Khai thác và vận hành hệ đo tống Alpha, Beta UMF-2000 tại phòng thí nghiệm hạt nhân Đại học sư phạm, Thành phố Hồ Chí Minh

bè. Em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong khoa Vật lý đã truyền đạt kiến thức, các thầy cô phụ trách phòng thí nghiệm hạt nhân trường Đại học Sư Phạm đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình đo đạt thực nghiệm. Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô phụ trách phòng thí nghiệm, các bạn lớp Lý 06 ngành Vật lý Hạt nhân trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.Hồ Chí Minh đã giúp đỡ cơ sở vật chất và hướng dẫn nhiệt tình trong quá trình tạo mẫu. Và nhất là em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Công Hảo, thầy đã trực tiếp hướng dẫn em thực hiện bài luận, giúp em những kiến thức chuyên môn cũng như kiến thức thực tế trong quá trình thực hiện khóa luận. Em cũng xin cảm ơn đến thầy phản biện đã dành thời gian đọc và đóng góp ý kiến cho bài luận văn này được hoàn thành tốt hơn. Cảm ơn các bạn đã quan tâm chia sẻ trong thời gian qua. Cuối cùng, xin cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ cùng toàn thể gia đình đã luôn bên con trong thời gian qua, ủng hộ động viên con trong quá trình thực hiện luận văn. LỜI MỞ ĐẦU Các tia phóng xạ luôn tồn tại tràn ngập trong thế giới của chúng ta từ bức xạ tự nhiên alpha, beta, gamma, các tia vũ trụ,… cho đến bức xạ nhân tạo của các vụ nổ hạt nhân, các cuộc thử nghiệm,…. Trong các loại bức xạ đó thì bức xạ alpha, beta là những loại bức xạ cần quan tâm vì đặc tính không tác hại khi bị chiếu ngoài nhưng lại gây nguy hiểm khi chúng được phát ra từ bên trong cơ thể. Cụ thể như sau: - Trong không gian, bức xạ alpha không truyền xa và bị cản lại toàn bộ bởi một tờ giấy hoặc màng ngoài của da. Tuy nhiên nếu một chất phát tia alpha được đưa vào trong cơ thể nó sẽ làm ion hóa mạnh các tế bào tạo ra liều chiếu trong đối với các mô nhạy cảm mà các mô này không có lớp bảo vệ bên ngoài như da. - Bức xạ beta bao gồm các electron có điện tích nhỏ hơn so với hạt alpha và có khả năng xuyên sâu hơn, beta có khả năng cản lại bởi tấm kim loại, kính hay quần áo bình thường, nó có thể xuyên qua lớp ngoài của da và làm tổn thương lớp da bảo vệ. Nếu các bức xạ beta phát ra trong cơ thể nó có thể chiếu xạ các mô bên trong. Trong đó, với tính chất đặc trưng quan trọng là quãng chạy ngắn nên việc khảo sát các vấn đề alpha, beta thường hay gặp khó khăn từ quá trình làm mẫu cho đến thiết bị mà việc xác định hiệu suất của máy một cách chính xác là một vấn đề thiết yếu ảnh hưởng lớn đến kết quả đo đạc. Do vậy “Khai thác và vận hành hệ đo tổng alpha, beta UMF-2000 tại phòng thí nghiệm hạt nhân trường Đại học Sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh” được thực hiện với mục đích xác định hiệu suất của máy, cùng với 10 mẫu điện phân khác nhau được tạo ra nhằm xác định hoạt độ của các mẫu dựa trên ưu điểm nổi bật của máy là có thể xác định đồng thời tổng hoạt độ bức xạ alpha và tổng hoạt độ bức xạ beta phát ra từ mẫu. Qua đó đánh giá về độ chính xác của máy khi so sánh hoạt độ của các mẫu trên hệ máy này với hoạt độ của các mẫu khi đo trên hệ Alpha Analyst của phòng thí nghiệm hạt nhân Đại học Khoa học Tự nhiên. Từ kết quả khởi đầu này có thể tiến hành đo mẫu môi trường với những hiệu chỉnh thích hợp để đạt được kết quả chính xác. Với mục đích như trên thì bố cục của bài luận gồm 3 chương về cơ sở lý thuyết và quá trình thực nghiệm như sau: Chương 1: Các tính chất của bức xạ alpha, beta. Trong chương này trình bày về các quá trình phân rã alpha, beta cũng như tính chất của các quá trình phân rã đó và tương tác của bức xạ alpha, beta với vật chất. Chương 2: Giới thiệu hệ đo tổng alpha, beta UMF -2000 tại phòng thí nghiệm hạt nhân trường Đại học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh. Phần này giúp cho việc khai thác vận hành hệ máy dễ dàng với việc mô tả các thiết bị, nguyên tắc hoạt động, các đặc trưng và dữ liệu cần thiết cho quá trình chuẩn hóa. Chương 3: Thực nghiệm trình bày quá trình chuẩn bị mẫu, quá trình đo đạc, xử lí kết quả. Phần kết luận Đưa ra kết quả và những nhận xét trong quá trình tiến hành thí nghiệm, từ đó có những đề xuất giúp cho hệ máy có những ứng dụng rộng rãi. CHƯƠNG 1: CÁC TÍNH CHẤT CỦA BỨC XẠ ALPHA, BETA 1.1 Cơ sở lý thuyết về bức xạ alpha, beta [1] 1.1.1 Phân rã alpha Hạt alpha gồm hai proton và hai neutron liên kết với nhau giống như hạt nhân helium, do đó có thể viết là 2He 4, có điện tích bằng +2e và có khối lượng gần bằng 4 lần khối lượng nucleon. Hạt alpha xuất hiện trong quá trình phân rã của hạt nhân phóng xạ nặng như uranium, radium,…đôi khi quá trình phân rã alpha làm hạt nhân ở trạng thái khích thích do đó sẽ kèm theo phân rã gamma để giải phóng năng lượng. Phân rã alpha xảy ra khi hạt nhân phóng xạ có tỉ số N/Z quá thấp. Khi phân rã alpha, hạt nhân ban đầu ZX A chuyển thành hạt nhân Z-2Y A-4 và phát ra hạt alpha. ZX A → Z-2Y A-4 + 2He 4 (1.1) Hình 1.1 Phân rã alpha Về quan hệ khối lượng, phân rã alpha thỏa mãn điều kiện: m e eM M m 2m Q    (1.2) trong đó Mm, Me, mα và me tương ứng với khối lượng các nguyên tử mẹ, nguyên tử con, hạt nhân alpha và hạt electron. Q là khối lượng tương đương với năng lượng tổng cộng giải phóng khi phân rã bằng tổng động năng của hạt nhân con và hạt alpha. Hai hạt electron quỹ đạo bị mất đi khi hạt nhân mẹ phân rã ra hạt nhân con có số nguyên tử thấp hơn. Hạt alpha phát ra với năng lượng xác định và suất ra cố định, có năng lượng là dạng phổ vạch. Theo sau quá trình phân rã alpha thường kèm theo sự phân rã gamma. Hình 1.2 là sơ đồ phân rã alpha và gamma của hạt nhân 88Ra 226 với 94,3% hạt alpha có động năng 4,8 MeV và 5,7% có động năng 4,6 MeV. Ở nhánh phát alpha năng lượng thấp 4,6 MeV hạt nhân con vẫn ở trạng thái kích thích và phát tiếp bức xạ gamma bằng 0,2 MeV trở về trạng thái cơ bản. Hình 1.2 Sơ đồ phân rã alpha của 88Ra 226 Hiện nay có hơn 200 hạt nhân phân rã alpha, chủ yếu xảy ra đối với các hạt nhân nặng với Z>83. Ngoài ra có một số nhỏ hạt nhân vùng đất hiếm cũng phân rã alpha với A = 140 đến 160. 1.1.2 Các tính chất của phân rã alpha 1.1.2.1 Các đặc trưng của phân rã alpha Các đặc trưng quan trọng của phân rã alpha là thời gian bán rã T1/2 của hạt nhân trước phân rã, động năng E và quãng chạy R của hạt alpha. - Thời gian bán rã T1/2 được xác định trực tiếp nhờ phép đo độ suy giảm hoạt độ theo thời gian hoặc được xác định theo số phân rã trong một đơn vị thời gian hay từ quy luật cân bằng thế kỷ. Thời gian bán rã của các hạt nhân phân rã alpha thay đổi trong một dãy rất rộng từ vài giây đến vài tỉ năm như 82Pb 204 có T1/2=1,4.10 7 năm còn 86Rn 215 có T1/2=10 -6 s. - Năng lượng hạt alpha có thể xác định bằng phổ kế từ hay buồng ion hóa. Năng lượng các hạt bay ra thay đổi trong một dãy rất hẹp, đối với các hạt nhân nặng thì năng lượng thay đổi từ 4 đến 9 MeV, đối với nhóm đất hiếm từ 2 đến 4,5 MeV. - Quãng chạy của hạt alpha được xác định bằng buồng bọt Wilson hay nhũ tương ảnh. Dựa vào hệ thức liên hệ giữa năng lượng và quãng chạy, ta có công thức tính quãng chạy trong không khí 3 – 7 cm là 3/2kkR 0,318E , còn trong môi trường với hạt nhân A thì tính theo công thức 1/3 kkR 0,56R A . 88Ra 226 4,785 3,3%  4,652 5,5%  0,186 0 4,785 94,4%  86Rn 222 Tính chất quan trọng nhất của các hạt nhân phân rã alpha là sự phụ thuộc của thời gian bán rã T1/2 vào năng lượng E của hạt alpha bay ra. Chẳng hạn như nếu giảm 1% năng lượng thì có thể làm tăng thời gian bán rã lên một bậc, nếu giảm 10% năng lượng thì T1/2 thay đổi từ 2 đến 3 bậc. Sự phụ thuộc của T1/2 vào E tuân theo định luật Geiger- Nuttall như sau: 1/2 D lgT C E   (1.3) Với C và D là hằng số không phụ thuộc vào số khối A. 1.1.2.2 Cấu trúc tinh tế của phổ năng lượng alpha Dựa vào việc năng lượng giảm đều đặn khi tăng số khối cho phép ta xác định được năng lượng các hạt alpha đối với đồng vị khác của một nguyên tố nào đó. Các hạt alpha phát ra từ cùng một đồng vị sẽ có năng lượng như nhau, tức là phổ năng lượng đơn sắc. Nhưng thí nghiệm chính xác chứng tỏ phổ năng lượng alpha thường có cấu trúc tinh tế, tức là có các vạch năng lượng nằm sít nhau. Nên trong thực tế có một số hạt nhân chỉ có một nhóm ứng với một giá trị năng lượng nhưng cũng có một số hạt nhân phát ra nhiều hạt alpha với năng lượng khác nhau. Đó chính là cấu trúc tinh tế của phổ alpha. 1.1.2.3 Điều kiện về năng lượng đối với phân rã alpha Xét quá trình phân rã alpha theo công thức (1.1). Để phân rã alpha xảy ra thì năng lượng liên kết của hạt nhân mẹ EA,Z phải nhỏ hơn tổng năng lượng liên kết của hạt nhân con EA-4,Z-2 và hạt alpha Eα. Tức là: lk,A 4,Z 2 lk , lk,A,ZE E E E      >0 (1.4) Hạt nhân mẹ có năng lượng liên kết là 28 MeV do đó năng lượng liên kết riên trên một nucleon là 7 MeV, như vậy để phân rã alpha xảy ra thì năng lượng liên kết riêng của hạt nhân mẹ phải nhỏ hơn 7 MeV. Vì vậy các hạt nhân nhẹ không thể phân rã alpha vì năng lượng liên kết riêng của chúng cỡ 8 MeV. 1.1.2.4 Cơ chế phân rã alpha Ba yếu tố cần tính đến trong cơ chế phân rã alpha là trường thế Coulomb quanh hạt nhân, lực ly tâm và cấu trúc hạt nhân. - Trường thế Coulomb và hiệu ứng đường ngầm Để giải thích sự phụ thuộc mạnh của thời gian bán rã hạt nhân vào năng lượng hạt alpha thì cần phải xem xét cơ chế để hạt alpha thoát ra khỏi hạt nhân. Giả thuyết gần đúng nhất được xem xét là coi hạt alpha hình thành và tồn tại trong hạt nhân trước khi thoát khỏi hạt nhân. Hạt alpha là hạt mang điện nên ngoài lực tương tác hạt nhân còn chịu tác dụng của lực Coulomb. Để giải bài toán tương tác này ta giả sử hạt alpha đi từ ngoài vào. Thế Coulomb do hạt nhân tương tác lên tỉ lệ nghịch với khoảng cách r theo biểu thức: 2 Coulomb 2Ze U r  (1.5) Hàm này được thể hiện qua hình Hình 1.3 Thế tương tác hạt nhân và thế Coulomb đối với hạt alpha Thế tăng dần trong miền ngoài bán kính hạt nhân, tại đó lực hạt nhân bằng 0. Đến biên hạt nhân r = R thì lực hạt nhân đóng vai trò quan trọng và đường biểu diễn tăng giảm đột ngột theo đường thẳng đứng. Dạng bên trong hạt nhân r < R chưa được biết tường tận, ở đây giả thuyết thế có dạng hố hình chữ nhật với thế không đổi bên trong hạt nhân, chiều cao bờ thế Coulomb tại r = R = 10-12 cm với Z=100 là 2 r 2Ze U 30 MeV r   (1.6) Hạt alpha phân rã từ các hạt nhân nặng có năng lượng từ 4 đến 9 MeV, tức là nhỏ hơn chiều cao hàng rào thế. Theo cơ học cổ điển thì hạt alpha không thể vượt ra rào thế để ra ngoài, tức là không thể xảy ra quá trình phân rã alpha. Tuy nhiên, theo cơ lượng tử thì hạt alpha có thể truyền qua hàng rào thế Coulomb theo hiệu ứng đường ngầm. Giải bài toán về hiệu ứng đường ngầm ta thu được hệ số truyền qua D 2 2m D exp (U E)dr           (1.7) Nếu hạt alpha trong hạt nhân có vận tốc v thì nó đi đến bờ thế trung bình v/R lần trong 1 giây. Như vậy hằng số phân rã alpha bằng: R r U(r) Ur Eα 0 2 v v 2m D exp (U E)dr R R             (1.8) Mà 0,693 T   , do đó thời gian bán rã phụ thuộc rất mạnh vào bán kính hạt nhân R. Để đánh giá bậc của thời gian bán rã ta coi U0 – E = 20 MeV, d = 2.10 -12 cm, khi đó 84 36D e 10   . Do đó 161/2 1 T 10 s    109 năm. Thời gian này là hợp lý vì cùng cỡ thời gian bán rã của 238U. 1.1.2.5 Vai trò của bờ thế ly tâm Trong các tính toán trên ta coi hạt alpha bay ra với moment quỹ đạo l = 0, nếu hạt alpha bay ra với l 0 thì nó phải vượt qua bờ thế ly tâm bổ sung ngoài thế Coulomb: 2 lt 2 l(l 1) U 2mr    (1.9) Bờ thế ly tâm này không lớn lắm do giảm theo hàm 2 1 r trong lúc bờ thế Coulomb giảm chậm hơn theo hàm 1 r , nhưng do độ thay đổi này còn chia cho hằng số Planck trong hàm số mũ nên nó làm tăng đáng kể thời gian bán rã của hạt alpha. Bảng 1.1 Hệ số k suy giảm hằng số phân rã λ với các giá trị l = 0 – 5 đối với trường hợp E = 5 MeV và R = 9,6.10-13 cm L 0 1 2 3 4 5 K 1 0,85 0,60 0,35 0,18 0,08 1.1.3 Phân rã beta Các tia beta được phát ra bởi các hạt nhân không bền khi nó phân rã phóng xạ tức thời. Một hạt beta có điện tích 1,6.10-19C và khối lượng rất nhỏ (0,00055 amu). Sự biến đổi hạt nhân thường phát ra electron năng lượng cao  và positron  . 1.1.3.1 Phân rã beta Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân phóng xạ thừa neutron, tức là tỉ số N/Z quá cao hơn đường cong bền của hạt nhân. Khi phân rã beta hạt nhân ban đầu ZX A chuyển thành hạt nhân Z+1 Y A và phát ra hạt eletron cùng phản hạt neutrino ν -A A - Z Z 1X Y e      (1.10) Hình 1.4 Phân rã beta Quá trình trên là kết quả của phân rã neutron thừa trong hạt nhân để biến thành proton. - -n p e    (1.11) Hình 1.5 Sơ đồ phân rã beta của Cs-137 Sơ đồ phân rã cho thấy hạt nhân con trong quá trình phân rã beta có số nguyên tử nhỏ hơn 1 so với hạt nhân mẹ. 1.1.3.2 Phân rã positron Hạt positron là hạt có khối lượng bằng khối lượng hạt electron song có điện tích dương +1e. Phân rã positron xảy ra khi hạt nhân có tỉ số N/Z quá thấp và phân rã alpha không xảy ra do không thỏa mãn điều kiện về năng lượng. Khi phân rã positron hạt nhân ban đầu ZX A chuyển thành hạt nhân Z-1 Y A, phát hạt positron và hạt neutrino. p n e     (1.12) Quá trình phân rã giống với quá trình tương tác của neutrino với hạt nhân. A A + Z Z-1ν + X Y + e (1.13) 55Cs 137 0.51 MeV (95%) β- 1.17 MeV (5%) β- 56Ba 137m 56Ba 137 β 0.662 MeV γ Khác với electron, hạt positron không tồn tại lâu trong tự nhiên. Positron gặp electron trong nguyên tử và hai hạt huỷ nhau cho ra hai tia gamma có năng lượng bằng năng lượng tĩnh của electron 0,511 MeV. 1.1.4 Các tính chất của phân rã beta - Lực tương tác: đặc điểm chính của quá trình phân rã beta là chung được gây bởi lực tương tác yếu. - Bản chất của quá trình phân rã: phân rã beta là quá trình biến đổi bên trong hạt nucleon. Đó chính là các quá trình phân rã neutron thành proton hay hay quá trình phân rã proton thành neutron. - Nguồn gốc các hạt bay ra từ phân rã beta: theo quan điểm lí thuyết các hạt electron, neutrino và các hạt khác sinh ra trong quá trình phân rã do sự tương tác của các hạt cơ bản. - Dãy các nguyên tố phân rã beta: dãy các nguyên tố phân rã rất rộng, từ neutron tự do đến các nguyên tố nặng nhất. - Năng lượng giải phóng khi phân rã beta: biến thiên từ 0,02 MeV đến 13,4 MeV. 1.1.4.1 Cân bằng năng lượng trong phân rã beta Để xảy ra quá trình phân rã beta phải thỏa mãn các điều kiện về khối lượng như sau: - Phân rã β – Phân rã β – phải thỏa mãn quan hệ khối lượng như sau: M(Z,A) M(Z 1,A) m   (1.14) Trong đó M(Z,A) và M(Z+1,A) là khối lượng hạt nhân ZX A và Z+1Y A bỏ đi khối lượng các electron quỹ đạo, m là khối lượng electron. Tuy nhiên trong thực tế người ta không đo khối lượng hạt nhân mà đo khối lượng nguyên tử trước phân rã Mi và khối lượng sau phân rã Mf như sau Mi = M(Z,A) + Zm và Mf = M(Z+1,A) + (Z+1)m (1.15) Khi đó điều kiện phân rã beta là Mi > Mf. - Phân rã β + Đối với phân rã β + thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là M(Z,A) > M(Z-1,A) + m (1.16) Còn điều kiện về khối lượng nguyên tử là Mi > Mf + 2m (1.17) Trong đó Mi = M(Z,A) + Zm và Mf = M(Z - 1,A) + (Z - 1)m 1.1.4.2 Phổ năng lượng hạt beta Khác với phân rã alpha, phân rã beta có hai hạt bay ra là electron và phản neutrino. Do đó phân bố năng lượng trong phân rã beta không chỉ quan tâm đến năng lượng tổng cộng mà cả phân bố năng lượng giữa hai hạt bay ra đó, ở đây ta bỏ qua năng lượng giật lùi rất bé của hạt nhân con. Do tính chất thống kê của quá trình phân rã nên sự phân chia năng lượng giữa electron và phản neutrino trong một phân rã là ngẫu nhiên, và năng lượng electron có thể có giá trị bất kì từ 0 đến năng lượng cực đại khả dĩ Emax. Tuy nhiên đối với một số lớn phân rã beta thì phân bố năng lượng của electron không phải là ngẫu nhiên mà có dạng xác định. Phân bố năng lượng này gọi là phổ electron của phân rã beta. 1.1.5 Các họ phóng xạ tự nhiên phát alpha và beta Có 3 họ phóng xạ tự nhiên là họ Thorium (Th-232), Uranium (U-238) và Actinium (U-235). Chuỗi phân rã uranium chứa vài đồng vị phóng xạ, các tính chất địa hóa khác nhau của dãy đồng vị này làm cho các hạt nhân trong chuỗi bị cắt phân đoạn trong môi trường địa chất khác nhau. Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau: khoảng 99,3% uranium thiên nhiên là U238, khoảng 0,7% là U235 và khoảng 0,0005% là 234U. 238U và 234U thuộc cùng một họ uranium, còn 235U là thành viên đầu tiên của họ actinium. 232Th là thành viên đầu tiên của họ thorium. Hình 1.6 Họ Thorium [10] Hình 1.7 Họ Uranium [10] Hình 1.8 Họ Actinium [10] Các họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là: - Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, thời gian bán rã được tính theo đơn vị địa chất. - Mỗi họ đều có một thành viên tồn tại dưới dạng khí phóng xạ, chúng là đồng vị khác nhau của nguyên tố Radon: trong họ uranium là 222Rn (radon), trong họ thorium là 220Rn (thoron), trong họ actinium là 219Rn (actinon). - Sản phẩm cuối cùng của mỗi họ đều là chì: 206Pb trong họ uranium, 207Pb trong họ actinium và 208Pb trong họ thorium. Tất cả các hạt nhân nặng với số khối lượng lớn hơn 209 đều phân rã alpha do năng lượng Coulomb tăng. Nếu số khối lượng lớn hơn giá trị 209 thì hạt nhân này chuyển thành hạt nhân bền bằng một số phân rã gồm phân rã α và phân rã β xen kẽ nhau. Khi phân rã α thì số khối lượng giảm đi 4 đơn vị còn số điện tích giảm 2 đơn vị, do đó số phần trăm của các hạt neutron tăng. Theo tính chất các hạt nhân bền đối với phân rã β khi A bé cần chứa số neutron với phần trăm không lớn vì vậy đối với hạt nhân nặng sau một vài phân rã α trở thành không bền đối với phân rã β. Do đó trong họ phóng xạ, các quá trình phân rã α và β xen kẽ nhau. 1.2 Tương tác của bức xạ với vật chất Khi chùm tia bức xạ đi qua một môi trường vật chất thì sẽ tương tác với môi trường vật chất và truyền năng lượng của chúng cho electron quỹ đạo hoặc hạt nhân nguyên tử. Điều này phụ thuộc vào loại bức xạ, năng lượng của bức xạ và đặc tính của môi trường vật chất. Phần lớn các hạt sẽ tham gia tương tác Coulomb với nguyên tử là chủ yếu, tương tác gây ra theo 2 hiệu ứng sau: - Tán xạ Coulomb đàn hồi trên các hạt nhân nguyên tử: các hạt mang điện với năng lượng thấp có thể bị có thể bị tán xạ do lực Coulomb hạt nhân còn các hạt mang điện nặng có năng lượng cao bị tán xạ do lực hạt nhân. Quá trình trên làm cho chùm hạt tới bị lệch đi so với hướng chuyển động ban đầu, do có khối lượng lớn hơn nhiều so với electron nên hướng chuyển động của các hạt nặng khi va chạm thay đổi không đáng kể. Sự mất năng lượng của hạt do hiệu ứng này là nhỏ hơn nhiều so với tiêu hao năng lượng ion hóa. - Ion hóa và kích thích các nguyên tử của môi trường: đây là kết quả của quá trình va chạm không đàn hồi của hạt mang điện với các electron trên lớp vỏ nguyên tử. Năng lượng của hạt mang điện đã bị tiêu tốn để ion hóa và kích thích các nguyên tử của vật chất được gọi là độ mất năng lượng riêng. Đối với hạt mang điện ion hóa là nguyên nhân cơ bản làm tiêu hao năng lượng của hạt. 1.2.1 Tương tác của bức xạ alpha với vật chất [11] 1.1.2.6 Độ mất năng lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử Tương tác chủ yếu của hạt nặng có điện tích với môi trường là va chạm không đàn hồi với nguyên tử và phân tử của môi trường. Một trong các đại lượng vật lý đặc trưng cho sự truyền qua môi trường của các hạt mang điện là độ mất năng lượng. Theo định nghĩa độ mất năng lượng riêng là năng lượng bị mất trên một độ dài quãng đường đi qua của hạt. Nếu hạt alpha chuyển động với tốc độ chuyển động gần bằng tốc độ của ánh sáng, ta có công thức tính độ mất năng lượng riêng do ion hóa chính xác như sau: 22 4 2e e2 2 ion e 2m vdE 4 z e S - N ln - dx m v I(1- )             (1.18) trong đó: β=v/c, c là vận tốc ánh sáng z điện tích hạt nặng e điện tích của electron me khối lượng của electron Ne mật độ electron v vận tốc hạt mang điện I năng lượng ion hóa trung bình Trong trường hợp β<<1 (v<<c nghĩa là động năng của hạt không quá lớn) thì ta có công thức Borh tính độ mất năng lượng ion hóa sau 22 4 e e2 ion e 2m vdE 4 z e S - N ln dx m v I        (1.19) Mà A e Z N N A   (1.20) Với NA số Avogrado A số khối của chất hấp thụ Thay (1.20) vào (1.19) 22 4 2eA 2 2 ion e 2m vdE 4 z e Z N S - ln - dx m v A I(1- )              (1.21) Từ công thức (1.21) ta thấy độ mất năng lượng tỉ lệ thuận với mật độ vật chất, tức là nếu chiều dày chất hấp thụ được biểu diễn theo chiều dày khối ρx (có thứ nguyên g/cm2) thì độ mất năng lượng trên một độ dài khối   dE - d x       chỉ phụ thuộc vào đặc trưng vật lý của chất thông qua tỉ số Z/A, nhưng vì Z/A=1/2 nên giá trị   dE - d x       khác nhau không nhiều. Công thức (1.19) cho thấy độ mất năng lượng riêng tỉ lệ với mật độ electron của chất hấp thụ, tỉ lệ với bình phương điện tích của hạt Z2 và tỉ lệ với 1/v2 (hay tỉ lệ nghịch với động năng hạt) và độ mất năng lượng riêng (-dE/dx) phụ thuộc rất mạnh vào điện tích và tốc độ hạt tới. Do hạt tích điện truyền năng lượng cho các electron nên nó ion hóa môi trường tức là tạo nên các cặp ion dọc theo đường đi của mình. Độ ion hóa riêng là số cặp ion tạo ra trên một quãng đường đi đơn vị của hạt tích điện. Do hạt alpha có điện tích +2e và khối lượng lớn dẫn đến vận tốc của nó tương đối thấp nên độ ion hóa riêng của nó rất cao khoảng vài chục nghìn cặp ion trên 1cm không khí. Dọc theo đường đi do bị mất năng lượng nên hạt alpha đi chậm dần và độ ion hóa riêng tăng dần. Đến khi sắp hết năng lượng, độ ion hóa tăng nhanh và sau đó giảm đến 0 khi hạt alpha dừng chuyển động, được minh họa trên đường cong Bragg, hình 1.10. Hình 1.9 Đường cong Bragg đối với độ ion hóa riêng của hạt alpha 1.1.2.7 Độ mất năng lượng trong tán xạ Coulomb Khi các hạt nặng mang điện có năng lượng nhỏ đi vào môi trường vật chất, ngoài hiện tượng tương tác với các electron của nguyên tử (ion hóa) chúng còn bị tán xạ đàn hồi do lực Coulomb của hạt nhân gây ra (tương tác với hạt nhân). Tương tác này có thể làm cho hạt tới thay đổi năng lượng và hướng chuyển động so với ban đầu. Sự tiêu hao năng lượng của hạt năng mang điện do tán xạ đàn hồi trên hạt nhân nguyên tử được tính   22 2 4 2e 2 2 tan xa hn 2.m .vdE 4 .z .Z .e S - .N.ln - dx M .v I 1-              (1.22) trong đó 0 1 2 3 4 5 6 7 8 R,cm Độ ion hóa riêng 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 N là mật độ nguyên tử môi trường Z là điện tích hạt nhân môi trường Mhn khối lượng hạt nhân môi trường A số khối hạt nhân môi trường Mp khối lượng proton Thừa số e e hn p m .Z m .Z 1 M A.m 4000   Do đó tiêu hao năng lượng do tán xạ đàn hồi nhỏ hơn năng lượng do ion hóa vài nghìn lần vì vậy có thể bỏ qua hiệu ứng này. 1.1.2.8 Quãng chạy của hạt tích điện trong vật chất Khi hạt đi vào môi trường sẽ mất dần động năng trên đường đi và đến khi động năng của hạt bằng 0 thì hạt dừng lại. Như vậy quãng chạy của hạt là chính là quãng đường hạt đi được trong môi trường vật chất. Quãng chạy phụ thuộc vào động năng ban đầu, khối lượng và điện tích của hạt. Quãng chạy được kí hiệu là R và được tính bằng công thức  0 0 E dE R= dE- dx  (1.23) Thay (-dE/dx) từ công thức (1.18) vào (1.23) 2 M R f (v) z  (1.24) hàm số f(v) có dạng như nhau đối với các hạt nặng có khối lượng khác nhau nhưng chuyển động trong cùng một môi trường. Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa. Trong không khí ngay cả hạt alpha có năng lượng cao nhất do các nguồn phóng xạ phát ra cũng chỉ đi được vài centimet, còn trong các môi trường rắn hay lỏng quãng chạy của nó có kích thước cỡ micromet. Có 2 quãng chạy của hạt alpha là quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy. Trên hình 1.10: đường cong hấp thụ của hạt alpha có dạng phẳng vì nó là hạt đơn năng lượng. Ở cuối quãng chạy số đếm của hạt alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất hấp thụ. Quãng chạy trung bình được xác định ở nữa chiều cao đường hấp thụ còn quãng chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0. Hình 1.10 Đường cong hấp thụ của hạt alpha 1.1.2.9 Năng lượng ion hóa trung bình và mật độ ion hóa Một hạt mang điện khi chuyển động trong môi trường sẽ làm ion hóa và kích thích nguyên tử dọc theo quãng chạy của nó. Năng lượng để tạo ra một cặp ion w lớn hơn năng lượng ion hóa Iion. Năng lượng w được xác định bởi bản chất của môi trường và ít phụ thuộc vào loại và năng lượng phần tử bức xạ tới tương tác với môi trường, do năng lượng ion hóa và năng lượng kích thích nguyên tử cũng như tỉ số của xác suất ion hóa và xác suất kích thích là những đặc trưng của môi trường hãm và không phụ thuộc vào hạt tới. Bảng 1.2 Năng lượng tạo ra một cặp ion-electron của một số loại khí với bức xạ alpha và năng lượng ion hóa của một số loại khí Khí Ar O2 N2 He H2 CO2 w(eV) 26,3 32,3 37 42 36,5 33 Iion(eV) 15,7 12,5 15,6 24,4 15,6 13,7 Mật độ ion hóa là số cặp ion-electron được tạo ra trên 1cm quãng chạy của hạt mang điện. 1 dE dxw         (1.25) Như vậy khi hạt đi vào môi trường hãm thì mật độ ion hóa cũng thay đổi giống như độ tiêu hao năng lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử. Khi biết được giá trị năng lượng trung bình tạo ra một cặp ion-electron w đối với từng loại khí ứng với mỗi loại bức xạ tới có năng lượng là Ebx thì ta tính được số cặp ion - electron được tạo thành khi hạt mang điện tương tác với vật chất. Quãng chạy trung bình Quãng chạy ngoại suy T ố c đ ộ đ ếm t ư ơ n g đ ối 1 0,5 0 1 2 3 4 Độ dày hấp thụ, cm không khí bx E N w  (1.26) 1.2.2 Tương tác của bức xạ beta với vật chất [1] Các tia beta và positron được phân loại theo năng lượng và tương tác mạnh với vật chất do lực tĩnh điện của điện tích chúng mang. Tia beta gây ion hóa môi trường vật chất trong suốt quãng đường mà chúng đi qua. Chúng bị tán xạ và làm lệch hướng do các lực va chạm, mất năng lượng và dần bị làm chậm, khi bị làm chậm chúng phát ra các photon Bremsstrahlung. Các positron có sự khác nhau quan trọng là chúng cũng tương tác và ion hóa vật chất mạnh như beta nhưng khi bị làm chậm chúng lại kết hợp với electron tạo ra sự huỷ cặp và phát ra 2 photon. 1.2.2.1 Ion hóa [2] Tương tự như hạt alpha, hạt beta cũng là hạt mang điện nên cơ chế tương tác của nó với vật chất cũng là tương tác tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hóa các nguyên tử môi trường. Trong trường hợp nguyên tử môi trường bị ion hóa, hạt beta mất một phần năng lượng Et để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài. Động năng Ek của electron bị bắn ra liên hệ với năng lượng ion hóa của nguyên tử E và độ mất năng lượng Et như sau: Ek = Et – E (1.27) trong đó năng lượng ion hóa được xác định theo công thức 1 E=Rh -1 =-Rh       (1.28) Trong nhiều trường hợp electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hóa nguyên tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp (delta electron). Do hạt beta chỉ mất một phần năng lượng Et để ion hóa nguyên tử nên dọc theo đường đi của mình nó có thể gây ra thêm một số lớn cặp ion. Năng lượng trung bình để sinh ra một cặp ion thường gấp 2, 3 lần năng lượng ion hóa bởi vì ngoài quá trình ion hóa hạt beta còn mất năng lượng do kích thích nguyên tử. Do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu. Vì vậy hạt beta chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm và dừng lại khi mất hết năng lượng. 1.2.1.1 Độ ion hóa riêng Độ ion hóa riêng là số cặp ion tạo ra trên quãng đường đi đơn vị của hạt beta. Độ ion hóa riêng khá cao đối với hạt beta năng lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta, đạt cực tiểu ở năng lượng khoảng 1 MeV, rồi sau đó tăng chậm. Hình 1.11 Độ ion hóa riêng đối với không khí phụ thuộc vào năng lượng hạt beta Độ ion hóa riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta do ion hóa và kích thích. Tốc độ mất năng lượng tuyến tính tuân theo công thức 4 9 2 2m k 2 -6 2 2 2 m dE 2 q NZ(3.10 ) E E ln - dx E (1,6.10 ) I (1- )              (1.29) Nếu biết trước đại lượng w là độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion thì độ ion hóa riêng s được tính theo công thức sau: dE (eV / cm) dxs w(eV / c.i)  (1.30) 1.2.1.2 Bức xạ hãm Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu và mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ gọi là bức xạ hãm. Năng lượng bức xạ hãm thay đổi liên tục từ 0 đến giá trị cực đại E0 của động năng hạt electron vào. Sự mất năng lượng của hạt electron trong trường hợp này gọi là mất năng lượng do bức xạ. Cường độ bức xạ hãm W là lượng năng lượng bức xạ trong 1s 2 2 2 3 3 e z W a 2 c   (1.31) Như vậy sự mất năng lượng bức xạ chỉ có giá trị đáng kể đối với hạt electron chứ không quan trọng đối với hạt nặng tích điện. Ngoài ra sự mất năng lượng do bức xạ đối với hạt electron chủ yếu do tương tác với hạt nhân chứ không phải do tương tác với electron quỹ đạo. 0,01 0,05 0,1 0,5 1,0 5 10 1000 500 100 50 Năng lượng hạt beta, MeV Đ ộ i on h óa r iê ng S ố cặ p i on /c m k hô ng k hí 1.2.1.3 Quãng chạy của hạt beta trong vật chất Hạt beta gây ion hóa môi trường vật chất nên bị mất năng lượng dọc theo đường đi, vì vậy nó chỉ đi được một quãng đường hữu hạn. Với năng lượng của hạt không lớn thì đường đi của hạt không phải là đường thẳng do khối lượng của nó bằng khối lượng electron trong nguyên tử. Như vậy quãng chạy của hạt beta là quãng đường mà chùm tia bị dừng lại sau 1 khoảng đường đi nào đó khi nó đi qua một bản vật chất, phụ thuộc vào năng lượng tia beta và mật độ vật chất của môi trường._.