BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  LÊ THỊ MỘNG THUẦN Người hướng dẫn: Thầy HOÀNG ĐỨC TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành vật lý hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh-tháng năm 2009 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn, cố gắng nỗ lực thân, em nhận nhiều quan tâm, hướng dẫn động viên quý thầy cô, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Thầy Hoàng Đức Tâm tận tình hướng dẫn kiến thức chuyên môn kinh nghiệm quý báu giúp em hoàn thành luận văn Các thầy phụ trách phòng thí nghiệm tạo điều kiện tốt để em hoàn thành việc đo đạc thực nghiệm Gia đình tập thể lớp lý Cử Nhân K-31 động viên em suốt thời gian học đại học thời gian thực luận văn MỞ ĐẦU Các nhân phóng xạ có khắp nơi môi trường sống Môi trường chịu tác động ngày lớn từ hoạt động người như: trình công nghiệp hóa - đại hóa, thăm dò, khai thác tài nguyên…Song song khoa học công nghệ đặc biệt kỹ thuật hạt nhân ngày phát triển đại Và vấn đề phóng xạ môi trường mối quan tâm hàng đầu Nghiên cứu phóng xạ môi trường bắt đầu việc đo hoạt độ mẫu môi trường: đất, nước, bụi khí… Có hai phương pháp xác định hoạt độ mẫu môi trường  Phương pháp tương đối: mẫu cần đo đo dạng hình học với mẫu chuẩn Tỉ số diện tích đỉnh tương ứng với nguyên tố quan tâm hai phổ dùng để tính hoạt độ  Phương pháp tuyệt đối: dùng đường cong hiệu suất để xác định trực tiếp hoạt độ Phương pháp tương đối cho kết xác cao việc làm mẫu chuẩn đòi hỏi nhiều thời gian công sức Và khó khăn, tốn phải chuẩn bị loạt mẫu chuẩn với hoạt độ xác định để đo kèm với mẫu Do đó, phạm vi sai số cho phép phương pháp tuyệt đối - tính hoạt độ dựa vào đường cong hiệu suất - phương pháp tương đối hiệu quả, kinh tế dễ thực Luận văn trình bày chi tiết “Xác định hoạt độ số nguyên tố phương pháp xây dựng đường cong hiệu suất” Luận văn hình thành sở: tìm hiểu cấu tạo nguyên tắc hoạt động hệ phổ kế gamma phông thấp - phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, từ xây dựng đường cong hiệu suất ghi detector mẫu khối hình trụ, áp dụng vào xác định hoạt độ nguyên tố điển hình 40K mẫu chuẩn đơn IAEA-RGK-1; mẫu chuẩn đa nguyên IAEA-375 (vì hai mẫu biết hoạt độ 40K IAEA cung cấp), số mẫu đất Sau đem so sánh với kết có sẵn để kiểm tra tính đắn đường cong hiệu suất phương pháp tính hoạt độ trực tiếp Bố cục luận văn gồm:  Mở đầu : giới thiệu nội dung mục đích đề tài  Chương I: Tóm tắt sở lý thuyết tổng quan ghi đo xạ  Chương II: Thực nghiệm: trình bày bước xây dựng đường cong hiệu suất, tính toán hiệu suất detector cho mẫu khối hình trụ, thao tác chuẩn bị mẫu, đo mẫu, cách tính hoạt độ 40 K đường cong hiệu suất  Kết luận: tổng kết đề tài số nhận xét CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN VỀ GHI ĐO BỨC XẠ 1.1 Các nguồn phóng xạ Các nguồn phóng xạ chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên nguồn phóng xạ nhân tạo Các nguồn phóng xạ tự nhiên có nguồn gốc từ Trái Đất tia vũ trụ Các nguồn phóng xạ nhân tạo người tạo cách kích hoạt hạt nhân lò phản ứng, sản phẩm phản ứng hạt nhân…Sau ta tìm hiểu chi tiết nguồn phóng xạ 1.1.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên: 1.1.1.1 Bức xạ vũ trụ Các xạ proton, alpha,…năng lượng cao từ không gian rơi vào khí Trái Đất gọi tia vũ trụ sơ cấp Trên đường đến Trái Đất, chúng tương tác với bầu khí sinh tia vũ trụ sơ cấp Các tia vũ trụ sơ cấp - Các tia vũ trụ sơ cấp chia thành nhóm sau:  Nhóm p gồm proton, deutron trion  Nhóm  gồm  23 He  Nhóm hạt nhân nhẹ (Z= 5) gồm Lithium, Beryllium Boron  Nhóm hạt nhân trung bình (Z= 69) gồm Cacbon, Oxygen, Nitrogen Flourine  Nhóm hạt nhân nặng gồm hạt nhân với Z 10  Nhóm hạt nhân nặng gồm hạt nhân với Z 20  Nhóm hạt nhân siêu nặng gồm hạt nhân với Z 30 Bảng 1-1Thành phần hóa học tia vũ trụ sơ cấp Nhóm hạt nhân Z N/Nnặng tia vũ trụ sơ cấp Giá trị trung bình N/Nnặng vũ trụ p 650 3360 6830  47 258 1040 Hạt nhẹ 3-5 10-5 10-5 Trung bình 6-9 3.3 2.64 10.1 Nặng  10 1 Rất nặng  20 0.26 0.06 0.05 Siêu nặng  30  0.3*10-4 0.6*10-5 Với N/Nnặng tỉ số số hạt nhóm xét so với số hạt hạt nhân nặng Hai cột cuối ứng với số liệu thực nghiệm Từ bảng ta thấy tia vũ trụ sơ cấp, vật chất vũ trụ chủ yếu gồm hạt proton anpha Trong vật chất vũ trụ tỉ số N/Nnặng lớn nhiều lần so với tia vũ trụ Ngược lại, thành phần hạt siêu nặng hạt nhẹ tia vũ trụ lớn nhiều lần so với vật chất vũ trụ Các tia vũ trụ thứ cấp Tia vũ trụ thứ cấp sinh tia vũ trụ sơ cấp tương tác với vật chất bầu khí Tia vũ trụ thứ cấp chia thành ba phần: Thành phần kích hoạt hạt nhân gồm hạt hadron (pion, proton, neutron,) Thành phần cứng gồm hạt muon, sinh phân rã hạt pion tích điện:    +  (1.1) Các muon lượng cao có khả đâm xuyên lớn lượng trình ion hóa xạ hãm môi trường Thành phần mềm gồm electron, psitron gamma Tia gamma lượng cao sinh đồng thời với hạt hadron trình phân rã hạt pion trung hòa: o   +  (1.2) Các gamma lượng cao xuyên qua môi trường, sinh cặp electron-positron cặp eletron-positron sinh tia gamma hãm Quá trình xảy lượng eletron positron giảm đến cỡ 72 MeV Các hạt sơ cấp có lượng lớn, sau tạo ra, chúng tiếp tục ion hóa môi trường khí Các hạt thứ cấp bị hấp thụ, bay xuống mặt đất Cường độ tia vũ trụ sơ cấp phụ thuộc vào độ cao bầu khí Thành phần hadron giảm nhanh theo chiều cao từ xuống Thành phần electron- photon có cường độ lớn độ cao lớn bị hấp thụ nhanh, xuống mặt đất cường độ không đáng kể so với thành phần hạt muon 1.1.1.2 Bức xạ có nguồn gốc từ Trái Đất Các nhân phóng xạ vỏ Trái Đất chủ yếu gồm họ phóng xạ uranium (238U) actinium (235U), thorium (232Th) hạt nhân phóng xạ nhẹ khác 40K, 87Rb,…Sau sơ đồ phân rã họ phóng xạ Bảng 1-2: Chuỗi 238U  206Pb Đồng vị Kiểu phân rã Năng lượng Cường độ(%) xạ (MeV) Chu kỳ bán rã 238 U α 4,2 100 % 4,47*109 năm 234 Th β 0,2 0,1 56% 44% 24,1 ngày 234 Pa β 0,5 1,2 90% 10% 1,18 phút 234 U α 4,8 100% 2,44*105 năm 230 Th α 4,7 4,6 75% 25% 7,7*104 năm 226 Ra α 4,8 4,6 93% 7% 1600 năm 222 Rn α 5,5 100% 2,382 ngày 218 Po α 6,0 100% 3,05 phút 214 Pb β 0,7 100% 26,8 phút 214 Bi β 3,2 1,7 23% 77% 19,8 phút Po-214 α 7,7 100% 1,64*104 giây Pb-210 β 0,03 100% 22,3 năm Bi-210 β 1,2 100% 5,01 ngày Po-210 α 5,3 100% 138,4 ngày Pb-206 đồng vị bền - - - Năng lượng Cường độ Chu kỳ bán Bảng 1-3: Chuỗi Actinium 235U  207Pb Đồng vị Kiểu phân rã xạ (MeV) rã 235 U α 4,5 100% 7,04*108 năm 231 Th β 0,2 100% 25,6 231 Pa α 5,0 4,7 8,4% 16% 3,25*104 năm 227 Ac β 0,02 100% 21,8 năm 227 α 6,1 5,8 46% 54% 18,72 ngày 223 Ra α 5,7 5,5 76% 24% 11,4 ngày 219 Rn α 6,7 6,3 84% 16% 3,96 giây α 7,4 100% 1,78*10-3 giây Th 215 Po 211 β 0,5 6,6 20% 80% 36,1 phút α 6,6 6,3 84% 16% 2,13 phút 207 Tl β 1,5 100% 4,76 phút 207 Pb trạng thái bền - - - Cường độ(%) Chu kỳ bán Pb 211 Bi Bảng 1-4: Chuỗi thorium: 232Th  208Pb Đồng vị Kiểu phân rã Năng lượng xạ (MeV) rã 232 Th α 4,0 100% 1,4*1010 năm 228 Ra β 0,002 100% 5,75 năm 228 Ac β 1,6% 100% 6,13 228 Th α 5,4 5,3 72% 28% 9,91 năm 224 Ra α 5,7 5,4 95% 5% 3,64 ngày 220 Rn α 6,3 100% 55,6 giây 216 Po α 0,014% β 6,8 212 Pb β 0,3 0,6 212 Bi 66,3% β 2,3 0,15 giây 0,24 88% 12% 60,6 phút 5,6 5,8 1% 2% 33,7% α 6,0 6,1 70% 27% 212 Po α 8,8 100% 3,0*10-5 giây 208 Tl β 1,8 100% 3,05 phút 208 Pb trạng thái bền - - - Ba họ phóng xạ có đặc điểm chung là: hạt nhân thứ đồng vị phóng xạ sống lâu Họ thorium với hạt nhân 232 Th với thời gian bán rã 1.4*1010 năm nên thorium không giảm trình tồn Trái Đất Hạt nhân sống 4.5*109 năm nên bị phân rã phần, 238 U họ uranium có thời gian 235 U có thời gian bán rã 7*108 năm nên phân rã đáng kể Vì vỏ Trái Đất nhiều thorium, lượng 235U bé 140 lần so với thorium Mỗi họ có thành viên dạng khí phóng xạ, chúng đồng vị khác nguyên tố radon: họ uranium khí 222Rn gọi radon; họ thorium, khí 220Rn gọi thoron họ actinium khí 219 Rn gọi actinion Radon khí trơ, không tham gia phản ứng hóa học nào, tác nhân gây ung thư hàng đầu chất gây ung thư phổi Trong không khí radon thoron dạng nguyên tử tự do, sau thoát từ vật liệu xây dựng, đất đá, chúng phân rã thành chuỗi đồng vị phóng xạ cháu, nguy hiểm 218Po Sản phẩm cuối họ phóng xạ chì: 206 Pb họ uranium, 207 Pb họ actinium 208Pb họ thorium Ngoài họ phóng xạ trên, tự nhiên tồn số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Các đồng vị phóng xạ quan trọng liệt kê bảng 1.5 Bảng 1-5: Một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Độ giàu Hạt nhân đồng vị (%) T1/2 (năm) Hoạt độ Năng lượng xạ riêng (MeV) (Bq/kg)    K-40 0.0118 1.3*109 31635 1.33 1.46 V-50 0.25 6*105 0.11 0.78 1.55 Rb-87 27.9 4.8*1010 8.88*105 0.28 Re-187 62.9 4.3*1010 8.88*10-3 0.003 In-115 95.8 6*1014 184.26 Pt-190 0.013 6.9*1011 13.32 La-138 0.089 1.12*1011 765.9 Nd-144 23.9 2.4*105 9.25 1.88 Sm-148 11.27 >1014 4.07 4.01 Hf-176 2.6 2.2*1010 3.18 0.048 0.28 0.81 8.88*10-2 0.043 0.043 0.31 Một nguồn đồng vị trên, 40K phổ biến môi trường Hàm lượng trung bình đất đá khoảng 27 g/kg; đại dương khoảng 380 mg/L; động vật, thực vật thể người vào khoảng 1.7 g/kg 1.1.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo Các nguồn đồng vị nhân tạo gồm đồng vị phóng xạ phát tia xạ anpha, bêta gamma, nguồn neutron phát theo phản ứng hạt nhân (, n) (, n) Các chất đồng vị phóng xạ phân rã anpha bêta thường kèm theo phát gamma Do nguồn coi nguồn anpha, bêta gamma tùy theo mục đích sử dụng Bảng 1-6: Các nguồn phóng xạ anpha, bêta gamma thường dùng Tên Americium Ký hiệu 241 Am Loại Năng lượng xạ (MeV)  5.48  0.06  0.67 10.6 năm T1/2 458 năm Krypton 85 Strontium 90 Sr  2.27 28 năm Cobalt 60 Co  1.173 ; 1.32 5.27 năm Caesium 137  0.66 30 năm Kr Cs 131 Iodine I  0.08; 0.248; 0.364; 0.637 ngày Tecnecium 99m Tc  140.5 Photphorus 32 P  1.711 15 ngày 1.2 Sơ lược hệ phổ kế gamma 1.2.1 Tương tác xạ gamma với vật chất hình thành phổ 1.2.1.1 Tương tác xạ gamma với vật chất: Hiệu ứng quang điện Quang electron Epc=E-K M K Photon E L (a) (b) Tia X (c) Electron Auger ECA=K-L-M (d) Hình 1-1: Hiệu ứng quang điện Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo nguyên tử, gamma biến mất, toàn lượng truyền hết cho electron, electron bay khỏi nguyên tử gọi quang electron (photoelectron hình a, b ) Phần lượng dư chuyển thành động quang electron bay Năng lượng dạng động quang electron tính sau: Ee= E - b (1.1) Với E = h* lượng photon tới b lượng liên kết electron lớp vỏ nguyên tử trước bị Khi electron lớp K bay để lại lỗ trống, electron lớp chuyển vào lấp đầy lỗ trống phát tia X đặc trưng (hình c), electron Auger (hình d) Hiệu ứng quang điện không xảy với electron không đảm bảo định luật bảo toàn lượng động lượng.Thật vậy: Định luật bảo toàn lượng: E  Ee  E 'e  hc  me  me c  1 v c2 c2       E  me c  1   v  1  c    E   (1.2) me c 1  v2 với   c Định luật bảo toàn động lượng:   P  Pe   me E v  c 1   me  c E  c 1  E   me c 1  (1.3) Từ (1.2) (1.3) ta có: 1  1   1 