ba họ phóng xạ tự nhiên là họ Thorium (232Th), uranium (238U) và actinium (235U). Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau: (0,7%) và 238 U (99,3%), 235 U U ( 5.10-3%). Trong đó, 238U và 234U thuộc cùng họ unranium, 235U là 234 thành viên đầu tiên của một họ actinium. Th là thành viên đầu tiên của họ 232 Thorium. Hình 1.1 Họ Thorium (4n) Hình 1.2 Họ uranium (4n+2) Hình 1.3 Họ actinium (4n+3) Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. Điều này dễ hiểu vì nếu xét thời gian từ khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối ngắn bị phân rã trong một vài tỉ năm tồn tại của Trái Đất. Đặc điểm chung thứ hai là mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng chất khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon. Đặc điểm thứ ba của ba họ phóng xạ tự nhiên là sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ đều là chì (Pb). Ngoài các đồng vị phóng xạ trong ba họ thorium, uranium và actinium, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp. Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là K rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng 40 potassium trung bình trong đất đá là 27g/kg và trong đại dương là khoảng 380mg/L), trong thực vật, động vật và cơ thể con người. (Hàm lượng potassium trung bình trong cơ thể người vào khoảng 1,7g/kg). 1.1.3. Phông bức xạ gamma [7] Trong tất cả các loại đất đá thuộc vỏ Trái Đất đều chứa các nguyên tố phóng xạ tự nhiên 238 U, 232 Th, 40 K và 87 Rb với hàm lượng khác nhau. Trong đó 87 Rb là hạt nhân phân rã beta mềm thuần túy, có chu kì rất lớn. Hàm lượng của nó trong đất đá rất nhỏ. Vì vậy, 87 Rb ít được quan tâm trong địa vật lý hạt nhân. Bức xạ do 87 Rb phát ra không đóng góp vào phông phóng xạ chung trên mặt đất. Các nguyên tố phóng xạ trong đất đá và trong vật liệu xây dựng đều nằm trong 3 họ phóng xạ 238 U, 232 Th, 40 K, với 40 K là nguyên tố phóng xạ kèm theo bức xạ gamma có năng lượng 1,46 MeV. Các hạt nhân con cháu của 238U, 232Th, 40K phân rã alpha hoặc beta thường được tạo thành ở trạng thái kích thích, chúng phát ra các bức xạ gamma đặc trưng để trở về trạng thái cơ bản. Các bức xạ gamma, đặc biệt là các bức xạ có năng lượng cao, có hệ số suy giảm trong đất đá rất nhỏ. Quãng chạy của các bức xạ gamma trong đất đá rất lớn. Khi được sinh ra từ các lớp đất đá gần mặt đất, các bức xạ gamma có thể bay ra khỏi mặt đất tạo thành phông phóng xạ gamma trên mặt đất. Ngoài ra phông bức xạ trên mặt đất còn do bức xạ vũ trụ gây ra. Thành phần phông phóng xạ gamma do tia vũ trụ gây ra phụ thuộc vào chiều cao so với mực nước biển. Thành phần này thường rất nhỏ so với các bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ dưới mặt đất và vật liệu xây dựng xung quanh gây nên. Như vậy, khi nói đến phông phóng xạ có nghĩa là nó được tạo thành từ các nguyên tố có trong đất. 1.2. Tương tác bức xạ với vật chất Như đã trình bày ở 1.1.3 là: “Các hạt nhân con cháu của 238 U, 232 Th, 40 K phân rã alpha hoặc beta thường được tạo thành ở trạng thái kích thích, chúng phát ra các bức xạ gamma đặc trưng để trở về trạng thái cơ bản”. Trong mục này, trình bày về cơ chế tương tác của bức xạ gamma với vật chất. Mặc dù các tia gamma có thể tương tác với vật chất theo các cơ chế khác nhau nhưng trong ghi đo bức xạ, ba quá trình đóng vai trò quan trọng nhất là hiệu ứng quang điện, Compton và tạo cặp. 1.2.1. Hiệu ứng quang điện [5] Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là quang electron. Quang electron nhận được động năng là E e bằng hiệu số giữa năng lượng gamma vào E và năng lượng liên kết ɛ lk của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra. E e =E-ε lk (1.1) Từ công thức (1.1) ta thấy hiện tượng quang điện xảy ra khi photon tới có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với electron tự do vì không đảm bảo định luật bảo toàn động lượng và năng lượng. Hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với electron lớp K và với tiết diện rất lớn đối với các nguyên tử nặng (chẳng hạn như chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng lượng thấp. Khi electron được bứt ra từ một lớp vỏ nguyên tử, thì tại đó xuất hiện một lỗ trống. Lỗ trống này sẽ nhanh chóng bị lấp bởi một electron từ lớp trên. Quá trình này dẫn tới việc bức xạ ra tia X đặc trưng hay electron Auger. Trong đa số trường hợp, lượng tử gamma ứng với tia X đặc trưng sẽ bị hấp thụ trong nguyên tử bị ion hóa lân cận do nó gây ra một hiệu ứng quang điện khác. Hình 1.4 Cơ chế hấp thụ quang điện [18] 1.2.2. Hiệu ứng Compton [5] Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu hiệu ứng Compton. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma tới và tán xạ gamma lên electron có thể xem như là tán xạ với electron tự do. Tán xạ này gọi là tán xạ Compton, là tán xạ đàn hồi của gamma vào với các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Sau tán xạ, lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Tia gamma sau tán xạ có bước sóng λ 2 lớn hơn bước sóng λ 1 của gamma tới. Gia số tăng bước sóng phụ thuộc vào góc tán xạ θ như sau: Δλ=λ 2 -λ1 = h (1-cosθ) mec (1.2) Trong đó λc = h =0,0243A o =2,43.10-12 m mec (1.3) ( λ c là bước sóng Compton) Khi tán xạ Compton, năng lượng tia gamma giảm và phần năng lượng giảm đó truyền cho electron giật lùi. Như vậy năng lượng electron giật lùi càng lớn khi gamma tán xạ với góc θ càng lớn. Gamma truyền năng lượng lớn nhất cho electron khi tán xạ ở góc θ=180o , tức là khi tán xạ giật lùi. Xác suất xảy ra tán xạ Compton phụ thuộc vào năng lượng của gamma. Trong vùng năng lượng 0,1 MeV- 10MeV, hiệu ứng Compton đóng vai trò quan trọng nhất trong sự tương tác của gamma. Hình 1.5 Tán xạ Compton [18] 1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp Nếu năng lượng tia gamma có giá trị lớn hơn hai lần năng lượng tĩnh của electron là 2me c 2 =1,02MeV thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron và positron, đó là hiệu ứng sinh cặp electron- positron. Xác suất của tương tác này rất thấp cho đến khi năng lượng của tia gamma đạt giá trị vài MeV. Năng lượng dư sẽ chuyển thành động năng của electron và positron. Electron bị mất dần năng lượng của mình để ion hóa các nguyên tử của môi trường, positron mang điện tích dương nên khi gặp electron của nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn nhau, gọi là hiện tượng hủy electron- positron và một cặp photon 0,51 MeV xuất hiện. Có ba khả năng xảy ra : - Cả 2 photon đều được hấp thụ, như vậy tia gamma mất hoàn toàn năng lượng nên ta có sự đóng góp vào số đếm toàn phần. - Chỉ một photon hủy bị hấp thụ, một photon thoát ra ngoài nên năng lượng tia gamma bị mất trong vùng nhạy là 0,51 MeV. Các xung này đóng góp số đếm vào phổ biên độ xung tạo thành đỉnh thoát cặp thứ nhất (đỉnh thoát đơn, SE).