Khóa huấn luyện ATBX trong công nghiệp

SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CÁC LOẠI BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT
ThS. Nguyễn Minh Xuân – Viện Nghiên cứu hạt nhân, Đà Lạt

I/ MỞ ĐẦU
Hiểu cơ chế tương tác của các loại bức xạ với vật chất là một nhu cầu hết sức cần
thiết trong các bài toán nghiên cứu và triển khai ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong
công nghiệp, môi trường nói riêng và trong các ngành kinh tế nói chung. Từ việc
chế tạo các thiết bị ghi bức xạ; nghiên cứu bức xạ; tùy theo từng yêu cầu cụ thể
của mỗi bài toán như:
- Độ nhạy;
- Năng lượng bức xạ thấp hay cao;
- Hoạt độ lớn hay nhỏ;
- Tính chất của mỗi loại bức xạ và điều kiện thực nghiệm… mà lựa chọn
mỗi loại detector và các hệ thống thiết bị điện tử kèm theo sao cho phù hợp. Ngoài
ra, nắm vững cơ chế tương tác của các bức xạ giúp cho việc lựa chọn các loại bức
xạ phù hợp cho từng bài toán cụ thể áp dụng trong thực tế vào các ngành kinh tế
để đạt được những kết quả hữu hiệu nhất cũng đóng vai trò hết sức quan trọng.
Bài này trình bày một cách khái quát các loại bức xạ và các đặc tính của chúng
trong quá trình tương tác với vật chất nhằm đáp ứng các nhu cầu nêu trên.
II/ TƯƠNG TÁC BỨC XẠ ALPHA VỚI VẬT CHẤT
II.1/ Sự phát alpha
Hạt alpha được phát ra từ hạt nhân của các nguyên tử không bền gồm 2 neutron
kết hợp với 2 proton, thực chất nó là hạt nhân Helium, có năng lượng là dạng phổ
vạch. Trong phân rã alpha, hạt nhân con có số nguyên tử nhỏ hơn 2 so với hạt
nhân mẹ (hình 2.1).
Theo sau quá trình phân rã alpha thường kèm theo sự phân rã gamma. Hình 2.2 là
giản đồ phân rã alpha và gamma của hạt nhân Ra-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

Một đặc tính quan trọng khác trong quá trình hấp thụ các hạt mang điện bởi vật
chất được định nghĩa là sự mất năng lượng trên một đơn vị đường đi và được chỉ
ra bởi phương trình 2.1.
S(E) = -(dE/dx) 2.1
Ở đây E là năng lượng hạt.
Quãng chạy của các hạt là khác nhau phụ thuộc vào năng lượng và được tính theo
biểu thức 2.2.
 

)(ES
dE
dxR 2.2
Ở đây E
o
là năng lượng ban đầu của hạt. Có những thống kê khác nhau về số va
chạm của các hạt alpha và chỉ tạo ra sự thay đổi nhỏ về quãng chạy trong cùng một
loại vật chất.
II.3/ Các ứng dụng
- Máy đo bề dày giấy
- Máy báo khói.
- Trong y tế
- Nghiên cứu thủy văn đồng vị, đo dòng chảy, nghiên cứu rò rỉ…
III/ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ BETA VỚI VẬT CHẤT
Hình 2.2. Giản đồ phân rã của hạt nhân Ra-226

3
III. 1/ Sự phát bêta
Các tia bêta (thường là điện tử) được phát ra bởi các hạt nhân không bền khi nó
phân rã phóng xạ tức thời. Một hạt β
-
Sơ đồ phân rã cho thấy hạt nhân con trong quá trình phân rã bêta có số nguyên tử
nhỏ hơn 1 so với hạt nhân mẹ. Ví dụ phân rã bêta của P-32, mặc dù P-32 phát bêta
thuần (không gamma), năng lượng cực đại là 1,71 MeV và trung bình là 0,7 MeV
(gần 41%) nhưng cũng có những đồng vị có quá trình phát gamma tức thời tiếp
theo và được giải thích theo cơ chế tương tự như phân rã alpha.
III.2/ Tương tác với vật chất
Các tia β
-
(negative electrons = negatrons)

hoặc β
+
(positive electrons = positrons)
được phân loại theo năng lượng và tương tác rất mạnh với vật chất do lực tĩnh điện
của điện tích chúng mang. Negatron gây ion hóa môi trường vật chất trong suốt
khoảng giữa 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 (positive electron) có một sự khác nhau quan trọng đáng chú ý là
chúng cũng tương tác và ion hóa với vật chất mạnh như negatron nhưng khi bị làm
chậm chúng lại kết hợp với electron tạo ra sự hủy cặp và phát ra 2 photon, mỗi
photon có năng lượng 0,511 MeV.
Hình 3.1. Sơ đồ phân rã beta

4

= E
t
– ф
Các hạt bêta có khối lượng tương tự như các điện tử quĩ đạo nên chúng dễ dàng bị
đổi hướng do va chạm.
III.3/ Các ứng dụng
- Máy đo bề dày giấy
- Máy đo báo mức
- Trong y tế
- Nghiên cứu thủy văn đồng vị, đo dòng chảy, nghiên cứu rò rỉ…
IV/ TƯƠNG TÁC CỦA NEUTRON VỚI VẬT CHẤT
IV.1/ Sự phát neutron
Neutron là hạt cơ bản cấu tạo nên hạt nhân, trên thực tế neutron chỉ từ các nguồn
hoặc máy phát dựa trên những phản ứng hạt nhân. Neutron ở bất kỳ năng lượng
nào cũng có thể đi vào hạt nhân và tạo phản ứng. Có thể có nhiều neutron được
giải phóng trong một phản ứng hạt nhân. Một số được làm chậm tới năng lượng
nhiệt sau những va chạm lặp lại. Các neutron nhiệt này va chạm đàn hồi hoặc
chúng có thể được hút cực mạnh khi chúng đi vào một hạt nhân.
Các loại phản ứng hạt nhân phát neutron là phân hạch tự phát, (γ,n), (p,n), (d,n)…
IV.2/ Tương tác với vật chất HẤP THỤ
TỔNG
Tích đi
ện

(n,p)
(n,α)
(n,d)

- NAA và PNAA
- Đo mức chất lỏng
- Đo độ ẩm
- Logging…
V/ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT
V.1/ Khái niệm về bức xạ gamma
Các hạt nhân có tính phóng xạ tự nhiên cũng như nhân tạo có thể ở trong các mức
năng lượng khác nhau E1,E2… được gọi là các mức năng lượng kích thích.Khi
hạt nhân chuyển từ một mức năng lượng này sang một mức năng lượng nào đó và
dần chuyển về trạng thái cơ bản sẽ phát ra lượng tử với năng lượng h = Ei – Ek
và có dạng phổ vạch đó chính là bức xạ được gọi là gamma. Sơ đồ dưới đây là một
ví dụ về cơ chế phát bức xạ gamma.

Tính chất cơ bản của bức xạ gamma khi đi vào môi trường là sự suy giảm dần
cường độ của chúng do tương tác với vật chất bị tách khỏi chùm do bị hấp thụ
hoặc tán xạ. Quy luật suy giảm được mô tả theo công thức:
I=I
0
exp(-x) 5.1
Trong đó I: cường độ chùm tia gamma đi qua lớp vật chất có bề dày x,
I

+ 
cặp
. Trong đó 
q
,


c
, 
cặp
là các hệ số làm yếu tương ứng gây
bởi từng hiệu ứng: Quang điện, compton và tạo cặp.
a/ Hiệu ứng quang điện
Trong hiệu ứng quang điện lượng tử gamma biến mất sau khi truyền toàn bộ năng
lượng và động năng của chúng cho các electron của nguyên tử. Làm xuất hiện
trong chất các electron chạy nhanh và các electron này lại ion hóa các nguyên tử
khác của chất. Trong các mô sống, hiện tượng này có thể dẫn đến sự phá hủy các
tế bào. Hiệu ứng quang điện đóng vai trò chủ yếu trong quá trình làm yếu các tia
gamma có năng lượng nhỏ (< 1MeV)
Động năng mà electron thu được là: T = h - I, trong đó: h = hc/λ là năng lượng,
 là tần số của lượng tử gamma tới; I là năng lượng ion hóa của lớp.
Vì hiệu ứng này tuân theo cả định luật bảo toàn xung lượng, nên h/c = p
γ’
+ P
trong đó P là xung lượng nguyên tử thu được. Năng lượng mà electron thu được
phải nhỏ hơn h - I bởi vì xung lượng của photon bao giờ cũng lớn hơn xung
lượng của quang electron.

Nhận xét:
* Ta thấy rằng năng lượng của lượng tử gamma h tỷ lệ nghịch với bước sóng nên
năng luợng của chúng càng cao thì bước sóng càng giảm.
photo
-
electron

Hiệu ứng quang điện
h
7
* Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện lớn nhất đối với lớp K và giảm nhanh so
với các lớp ngoài (5 lần so với lớp L) nên hiệu ứng này có xác suất rất nhỏ đối với
các điện tử tự do ở lớp ngoài cùng.
* Hiệu ứng quang điện đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong sự hấp thụ các
photon năng lượng thấp bằng các nguyên tố nặng.
* Hiệu ứng quang điện được xem như quá trình hấp thụ thực sự toàn bộ năng
lượng của photon tới vào các điện tử của nguyên tử.
* Dựa vào tính nhạy của hiệu ứng này với các nguyên tử của chất hấp thụ là rất
tiện lợi cho việc chế tạo các dụng cụ phân tích định tính như đo mật độ các loại
chất lỏng trong các lỗ khoan, đường ống…
b/ Tán xạ compton
Hiện tượng tán xạ của photon có năng lượng cỡ vài MeV hoặc lớn hơn (tương
đương với bước sóng   1A
o
) khi va chạm đàn hồi với một điện tử tự do của
nguyên tử tạo ra một điện tử chuyển động gọi là điện tử compton và photon tới
chuyển động lệch hướng một góc  so với phương ban đầu, nên (trong phép gần

1/2
– 1]
Theo định luật bảo toàn xung lượng ta có : P

= P
’
+ P
e

h/c = h’/c + m
e
c*(1 - 
2
)
1/2

Rút ra c/ - c/’ = h/m
e
c(1 - cos) tức là  - 
’
= (1 - cos) = 2sin
2
(/2);
Từ sơ đồ trên của hiện tượng tán xạ compton ta thấy: Góc tán xạ của điện tử
compton thay đổi trong khoảng từ /2 đến  nên chiều dài sóng của điện tử
compton thay đổi từ 2*0,0242*0,5 = 0,0242A
o
đến 0,0484A
o
. Tiết diện của

Vấn đề bảo vệ chống bức xạ gamma: Với các photon có năng lượng vài MeV, tán
xạ compton đóng vai trò quan trọng trong việc làm yếu chùm, nhưng tán xạ
compton không làm giảm số photon mà chỉ làm giảm năng lượng dẫn đến việc
phân bố lại trong không gian. Tuy nhiên do sự tán xạ nhiều lần ngay cả ở những
góc nhỏ, năng lượng photon giảm rõ rệt lúc đó hiện tượng hấp thụ quang điện tăng
lên cho đến khi gamma biến mất hoàn toàn. Do vậy khi tính toán che chắn bức xạ
thường dựa vào công thức:
I = I
0
*exp(-
0
x)
Trong đó: x là bề dày, 
o
là hệ số hấp thụ của vật liệu. Để đơn giản và dễ nhớ

Khi photon tới gần và đập vào hạt nhân nặng thì photon biến mất và thay thế nó
bằng một cặp negatron & positron như chỉ ra ở hình dưới đây.
h

’

Hiện tượng tán xạ compton
h


Điện tử tán xạ

9
1
, v
2
là vận tốc của electron & positron.
Ngoài ra cần phải kể thêm một số hiệu ứng trên hạt nhân, tuy chúng đóng góp một
phần không đáng kể trong quá trình tương tác với vật chất:
d/ hiệu ứng quang điện trên hạt nhân
Hạt nhân sau khi hấp thụ photon sẽ chuyển lên trạng thái kích thích do đó có thể
phát các nuclon (thường là neutron). Nét đặc trưng của hiệu ứng này là năng lượng
của photon tới h phải lớn hơn mức năng lượng ngưỡng h
ng
của hạt nhân thì mới
quan sát được và hiệu ứng này có đỉnh cộng hưởng rộng cỡ vài MeV.
e/ tán xạ thomson và compton trên hạt nhân
Hai hiệu ứng này đóng góp một phần không đáng kể vào quá trình tương tác của
bức xạ gamma với vật chất. Tiết diện  của tán xạ trên hạt nhân bằng:

th
= 8/3*(e
2
/MpC
2
)*Z
4
/A
2
= 2*10
-31
* Z
4

negatron

positron10
Các hệ số tạo thành các mezon riêng & toàn phần là khác nhau đối với những
nguyên tố khác nhau.
Một số ví dụ về ba hiệu ứng cơ bản của gamma:
Với nhôm, tiết diện hấp thụ quang điện 
q
chiếm ưu thế ở năng lượng E

< 0,05
MeV; 
c
ở E = 0,05 - 15 MeV và 
cặp
ở E > 15 MeV.
Với chì, tiết diện hấp thụ quang điện 
q
chiếm ưu thế ở năng lượng E

< 0,5 MeV;

c
ở E = 0,5 - 5 MeV; và 
cặp
ở E > 5 MeV.


Nguyên lý:
-Với các hạt mang điện, chúng có khả năng ion hoá rất lớn khi tương tác với vật
chất nên việc ghi loại bức xạ này là dựa trên việc ghi số lượng lớn các nguyên tử
bị ion hóa.
Hình dưới đây đưa ra đường cong các hệ số hấp thụ của chì
Nước
Giấy
Bê tông

Chì
Nhôm


n

Hình :

Gi
ản

đ
ồ của các loại bức xạ khi đi qua một số loại vật chất.
Hình trên đây minh họa hình dạng đỉnh gamma của Cs-137 theo biên độ xung ra
sử dụng máy phân tích biên độ một kênh với detector nhấp nháy NaI(Tl).
Như chúng ta đã biết Cs-137 phát bức xạ gamma với năng lượng 662 keV khi đi
vào tương tác với vật chất detector tạo ra quang xung, nếu tất cả các linh kiện và
mạch điện tử làm việc một cách lý tưởng thì chúng ta thu được tín hiệu đầu ra chỉ
Cường độ nguồn theo biên độ xung ra của nguồn Cs-137
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Điện áp (vôn)
Cp10s

12
là một vạch mảnh như vạch số I trên hình. Nhưng vì các linh kiện và mạch điện tử

13
TÀI LIỆU THAM KHẢO

1/ IAEA, 1999 - Practical guidbook for Radioisotope – based Technology in
Industry
2/ N.I. Kariakin, K.N Buxtrôv, P.X. Kirêêv - Sách tra cứu tóm tắt về Vật lý.
3/ Jovan Thereska - Nucleonic Gauging methodology and Technology – IAEA,
Vienna, 1999

Meson
Originally, name for elementary particles with a mass between the myon mass and the nucleon
mass. The group of mesons now include the elementary particles which, like the →baryons are
subject to both strong and weak and electromagnetic interaction, but in contrast to the baryons,
with a spin equal to zero. For example pions and K-mesons belong to the mesons.
→e
lementary
particles

Myon
Electrically charged instable
→elementary particle with a rest energy of 105.658 MeV