ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------

BÙI THỊ HƢƠNG

ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM ƢU ĐIỂM CỦA
PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI
VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

1q – 50 - xb

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------

BÙI THỊ HƢƠNG

ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM ƢU ĐIỂM CỦA
PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI
VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân nguyên tử và năng lƣợng cao
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

1.1.2. Quy luật phân rã phóng xạ................................................................................3
1.2. Chuỗi phóng xạ liên tiếp. Hiện tƣợng cân bằng phóng xạ .............................5
1.2.1. Chuỗi phóng xạ liên tiếp ...................................................................................5
1.2.2. Hiện tượng cân bằng phóng xạ .........................................................................7
1.3. Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên ...........................................................8
1.3.1. Dãy phóng xạ Urani ..........................................................................................9
1.3.2. Dãy phóng xạ Thori ........................................................................................14
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...............................................16
2.1. Phƣơng pháp chuẩn nội hiệu suất ghi ............................................................16
2.2.1. Phương pháp phổ gamma ...............................................................................16
2.1.2. Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi . ..........................................................17
2.2. Hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra ..............................................18
2.2.1. Đầu dò bán dẫn BEGe, Model BE530 ............................................................20
2.2.2. Buồng chì: .......................................................................................................20
2.2.3. Khối tiền khuếch đại, model Canberra 2002C: ..............................................21
2.2.4. Khối khuếch đại phổ, model Canberra 2026: .................................................21
2.2.5. Khối cao thế, model Canberra 3106D: ...........................................................22
2.2.6. Khối phân tích đa kênh: ..................................................................................22
2.3. Phân tích phổ gamma ......................................................................................22
2.3.1. Mục đích phân tích phổ gamma ......................................................................22
2.3.2. Phần mềm phân tích phổ gamma ....................................................................24
2.3.3. Đường cong hiệu suất ghi của detecto ............................................................26
2.4. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác kết quả đo ...................................28
2.4.1. Hiệu ứng thời gian chết ...................................................................................28


2.4.2. Hiệu chỉnh chồng chập xung ...........................................................................28
2.4.3. Hiệu ứng cộng đỉnh .........................................................................................29
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ...................................................30
3.1. Xác định tỉ số hoạt độ của 208Tl / 228Ac trong nguồn TS5 .............................30

Hình 2.4. Nhận diện sơ bộ các đồng vị bằng công cụ FitzPeaks 3.66......................25
Hình 3.1: Mặt trước mẫu TS5 ...................................................................................31
Hình 3.2: Mặt sau mẫu TS5 ......................................................................................31
Hình 3.3: Phổ gamma của mẫu TS5 với cấu hình đo nguồn không bọc chì đặt song
song với mặt đềtéctơ thời gian đo 69270s ................................................................32
Hình 3.4. Đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi của phổ gamma mẫu TS5 cấu hình
đo không bọc chì song song ......................................................................................33
Hình 3.5. Phổ gamma của mẫu TS5 với cấu hình đo bọc chì thời gian đo 83181 ...34
Hình 3.6. Đường cong chuẩnnội hiệu suất ghi của phổ gamma mẫu TS5 cấu hình đo
bọc chì .......................................................................................................................35
Hình 3.7. Đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi của phổ gamma mẫu US2 ..............38


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các bức xạ gamma đặc trưng và hệ số phân nhánh của các đồng vị phóng
xạ trong dãy 238U .......................................................................................................10
Bảng 1.2. Các bức xạ gamma đặc trưng và hệ số phân nhánh của các đồng vị phóng
xạ trong dãy 235U .......................................................................................................12
Bảng 1.3. Các bức xạ gamma đặc trưng và hệ số phân nhánh của các đồng vị trong
dãy phóng xạ 232Th ....................................................................................................14
Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm với cấu hình son song, thời gian đo 69270 giây ....32
Bảng 3.2. Cấu hình bọc chì thời gian đo 83181s ......................................................34
Bảng 3.3: Bảng so sánh kết quả thực nghiệm với hai cấu hình đo bọc chì và không
bọc chì .......................................................................................................................36
Bảng 3.4. Kết quả tỉ lệ hoạt độ của 208Tl và 228Ac với hai cấu hình đo khác nhau ...36
Bảng 3.5. Bảng số liệu kết quả xử lý đối với mẫu US2 ............................................37
Bảng 3.6. Bảng số liệu kết quả xử lý đối với hai đỉnh năng lượng 186,21keV và
185,75keV .................................................................................................................39
Bảng 3.7. Tỉ lệ hoạt độ của 235U và 238U theo lý thuyết và bằng thực nghiệm .........40


hoặc năng lượng xấp xỉ nhau. Tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh
của một đồng vị được xác định trực tiếp thông qua việc đo phổ gamma của mẫu,.
Còn tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh

của đồng vị thứ hai thu

được từ đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi được xây dựng dựa vào các tỷ số
tại các năng lượng Eγ do đồng vị thứ hai gây ra.

1


Ưu điểm của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi là không cần mẫu chuẩn
và có thể áp dụng cho hình học đo bất kỳ. Mục tiêu của bản luận văn là kiểm tra
bằng thực nghiệm việc xác định tỷ số hoạt độ của hai đồng vị có trong mẫu không
cần mẫu chuẩn, không phụ thuộc vào hình học đo. Mục tiêu thứ hai là áp dụng
phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi để đánh giá trạng thái cân bằng của các đồng
vị phóng xạ trong dãy

238

U trong một nguồn, và tỷ số hoạt độ của

235

U và

238

U.

các hạt nhân phóng xạ cùng loại, khi đó mới tìm ra quy luật phân rã của hạt nhân
phóng xạ đang xét. Cũng giống như những hiện tượng ngẫu nhiên khác, để đặc
trưng cho khả năng phân rã phóng xạ ta đưa vào khái niệm hằng số phân rã phóng
xạ . Hằng số phân rã phóng xạ

là xác suất để một hạt nhân phân rã phóng xạ

trong một đơn vị thời gian. Đối với hạt nhân phóng xạ thì hằng số phóng xạ là một
trong các đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng phóng xạ của hạt nhân. Với một
đồng vị phóng xạ cho trước thì hằng số phân rã

không thay đổi khi các điều kiện

vật lý, hóa học thay đổi.
1.1.2. Quy luật phân rã phóng xạ
Xét một lượng đồng vị phóng xạ xác định, giả sử tại thời điểm ban đầu
số hạt nhân phóng xạ là

, do hiện tượng phóng xạ nên số hạt nhân phóng xạ sẽ

giảm dần theo thời gian

3


Giả sử tại thời điểm t số hạt nhân chưa phóng xạ là N, sau khoảng thời gian
dt hay ở thời điểm

, số hạt nhân chưa phóng xạ (số hạt nhân còn lại) là


tồn tại và số hạt nhân mẹ còn tồn tại thực tế sai khác nhau không đáng kể [1,2,3]
Sử dụng định luật Avogadro ta có thể biểu diễn định luật phóng xạ cho khối
lượng của mẫu phóng xạ như sau
(1.4)
Phương trình (1.4) cũng có thể coi là phương trình của định luật phóng xạ.
Từ công thức (1.3) lấy logarit tự nhiên hai vế ta có
(1.5)
Chu kỳ bán rã T1/2 là khoảng thời gian để số hạt nhân giảm đi còn một nửa so
với số hạt nhân ban đầu. Từ công thức (1.3) ta có

4


Hoạt độ phóng xạ H là số phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian. Hoạt
độ phóng xạ được xác định theo công thức

Trong hệ đơn vị SI đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel (kí hiệu Bq) 1Bq=1
phân rã/giây
1.2. Chuỗi phóng xạ liên tiếp. Hiện tƣợng cân bằng phóng xạ
1.2.1. Chuỗi phóng xạ liên tiếp
1.2.1.1. Chuỗi hai hạt nhân phóng xạ liên tiếp
Giả sử đồng vị phóng xạ A (kí hiệu là hạt nhân 1) phân rãphóng xạ với hằng
số phóng xạ

tạo thành hạt nhân con là B (kí hiệu là hạt nhân 2). Đồng vị B lại

phân rã phóng xạ với hằng số phân rã là

tạo thành hạt nhân C


Với thời gian đủ lớn so với chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ và thỏa mãn
hàm

nên phương trình (1.8) và

. Do

(1.10) có dạng sau
(1.11)

Sau một thời gian đủ lớn so với chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ nhưng đủ nhỏ so với
chu kỳ bán rã của hạt nhân con, hạt nhân mẹ đã phân rã hết trở thành hạt nhân con.
Trong khi đó hạt nhân con phân rã rất ít, và gần đúng coi số hạt nhân con chưa phân
rã xấp xỉ bằng N10
b. Trường hợp chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ rất lớn so với chu kỳ bán rã của hạt
nhân con.
Xét trường hợp đơn giản ban đầu chỉ có hạt nhân mẹ không có hạt nhân con,
N20=0. Do

Với

biến đổi phương trình (1.9) ta có

sao cho

, biểu thức (1.13) có dạng

Chia cả hai vế cho N1(t) ta có công thức

Nhân cả hai vế của phương trình (1.14) với

như dãy gồm hai đồng vị phóng xạ liên tiếp, lúc này sẽ xảy ra hiện tượng cân bằng
phóng xạ. Ta có
`

(1.18)

Tổng quát cho trường hợp dãy phóng xạ có n hạt nhân phóng xạ liên tiếp,
phương trình mô tả sựu cân bằng phóng xạ trong dãy như sau
(1.19)
Ý nghĩa của hiện tượng cân bằng phóng xạ: Trong thực tế muốn xác định
hàm lượng của đồng vị nào đó trong dãy về nguyên tắc ta phải xác định hoạt độ
phóng xạ của chính nguyên tố đó. Từ hoạt độ đo được, biết chu kỳ bán rã, xác định
được số hạt nhân có trong mẫu, từ đó suy ra hàm lượng. Tuy nhiên, trong nhiều
trường hợp việc xác định trực tiếp hoạt độ của đồng vị gặp khó khăn do nó không
phát bức xạ gamma cần phải đo hoạt độ theo phương pháp alpha hoặc beta, hoặc
bức xạ gamma đặc trưng do nó phát ra có cường độ nhỏ, nằm sát các vạch gamma
của nguyên tố khác. Vì hiện tượng cân bằng phóng xạ xảy ra thì hoạt độ của nguyên
tố này bằng hoạt độ của các nguyên tố khác trong dãy, nên ta đi xác định hoạt độ
của một đồng vị nào đó trong dãy. Đồng vị được chọn là đồng vị phát bức xạ
gamma có cường độ lớn, việc đo hoạt độ của đồng vị được chọn đơn giản hơn
nhiều.
1.3. Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên
Trong quá trình tổng hợp hạt nhân xảy ra hàng tỷ năm trước đây, nhiều đồng
vị không bền đã được tạo thành. Do tuổi của trái đất cỡ 4.5 tỉ năm, nên đến nay đa
số các đồng vị này đã phân rã phóng xạ hết, không còn tồn tại trong vỏ trái đất. Đó
là những đồng vị sống ngắn, có chu kỳ bán rã không vượt quá 150 triệu năm. Các
đồng vị phóng xạ sống lâu, có chu kỳ bán rã lớn hơn 500 triệu năm vẫn còn tồn tại
đến ngày nay và được chia làm 3 dãy phóng xạ. Đứng đầu là các đồng vị

238

bán rã của

238

U là khoảng 4.47 tỉ năm và của

235

U là 704 triệu năm, do đó nó được

sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất [1].
Hiện tại, các ứng dụng của urani chỉ dựa trên các tính chất hạt nhân của nó.
235

U là đồng vị duy nhất, tồn tại trong tự nhiên, có khả năng phân hạch một cách tự

phát.

238

U có thể phân hạch bằng nơtron nhanh, và có thể được chuyển đổi thành

Plutoni-239 (239Pu), một sản phẩm có thể tự phân hạch được trong lò phản ứng hạt
nhân. Đồng vị có khả năng tự phân hạch khác là 233U có thể được tạo ra từ Thori tự
nhiên và cũng là vật liệu quan trong trong công nghệ hạt nhân.
Trong lĩnh vực dân dụng, Urani chủ yếu được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy
điện hạt nhân [2]. Ngoài ra, Urani còn được dùng làm chất nhuộm màu trong công
nghệ sản xuất thủy tinh và xử lý hình ảnh.
1.3.1.2.Chuỗi phân rã Urani tự nhiên:
235

phóng xạ trong dãy 238U
Hạt nhân

238
92U

90Th

91Pa

234

234m

91Pa

234

234
92U

Chu kỳ bán rã

Hạt nhân

Năng lượng

Hệ số phân

T1/2


766,38

0,294

131,30

0,029

230

53,2

0,123

226

67,67

0,373

222

186,21

3,59

218

511


4,51.109 năm

24,1 ngày

1,175 phút
6,7 giờ

234

90Th

91Pa

234m

234
92U

234
92U

2,48.105 năm

90Th

90Th

230


85At

214

82Pb

2 giây

26,8 phút

214
83Bi

214
83Bi

10


214
83Bi

19,7 phút

839,04

0,587

258,87


934,06

3,03

1729,59

2,92

1407,98

2,15

1847,42

2,11

1155,19

1,63

2447,86

1,57

665,45

1,46

1280,96


0,01

210

231

214

84Po

210
81Tl

84Po

214

1,64.10-4s

82Pb

210
81Tl

1,32 phút

82Pb

82Pb



803,10

0,00122

210
206

11


Sự phân rã của các đồng vị phóng xạ tự nhiên phát ra các bức xạ alpha () ,
beta () và gamma (). Năng lượng của bức xạ và chu kỳ bán rã đặc trưng cho đồng
vị phóng xạ. Trong ba loại bức xạ nói trên thì tia gamma được sử dụng nhiều nhất
vào mục đích phân tích vì [ 1,3]:
- Việc xác định năng lượng của tia gamma tương đối đơn giản và có thể đạt
được độ chính xác cao.
- Sự hấp thụ các tia gamma trong mẫu ít hơn so với sự hấp thụ các tia  và .
- Trong trường hợp các tia gamma bị hấp thụ vẫn có thể hiệu chính được một
cách chính xác.
Trong số các đồng vi con cháu của

238

U không phải đồng vị nào cũng đo được phổ

gamma một cách dễ dàng. Thực tế chỉ có 6 đồng vị trong bảng được gạch chân là có
thể đo được một cách tương đối dễ. Do vậy có thể đo hoạt độ của các đồng vị này từ
đó suy ra hoạt độ của các đồng vị trước đó trong chuỗi phân rã
Chuỗi phóng xạ

nhánh

7,13.108 năm

185,715

57,2

143,76

10,96

163,358

5,08

205,309

5,01

109,16

1,54

25,646

14,5

84,216


89Ac

227

89Ac

21,8 năm

227

223

18,4 ngày
88Ra

87Fr

223

21 phút

223

11,68 ngày

88Ra

88Ra

223


300,07

2,47

302,65

2,87

283,69

1,7

330,06

1,4

99,6

0,0056

235,97

12,3

50,13

8,00

256,25


401,81

6,4

438,8

0,04

227
90Th
87Fr

90Th

26,36

84Po

82Pb

215

211

At215

**

211


82Pb

207

897,80

0561

207
81Tl

4,78 phút

82Pb

207

897,80

0,260

13


207

82Pb

Bền

Thori nguyên chất là một kim loại có ánh bạc, có số nguyên tử là 90 trong
bảng hệ thống tuần hoàn. Hiện nay người ta đã phát hiện ra 7 đồng vị thori khác
nhau, trong tự nhiên chỉ có

232

Th .

Về đặc điểm phóng xạ, Thori không bền và có tính phóng xạ yếu nó phân rã
rất chậm phát ra các hạt alpha với chu kỳ bán rã khoảng 4,39 tỉ năm, do vậy Thori
cũng được sử dụng để xác định tuổi của trái đất.
1.3.2.2. Chuỗi phân rã Thori tự nhiên
232

Th đứng đầu chuỗi phân rã phóng xạ

232

Th –

208

Pb. Các đặc trưng chu kỳ

bán rã, kiều phân rã năng lượng các dịch chuyển được đưa ra trong bảng 1.3. Các
232

đồng vị phóng xạ thuộc dãy phóng xạ

Th có số khối được mô tả bởi công thức

4,39. 10 năm

228

6,7 năm

228

Ra

Ac

63,8

0,263

140,88

0,021

13,51
1,6

911,2

14

25,8



409,5

1,92

772

1,49

84,373

1,22

215,98

0,254

240,98

4,1
0,114

Pb

804

0.0019

238,632

43,3


4,47

1064 giờ

212

3,04.10-7 giây

212

Bi

Po

208

208

794,9

549,76

Pb

Tl

4,4

Po


15,8

3,64 ngày

216

212

969

Ti

60,5 phút

208

Pb

3,1 phút

208

Pb

Bền

Pb

Thực chất cho đến nay ngoài hai đồng vị 40K và 87Rb, trong tự nhiên tồn tại


(2.1)

Trong đó:
+) H là hoạt độ phóng xạ có trong mẫu
+) Iγ là cường độ tia gamma (hệ số phân nhánh) có năng lượng Eγ
Với tia gamma có năng lượng xác định, biết được Iγ , xác định số tia gamma có
năng lượng Eγ phát ra từ mẫu trong một đơn vị thời gian sẽ biết hoạt độ phóng xạ H
của đồng vị có trong mẫu. Để xác định Nγ dựa vào diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần
của bức xạ gamma đặc trưng.
Tốc độ đếm tại đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với tia gamma có năng lượng

được

xác định theo công thức:
n = Br.  .H
Trong đó:
+) H: là hoạt độ phóng xạ.
+)  : là góc khối nguồn nhìn Detector.

16

(2.2)


+)

là hiệu suất ghi.

+) Br: là hệ số phân nhánh.

Chia hai vế của công thức 2.3 cho nhau ta có:

Biến đổi công thức (2.4), ta có:

Do 2 đồng vị đang xét trên cùng một mẫu nên ta có  1 =  2. Ngoài ra nếu
thì công thức (2.5) sẽ trở thành:

17



Trích đoạn Đánh giá tính cân bằng phóng xạ trong dãy 238U Xác định tỉ số hoạt độ 235U và 238U

---