Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn - Giới thiệu môn học - Trần Thiện Thanh

1 1 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG MƠI TRƯỜNG VÀ THỦY VĂN CBPT: Trần Thiện Thanh - Lê Cơng Hảo Email: ttthanh@hcmus.edu.vn - lchao@hcmus.edu.vn ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TpHCM, 9-2019 2 MỤC TIÊU CỦA MƠN HỌC  Mục tiêu mơn học a. Nguồn gốc phĩng xạ b. Vận hành đƣợc các thiết bị đo đạc c. Nhận diện và xác định đƣợc hoạt độ của đồng vị phĩng xạ d. Phƣơng pháp đo gamma trong nghiên cứu địa vật lý giếng khoan e. Kỹ thuật phĩng xạ trong định tuổi địa chất và thuỷ văn đồng vị  Mơn học tiên quyết  Kỹ thuật ghi nhận bức xạ  Cơ sở vật lý phĩng xạ  Thực tập cơ sở kỹ thuật hạt nhân 3 NỘI DUNG  Chương 1: Tổng quan về ĐVPX trong mơi trường  Chương 2: Nguồn gốc phĩng xạ và quy trính chuẩn bị mẫu mơi trường  Chương 3: Phương pháp phân tìch hạt nhân trong ghi đo bức xạ mơi trường  Chương 4: Ứng dụng ĐVPX trong mơi trường 4 NỘI DUNG  Chương 5: Phương pháp đo gamma trong nghiên cứu địa vật lý giếng khoan  Chương 6: Kỹ thuật phĩng xạ trong định tuổi địa chất  Chương 7: Kỹ thuật phĩng xạ trong thuỷ văn đồng vị 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo chính 1. Phạm Duy Hiển, Phĩng xạ trong mơi trường và các nguồn gốc thải, NXB KHKT, (2014). 2. Đặng Đức Nhận, Ngơ Quang Huy, Nguyễn Hào Quang, Kỹ thuật ghi đo phĩng xạ ứng dụng trong nghiên cứu mơi trường, NXB KHKT, (2014). 3. Phạm Năng Vũ, Thăm dị phĩng xạ và carota lỗ khoan, NXB Đại học và THCN, (1984) Tài liệu tham khảo khác:  C. Zhang, Fundamentals of environmetnal sampling and analysis, John Wiley & Sons, (2007).  M. Eisenbud, T. Gesell, Environmental radioactivity from natural, industrial and military sources, Academic press, (1997).  H. Isrặl, A. Krebs. Nuclear Radiation in Geophysics, Springer Berlin Heidelberg, (1962) 6 HÌNH THỨC KIỂM TRA  Bài tập thường kỳ (20%)  Giữa kỳ (30%) (Thi viết)  Cuối kỳ (50%) (thi viết) 7 Thời gian Khoảng cách Che chắn An tồn phĩng xạ 8 Hít thở 1.2 mSv Bức xạ trong đất, 0.5 mSv Bức xạ vũ trụ, 0.4 mSv Ăn uống, 0.3 mSv Tổng 2.4 mSv / year Bức xạ tự nhiên 9 L iều bức xạ t rong đờ i sống mSv/y Brasil Trung bính Chuyến bay CT scan (1 lần) Legal limit X-ray (bao tử) (Ngực) Near LWR (< 0.001) Nhân tạo Tự nhiên 10 Rưntgen 1895 Discovery of X-ray Pierre & Marie Curie 1898 Discovery of Ra, Po Becquerel 1896 Spontaneous radioactivity Hahn 1938 Discovery of fission Chương 0: Tương tác của bức xạ với vật chất 11 12 Mrs. Rưntgen's hand (Dec. 22, 1895) 13 HẠT NHÂN XN A Z X: Kì hiệu hĩa học A: Số khối Z: Số nguyên tử (điện tìch) N: Số Neutron Hoặc X-A He 4 2 He-4 A=Z+N 4 2 2 14 - Đồng vị tự nhiên :Là các đồng vị tồn tại trong tự nhiên. - Đồng vị nhân tạo : Là các đồng vị được tạo ra từ máy gia tốc hay phản ứng hạt nhân. -Đồng vị phóng xạ :Một số đồng vị tự nhiên và hầu hết các đồng vị nhân tạo đều phát bức xạ để trở thành đồng vị bền. 15 Chuỗi 238U Chuỗi 232Th 16 Loại bức xạ Bức xạ Photon Hạt 4 Loại ký hiệu điện tìch khối lượng X - ray X 0 0 γ- ray γ 0 0 Electron e - -1 0.00054858 β- ray β- -1 ditto β+ ray β+ +1 ditto Proton p +1 1.0072765 Deuteron d +1 2.013553 α- ray α +2 4.0015061 Neutron n 0 1.0086650 Fission 80 ~ 108 fragmen 128 ~ 155 Điện tìch và Khối lượng nghỉ 1) Điện tìch 1e = 1.60219 x10 - 19 Coulomb 2) Đơn vị (u) 1u = 1.66056 x10 - 27 kg FP X - ray Chrct. X - ray, Bức xạ hãm γ- ray, Positron annihilation photon Gia tốc electrong Electron thứ cấp β- ray β- ray, β+ ray α- ray Accel. particle p, d, He, , , , Neutron N nhiệt , n nhanh BX vũ trụ Sơ cấp, thứ cấp 17 TH dịng trực tiếp TH xung SCA, Scaler MCA Số đếm Phổ Volt kế Ánh sáng Tìn hiệu dịng hoặc thế PMT, Photo-diode Bộ KĐ Bộ KĐ Nguyên lý đo lường bx Detector Ghi BX Thiết bị điện tử Năng lượng của BX Đại lượng quan sát Ghi nhận tìn hiệu Biễn diễn 20 Thay đổi đặc trưng hĩa học và vật lý Hiệu ứng Cherenkov Khác Electron thứ cấp Proton, α-particle, etc. Ion hĩa Kìch thìch Tương tác PUHN Other Loại bức xạ Photon α-ray, β-ray Hạt mang điện Neutron X-ray, γ-ray 18 SƠ LƢỢC VỀ HỆ ĐO HẠT NHÂN 19 SƠ LƢỢC VỀ HỆ ĐO HẠT NHÂN (hoặc nhạy thế) Máy phát xung Oscillocope • Detector: tạo xung dịng • Tiền khuếch đại: tạo xung e mũ • Khuếch đại: tạo xung Gauss (thìch hợp cho mục đìch đo năng lượng) • Máy phát xung: tạo xung thay thế cho detector để hiệu chỉnh hoặc kiểm tra thiết bị. • Oscillocope: dùng để kiểm tra dạng xung 20 U-23６ U-235 Thanh điều khiển U-23６ -235 neutron U-23６ 5 Phân hạch U-235 21 Neutral Ionized δray Positive Excited atom electron ion atom Ion hĩa và kìch thìch bởi α- hoặc β- rays α-ray hoặc β-ray mất một phần năng lượng do ion hĩa và kìch thìch vật liệu, và tạo ra các electron và ion dương. Năng lượng trung bính để sinh ra a electron & ion Ià 25 ~ 40 eV trong khì, và 3 ~ 5 eV trong vật liệu rắn. δ- ray là electron mang năng lượng cĩ khả năng ion hĩa nguyên tử khác. Nếu nt trung hịa bắt electrong sẽ trở thành ion âm. Cuối cùng tồn bộ năng lượng bức xạ chuyển thành nhiệt năng. 7 Orbital electrons Nucleus Quá trính ion hĩa β- ray Electron β-ray Electron δ-ray Giải thìch Ion hĩa và kìch thìch trong mức nl của electron Quá trính ion hĩa N M L K N M L K Quá trính kìch thìch excited α- ray or β- ray Free electron α- ray or β- ray 22 Đường cong hấp thụ và quãng chạy của chùm α- rays hẹp 0 10 20 30 40 50 60 100 50 0 T ru yề n q u a ( % ) Bề dày hấp thụ d (mm) KL của hạt α thí nặng hơn 7,300 lần electron. Do đĩ, đường đi trong vật chất gần như là đường thẳng ví ìt khi giật lui khi va chạm với các electron. Số cặp electron-ion được tao ra do sự ion hĩa dọc đường đi được gọi là đường cong Bragg curve, như trong hính. đường đi α- ray trong khơng khì 8 d in out Đặc trưng hấp thụ của α- rays Q chạy (R) Chiều dài (x) ĐC Bragg của α- rays KT S ố c ặ p io n R ngoại suy R trung bính Rời rạc Đặc trưng hấp thụ của α-rays trong vật chất được chỉ ra bên dưới và quãng chạy (R) torng khơng khì là một hàm của năng lượngy (E) được cho bởi pt thực nghiệm sau. R = 0.318 E 3/2 Vì dụ R = 3.88 cm (tại 1atm, KK) cho E = 5.3 MeV. Quãng chạy của α- rays với NL 5 ~ 8 MeV trong Si là 25 ~ 50μm . 23 24 Source holder Phân tìch phổ Hệ phổ kế α-ray KĐ Mở α-ray spectrometer 46 Buồng phải được hút chân khơng Buồng CK Phổ kế α-ray cĩ vùng năng lượng 4 ~ 8 MeV Multichannel analyzer(MCA) MCA Detector Si thường dùng đo phổ α-ray. Độ phân giải năng lượng là 15 ~ 20 keV Đối với detector Si cĩ đường kình 2 ~ 3 cm. 25 Phổ Alpha của 235U 26 Tương tác của photon và electron thứ cấp Khi γ-ray để lại một phần NL Ee cho electron và tán xạ với gĩc θ với NL của γ-ray sau tán xạ hν'. NL sau tán xạ được tình theo cơng thức. hν' = hν/ {1 +α(1 - cosθ) } với, α = hν/ m0c 2 m0c 2 = 511 keV Ee = hν- hν' 13 γ-ray để tồn bộ năng lượng trong electron lớp trong cùng, Ee được giải phĩng. Ee = hν- B Một electron khác sẽ lấp đầy lỗ trống, khi đĩ X-ray đặc trưng hoặc electron Auger được sinh ra, e.g. EK-Auger= (BK - BL) - BM Tiết diện σK cho electron lớp K tỉ lệ với ; Z 5 (hν) - 3.5 với, Z là số điện tìch. Nếu γ-ray cĩ năng lượng lớn hơn 2m0c 2 thí cặp electron và positron được sinh ra trong trường hạt nhân. Tổng động năng của electron và positron ; Ee+ Ep = hν- 2m0c 2 Positron, sau khi mất NL sẽ hủy với electron, và hai photons hủy với NL m0c 2 (511 keV) được sinh ra. K L M Hiệu ứng tạo cặp K L M Hiệu ứng quang điện Electron γ-ray Positron Annihilation 511 keV γ-ray LX-ray or Auger elct. Photoelectron KX-ray or Auger elct. Tán xạ Compton Free electron Secondary electron θ φ γ-ray Scattered γ-ray 27 Cấu tạo TKĐ Cấp HV Kết nối FET 28 Tương tác của gamma với vật chất A) Hiệu ứng quang điện (FEP) Ee = hν SPE DPE BS SS MS Phân bố năng lượng của electron thứ cấp Năng luọng Ee(keV) 6 B) Tán xạ Compton Ee = hν- hν' SS, MS, BS : phân bố liên tục C) Hiệu ứng tạo cặp Ee+ Ep = hν- 2 m0c 2 (m0c 2 = 511 keV ) FEP = hν : Đỉnh gamma SPE = hν- 511 : Đỉnh thốt đơn DPE = hν- 1022 : Đỉnh thốt đơi MS B hν’ SS A m0c 2 C FEP hν 29 30 31 32 Bộ phân tích đa kênh (MCA) 33 34 35 Đặc trưng hấp thụ của β- rays β- ray mất một phần năng lượng trong vc bởi quá trính va chạm với electrons trong nguyên tử và bức xạ hãm (Bremsstrahlung) (phát ra X-ray) khi bay gần trường hạt nhân. 10 Đặc trưng hấp thụ và quãng chạy của β-rays Đường cong hấp thụ của β-ray xấp xỉ hàm mũ trong bề dày vật liệu ở đĩ sự truyền qua khơng quá nhỏ. Hệ số hấp thụ khối μm (cm 2·mg-1) và quãng chạy R (mg / cm2) cho năng lượng cực đại E (MeV) được tình từ nhiều pt thưc nghiệm. N / N 0 = exp ( -μm d ) μm= 0.017 E -1.43 for Al R = 542 E − 133 cho E > 0.8 MeV R = 407 E 1.38 cho 0.15 MeV < E < 0.8 MeV Range (R) β- ray trajectory Đường cong hấp thụ và R cực đại của β-ray Bề dày hấp thụ d (mg / cm2) S ự t ru yề n q u a N / N 0 ( % ) 0 100 200 300 400 500 600 1.0 0.5 0.1 0.05 0.01 0.005 Hàm mũ R cực đại Hướng bay của hạt β se thay đổi sau một va chạm. Đường đi sẽ bị uốn lượn. Thêm vào đĩ, do phân bố năng lượng là liên tục củaβ-rays, rất khĩ khăn để xác định chình xác quãng chạy bằng phương pháp đo trực tiếp. 36 37 Electron Hủy positron, Hiệu ứng Cherenkov Hủy positron Khi một positron mất năng lượng trong vật liệu, nĩ kết hợp với electron kế cận, thế thí hai hạt bị hủy và biến thành hai photon, tuân theo định luật bảo tồn động lượng và năng lượng. 1) Hai photon thí bay ra ngược chiều nhau. 2) Năng lượng của photon tương ứng với KL nghỉ của electron ( m0c 2 = 511 keV ). 3) Hai photon cĩ sự khác biệt khoảng 10 eV, thế thí1) và 2) sẽ khác nhau chút ìt do hiệu ứng Doppler effect. Hiệu ứng Cherenkov Khi electron mang NL cao với vận tốc v bay qua các chất điện mơi (nước, kình, etc) và bị khúc xạ trong mơi trường cĩ chiết suất n, và ánh sánh rất yếu được phát ra, nếu v cĩ vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng (c /n) trong vật chất. Vì dụ: nước (n =1.33), cĩ năg lượng trung bính *) do hiệu ứng Cherenkov là 275 keV. *) E(keV) = 511{ (1 -β2 ) -1/2 - 1 } với, β= v / c = 1 / n β-ray năng lượng cao (e.g. 2.28MeV từ 90Y) được ghi nhận ánh sáng yếu được phát ra hiệu ứng Cherenkov với PMT độ nhạy cao. 12 Positron < 0.1eV Hủy positron m0c 2 511 keV m0c 2 511 keV 180° P A B Vận tốc v AP = (c / n) t AB = v t PAB =φ PBA =θ sinθ= c / (n v) 38 Lị phản ứng Viện nghiên cúu hạt nhân Bức xạ Cherenkov 39 Tương tác của neutron Tán xạ Hấp thụ Tán xạ đàn hồi Tán xạ khơng đàn hồi Phân hạch Bắt neutron (n, g) Sinh nhiều neutron (n, 2n); (n, 3n) Sinh hạt mang điện (n,p), (n, a) 40 Phản ứng HN trong ghi nhận Neutron PUHN trên bia (X), X (n,a) Y, bức xạ (a) với động năng Ea được phát ra từ hạt nhân (Y) với động năng EY được sinh ra. 16 Neutron Hạt nhân (En) AX Hạt nhân hợp phần A+1X＊ Phát bức xạ a ; Ea Hạt nhân con Y ; EY Loại phản ứng Phản ứng E(MeV) σ 1) (barn) Neutron detector Ea EY Tán xạ đàn hồi 1H (n, n') p 0 ~ En En ~ 0 20 ~1 2) proton detector 3) Phản ứng sinh ra hạt mang điện 3He (n, p) 3H 0.574 0.191 5330 ống đếm He-3 6Li (n,α) 3H 2.06 2.74 940 6Li- Si ống đếm sandwich 10B (n,α) 7Li 1.47 0.84 3840 ống đếm BF3 Bắt neutron AX (n,γ) A+1X 3 ~ 8 0 mb ~ kb Lá dị Phân hạch 235U (n, f) FP 2 FPs ~ 200 583 Buồng phân hạch 1) Ngoại trừ H (n, n') p, tiết diện đối với neutron nhiệt (0.025 eV). 2) Đối với En = 0.1~ 5 MeV, σ(En) cĩ thể xấp xỉ 4.2 En - 0.55 (± 5 %). 3) Ống đếm tỉ lệ, plastic hoặc nhấp nháy lỏng 41 Ống đếm tỉ lệ và ứng dụng Đặc trung của ống đếm tỉ lệ so với ống đếm GM 1) Thơng tin về năng lượng bức xạ Độ cao xung tỉ lệ thuận với NL hao phì trong chât khì bời sự ion hĩa sơ cấp 2) Tốc độ đếm cao Thời gian chết phải nhỏ (< 1μs). Khì He-3 với áp suất 10atm. Ống đếm He-3 Pulse height (ch) C o u n ts Wall effect Q=765keV γ-rays Thermal neutron Phạn bố độ cao xung với ống đế, He-3 nthermal + nfast 26 Ứng dụng 1) NL thấp (<10 keV) phổ kế X-ray 2) Phơng thấp khi đo α&β-ray 3) Đo neutron : Ống đếm He-3, ống đếm BF3 Hiệu suất đếm phụ thuộc mạnh vào năng lượng của neutron bởi ví tiêt diện tỉ lệ với 1/ v. 42 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Năng lượng E(eV) 105 104 103 102 101 σ(b) Tiết diện tương tác của Neutron 17 10B (n, α) Tiết diện tương tác của hạt nhân σ (đơn vị barn =10 - 24 cm2) là xác suất xảy ra tương tác trên một hạt nhân của bia Vì dụ., Tốc độ phản ứng (s-1) =σNφ Ở đây, N số hạt nhân trong bia and φ là mật độ thơng lượng neutron (cm- 2 s-1). 3He (n, p) 6Li (n, α) 6Li (n,α) 3H : σTh = 940 barn Detector ; Si ống đếm sandwich 10B (n,α) 7Li : σTh = 3840 barn Detector ; ống đếm BF3 Tiết diện phản ứng của neutron trong một số trường hợp tuân theo quy luật (1/ v ~ 1/ E1/2) cho vùng NL thấp. 3He (n, p) 3H : σTh = 5330 barn Detector ; ống đếmHe-3 Neutron nhiệt ( 0.025eV ) 197Au (n, γ) Neutron reaction : Cross-section (σTh) for thermal neutron Application to detector 197Au (n,γ) 198Au : σTh = 98.7 barn Detector ; lá dị 43 4) Hạt nhân con thừa neutron sẽ phan rã bằng cách phát β- ray. 3) γ-ray năng lượng cao (3 ~ 8 MeV), được gọi là bắtγ-ray hoặc γ-ray tức thời. 2) Tiết diện tỉ lệ thuận với quy luật(v -1 ~ E -1/2), Do đĩ, neutron nhiệt được sử dụng trong nhà máy điện hạt nhân. PU bắt neutron PU bắt neutron, AX (n,γ) A+1X, hạt nhân con (A+1X). Nếu hạt nhân con là đồng vị phĩng xạ, thí PU trên dùng trong kìch hoạt vật liệu. Đặc trưng của PU bắt neutron 1) Hạt nhân bia cĩ tiết diện lớn, ngoại trừ một số đồng vị nhẹ, bởi ví rào thế Coulomb và năng lượng tỏa ra của PU(Q > 0) 18 HN bia HN con CKBR 1) σTh ( barn ) 1H 2H ( bền) 0.332 2H 3H (12.33 y ) 0.55 mb 2) 13C 14C ( 5730 y ) 1.37 mb 23Na 24Na (14.96 h ) 0.531 59Co 60Co ( 5.27 y ) 37.2 98Mo 99Mo ( 65.9 h ) 0.13 133Cs 134Cs ( 2.07 y ) 29 151Eu 152Eu (13.54 y ) 5900 191 I r 192I r ( 73.83 d ) 309 197Au 198Au ( 2.694 d ) 98.65 1) Đơn vị h : hour d : day y : year 2) Đây là chất làm chậm neutron tốt nhất Vì dụ về PU bắt neutron 44 Nguyên lý Detector α- ray β- ray NL thấp β- ray Photon NL thấp Photon Chất khì Buồng ion hĩa OD tỉ lệ OD GM Bán dẫn Detector Si detector Ge Nhấp nháy Plastic Lỏng NaI(Tl) ZnS(Ag) BGO Ghi nhận α-ray, β-ray và photon ◎ thường dùng △ dùng cĩ điều kiện × khơng thìch hợp ◎ ghi nhận phổ ○ thìch hợp ◇ đo liều △ ○ △ × ◎ × ○ ◎ × ◎ △ △ △ △ × ○ × ○ ◎ × × × △ ○ ◎ △ × ◎ ◎ × × × △ △ △ ◎ ◎ △ △ ○ × △ ◇ △ ◇ ◇ ◎ ○ △ ◎ × ○ 46 45 Nguyên lý Detector Phản ứng 1) σ(barn) 2) Ghi chú Ion hĩa Buồng phân hạch ống đếm He-3 ống đếm BF3 Methane pr. cntr. Sandwich counter Nhấp nháy Plastic SC, LSC Li I (Eu) Kìch hoạt Detector đo là dị Detector đo neutron 235U (n, fission) 3He (n, p) 3H 10B (n,α) 7Li 1H (n, n’) p 6Li (n, α) 3H 1H (n, n’) p 6Li (n, α) 3H 59Co (n, γ) 60Co 197Au (n, γ) 198Au 583 (1) 5330 (7) 3840 (9) Scattering 3) 940 (4) Scattering 3) 940 (4) 37.2 (0.06) 98.7 (0.09) QR ≒ 200 MeV QR = 0.765 MeV QR = 2.785 MeV Cnt.Dstr. Emax= En QR= 4.80 MeV n -γPSD 4) QR = 4.80 MeV 47 46