Phông và vật liệu che chắn Detector

KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ 31 S Ố 0 4 N Ă M 2 0 19 Vì bức xạ vũ trụ chiếu liên tục vào khí quyển của trái đất và có hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong môi trường, nên tất cả các detector đều ghi được tín hiệu phông nào đó. Bản chất của phông này thay đổi nhiều theo kích thước, loại detector và việc che chắn quanh detector. Tốc độ đếm phông có thể cao hàng ngàn số đếm trên giây đối với các chất nhấp nháy thể tích lớn hoặc nhỏ hơn một số đếm trên giây trong các ứng dụng đặc biệt. Bởi vì độ lớn phông ảnh hưởng đến việc xác định mức bức xạ cực tiểu, nên rất có ý nghĩa trong những ứng dụng có chứa nguồn bức xạ hoạt độ thấp. Các detector thường được che chắn ngoài để cách ly các nguồn bức xạ khác trong phòng thí nghiệm. 1. Nguồn phông Có thể chia bức xạ phông thành 5 loại: + Hoạt độ phóng xạ tự nhiên từ các vật liệu cấu thành detector. + Hoạt độ phóng xạ tự nhiên của các thiết bị phụ thuộc, giá đỡ và che chắn được đặt trong vùng lân cận trực tiếp của detector. + Bức xạ từ hoạt độ của bề mặt trái đất (bức xạ trên mặt đất), phòng thí nghiệm hoặc các cấu trúc khác. + Hoạt độ phóng xạ trong không khí bao quanh detector. Phông và vật liệu che chắn + Thành phần sơ cấp và thứ cấp của bức xạ vũ trụ. 1.1. Hoạt độ phóng xạ của các vật liệu thông thường Phần lớn hoạt độ phóng xạ của các vật liệu cấu trúc thông thường là do nồng độ thấp của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên thường được coi là tạp chất. Các thành phần quan trọng nhất là potassium-K, thorium-Th, uranium-U và radium-Ra. Kali tự nhiên chứa 0,012% K40, nó phân rã với chu kỳ bán rã 1,26.109 năm qua sơ đồ phân rã như hình 1. Detector ThS. NGUYỄN ANH HÒA Trung tâm Giáo dục Thường xuyên tỉnh Gia Lai Hình 1: Sơ đồ phân rã K40 Các bức xạ phát ra là hạt bêta với năng lượng cực đại 1,314 MeV (hiệu suất 89%), tia gamma năng lượng 1,460 MeV (hiệu suất 11%) và tia X đặc trưng của argon-Ar theo sự bắt electron. Detector gamma có thể ghi được tia gamma năng lượng cao này trong phổ phông, vì kali là thành phần phổ biến trong bê tông và các vật liệu xây dựng khác. KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ32 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ô N G N G H Ệ V À M Ô I T R Ư Ờ N G Hình 2: Phổ gamma trên mặt đất thu được sau 170 giờ sử dụng detector Ge 60 cm3 cách mặt đất 1 m. Ngoài hoạt độ có nguồn gốc xuất hiện tự nhiên. Phông cũng bao gồm một số các hoạt độ do sản phẩm phân hạch mà bắt nguồn do rơi lắng phóng xạ khí quyển từ các vụ thử vũ khí đã qua. Trong hình 2 phần đóng góp đáng chú ý nhất là cesium-Cs137, nhưng cũng thấy được: zirconium-Zr95, niobium-Nb95, ruthenium- Ru106, antimony-Sb125 và cerium-Ce144. Bảng 1 liệt kê hoạt độ riêng đo được đối với một số vật liệu thông thường được sử dụng trong kết cấu của các hệ thống detector. Một số vật liệu như thủy tinh pyrex chứa hoặc là K hoặc là Th như là thành phần thông thường, và do đó có mức phông khá cao. Có thể giảm hoạt độ phóng xạ do tạp chất gây ra bằng việc chọn các mẫu có độ sạch cao. Vì vậy copper-Cu hoặc magnesium-Mg được chế tạo bằng điện phân thì thích hợp để sử dụng trong kết cấu của các ống đếm phông thấp. Thép không rỉ thường có mức phông thấp. Aluminum-Al thông thường có chứa tạp chất U và Ra nên không thích hợp để dùng để tạo ống đếm phông thấp. Đồng thau có hoạt độ thấp nếu thành phần chì trong nó thấp. Chất hàn điện và một vài vật liệu bảng mạch có thể có hoạt độ tương đối cao, chúng cũng đóng góp vào tốc độ đếm phông của detector gamma. Bảng 1: Hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong các vật liệu cấu trúc thông thường Vật liệu 232Th (583 keV) 238U 40K Nhôm (6061 từ Harshaw) 0,42 0,04 < 0,05 Nhôm (1100 từ Harshaw) 0,24 < 0,017 <0,06 Nhôm (1100 từ ALCOA) 0,08 < 0,026 < 0,11 Nhôm (3003 từ ALCOA) 0,10 < 0,026 0,56 Thép sạch (304) < 0.006 < 0,007 < 0,06 Thép sạch (304-L) < 0.005 < 0,005 < 0,02 Magiê (thanh) 0.06 < 0,04 0,1 Magiê (thỏi) < 0.01 < 0,002 < 0,02 Magiê (ϕ 4in, cao 4in từ Dow) < 0.005 < 0,002 < 0,02 Magiê (từ PGT) < 0.05 < 0,03 < 0,05 Hợp kim Bery và đồng < 0.02 < 0,06 < 0,2 Đồng (tấm) < 0.05 < 0,06 < 0,2 Cửa thủy tinh Pyrex 0,45 0,27 3,8 Cửa thạch anh < 0.018 < 0,018 < 0,07 Phân tử sieve 4,4 3,0 9,0 Ncopiene < 0.008 < 0,01 0,36 Cao su 0,12 1,0 2,0 Apiezon Q 4,5 4,5 2,7 Dây điện-3M < 0.04 < 0,06 < 0,1 Xi măng (Poriland) 0,25 1,3 4,5 Epoxy 0,006 0,01 0,19 Sơn 0,002 0,005 0,04 Th, U và Ra là thành viên của các dãy phân rã dài chứa các sản phẩm con cháu mà phát ra phổ tổ hợp của tia alpha, bêta và gamma. Trong phổ gamma trên mặt đất như hình 2, hoạt độ trong dãy Th: actinium-Ac228, Ra224, bismuth- Bi212, lead-Pb212, thallium-Tl208; trong dãy U: Ra226, Pb214, Bi214. Hoạt độ tự nhiên sống dài của U235 và K40 cũng là hiễn nhiên. Cũng có thể xác định được một đỉnh nhỏ do beryllium-Be7 được sinh ra bởi tương tác vũ trụ. KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ 33 S Ố 0 4 N Ă M 2 0 19Đối với ống đếm nhấp nháy, vỏ thủy tinh của ống nhân quang và chân ống hoặc các vật liệu cấu tạo khác cũng là nguồn phông tiềm tàng. Ống làm bằng thạch anh thì có hoạt độ thấp hơn đáng kể so với thủy tinh. Trước đây, tạp chất K trong NaI là nguồn phông, nhưng kỹ thuật chế tạo hiện đại ngày nay cho phép tạo ra NaI nhiễm bẩn K không đáng kể. Bismuth germanate (BGO) có thể cho thấy rõ phông được cho bởi nhân phóng xạ Bi207 với chu kỹ bán rã 38 năm, nó được sinh ra bởi tác dụng của proton vũ trụ với Pb206 vì người ta thấy rằng BGO thu được từ quặng chì không mang nhiễm bẩn phóng xạ này. Đối với hệ detector Ge, thì yêu cầu vật liệu detector phải rất sạch để đảm bảo hoạt độ phóng xạ là thấp. Việc che chắn được đặt quanh detector để giảm phông khỏi tia vũ trụ hoặc bức xạ trên mặt đất lại có thể tạo ra phông mức thấp. Bề mặt che chắn cũng có thể là nguồn hoạt độ đáng kể do rơi lắng phóng xạ hoặc nhiễm bẩn bề mặt từ tai nạn sự cố. Do vậy, bề mặt bên trong của các vật liệu che chắn phông thấp thường được sand-blast (phun luồng cát để rửa sạch mặt kim loại) trước khi khử bất kỳ hoạt độ phóng xạ bề mặt nào. Việc sơn cũng có thể làm giảm hoạt độ alpha bề mặt, mặc dù hoạt độ phóng xạ của bản thân sơn cũng cần được kiểm tra trước khi sử dụng. 1.2. Hoạt độ phóng xạ không khí Lượng phông đo được có thể bắt nguồn từ không khí xung quanh mang hoạt độ phóng xạ hoặc dưới dạng lượng vết của khí phóng xạ hoặc hạt bụi: radon-Rn222 và Rn220 là khí phóng xạ sống ngắn, chúng là sản phẩm trong dãy phân rã của U và Th có trong đất hoặc trong các vật liệu cấu trúc của phòng thí nghiệm. Hoạt độ của chúng có thể phụ thuộc đáng kể vào thời điểm trong ngày và điều kiện khí tượng. Để loại bỏ ảnh hưởng của radon vào phông thì xung quanh detector có thể được chế tạo kín và làm sạch khí radon tự do. Một vài phòng thí nghiệm sử dụng khí nitrogen từ bình nitrogen lỏng để cung cấp cho detector Ge. Bụi phóng xạ có thể bao gồm hoạt độ phóng xạ tự nhiện hoặc rơi lắng phóng xạ khí quyển và có thể bị loại bỏ đáng kể bằng phin lọc đặt tại nơi cung cấp không khi cho phòng thí nghiệm. 1.3. Bức xạ vũ trụ Thành phần có ý nghĩa của phông detector phát sinh do các bức xạ thứ cấp được sinh ra bởi tương tác của các tia vũ trụ trong khí quyển trái đất. Bức xạ vũ trụ sơ cấp có thể có nguồn gốc từ thiên hà hay mặt trời, nó tạo nên các hạt tích điện và các ion nặng với động năng rất cao. Trong tương tác của chúng với khí quyển sẽ tạo nên sự phân loại lớn các hạt thứ cấp gồm π và μ mezon, e-, p, 0n 1 và photon có năng lượng trải rộng hàng trăm MeV. Những bức xạ này tới mặt đất và có thể tạo nên các xung phông trong nhiều loại detector. Vì động năng của chúng rất cao, nên các hạt vũ trụ sơ cấp và thứ cấp có độ mất năng lượng tương đối đặc biệt (-dE/dx) so với độ mất năng lượng của electron nhanh. Do vậy, biên độ xung tương ứng là nhỏ trong detector “mỏng” để dừng các hạt tích điện nhưng không dừng các electron. Tuy nhiên, trong các detector rắn có chiều dày lớn như chất nhấp nháy NaI(Tl) hoặc detector Ge, năng lượng đọng lại có thể là nhiều MeV và lúc đó các xung tương ứng có thể lớn so với các xung tín hiệu. Các thành phần thứ cấp khác nhau là khác nhau về độ cứng hoặc khả năng đâm xuyên qua vật chất. Tại bề mặt trái đất, bức xạ vũ trụ thứ cấp thường hướng xuống, để che chắn có hiệu quả thì vật liệu che chắn được đặt trên detector. Các notron nhanh từ các tương tác của bức xạ vũ trụ (hay từ bất kỳ nguồn nào khác) cũng có thể tạo nên các tia gamma thứ cấp trong che chắn detector. Tia gamma được sinh ra khi notron được làm chậm và bị hấp thụ, khi trong chất che chắn có chứa hydro (chẳng hạn bê tông). Vì vậy tia gamma 2,22 MeV có thể được thấy trong phổ phông. KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ34 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ô N G N G H Ệ V À M Ô I T R Ư Ờ N G 2. Vật liệu che chắn 2.1. Vật liệu thông thường dùng cho che chắn phông thấp 2.1.1. Chì Bời vì chì có mật độ cao và số nguyên tử lớn nên nó là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất cho việc xây dựng che chắn detector. Tiết diện hấp thụ quang điện chiếm ưu thế đối với năng lượng gamma 0,5 MeV, và do đó tia gamma tương đối cứng từ các nguồn phông ngoài (như tia 1,46 MeV của K40) có thể bị hấp thụ có hiệu quả. Vì có mật độ cao nên chiều dày của vài cm chì sẽ làm giảm đáng kể phông cho detector gamma. Chì có hiệu quả trong việc loại bỏ đáng kể thành phần phông vũ trụ, nhưng không làm giảm tốc độ đếm vì sự tích lũy bức xạ thứ cấp do tương tác của tia vũ trụ với chì. Chì được sử dụng rộng rãi dưới dạng “gạch chì” hình chữ nhật trong việc xây dựng các vật che chắn gamma đơn giản. Vấn đề từ các vết nứt giữa hai viên gạch có thể khắc phục được bằng việc xây dựng vật che chắn nhiều lớp hoặc sử dụng gạch có dạng đặc biệt với bề mặt khóa liên động. Chì cũng được đúc tương đối dễ dàng thành các hình dạng rắn, tuy nhiên cần cẩn thận trong quá trình đúc để tránh bị xốp hoặc tạo ra các lỗ trống. Để việc đúc được thuận lợi và chính xác người ta thường tạo ra các khuôn đúc có kích thước và hình dạng mong muốn. Một phương pháp khả dụng khác để tạo ra các vật che chắn có mật độ thấp hơn, bằng cách thêm chì vào plastic hoặc nhựa epoxy (là loại nhựa có nhiều ưu điểm tốt như độ bám dính cao trên bề mặt kim loại, có tính ổn định hoá học, bền hoá chất), với vật liệu như thế có thể tạo khuôn đúc và tạo dáng dễ dàng hơn. Chì thường có hoạt độ tự nhiên đáng kể do có chứa các nhiễm bẩn mức thấp, và do đó chì được tinh chế đặc biệt hoặc là chì được tái chế từ nguồn chì cũ thì hay được sử dụng để tạo ra vật che chắn dùng trong các ứng dụng phông thấp. Khi vừa được tinh chế, chì có thể chứa lượng đáng kể Pb210, là sản phẩm phân rã của Ra226. Đồng vị này phân rã với chu kỳ bán rã 20,4 năm, nên các mẫu chì có tuổi nhiều thập niên thì sẽ gần như không còn hoạt độ này. Chì đã tinh chế cũng có thể có hoạt độ phóng xạ do tạp chất từ rơi lắng phóng xạ khí quyển. Phông khác có thể sinh ra từ con cháu của thorium-Th hoặc tạp chất phosphorous-P phổ biến trong antimony-Sb là hợp kim của chì. Một số mẫu chì có hoạt độ cao như 1,5 Bq/g, nhưng với chì sạch thì hoạt độ thấp hơn một hoặc hai bậc về độ lớn. 2.1.2. Thép Sắt hoặc thép cũng là vật liệu che chắn gamma phổ biến, và thường được sử dụng trong trường hợp cấu hình che chắn có kích thước lớn, nếu chỉ dùng chì thì rất tốn kém. Trong trường hợp này thì lớp thép ở ngoài và lớp chì bên trong là rất hiệu quả. Sắt hoặc thép được lấy từ các tàu sản xuất từ trước những năm 1950 thì thường được sử dụng để chế tạo các vật che chắn phông thấp. Sắt hoặc thép được lấy từ các tàu sản xuất sau những năm 1950 thì có hoạt độ mức thấp nào đó vì nhà sản xuất đã đưa vào Co60 để kiểm tra độ ăn mòn. Vì số nguyên tử và mật độ sắt hoặc thép (52 và 7,86 g/cm3) là thấp hơn nhiều so với chì (202 và 11,34 g/cm3) nên trong các ứng dụng đếm phông thấp thì cần chiều dày sắt hoặc thép cỡ vài chục cm. 2.1.3. Thủy ngân Mặc dù tương đối đắt nhưng thủy ngân là vật liệu che chắn rất hiệu quả trong trường hợp đếm phông thấp. Có thể làm sạch nó ở mức độ cao qua việc chưng cất và do đó nó có hoạt độ phóng xạ dư ở mức thấp. Nó thường được sử dụng như là thành phần trong cùng của các che chắn gamma lớn. Bởi vì thủy ngân có dạng lỏng ở nhiệt độ phòng nên nó được giữ trong các công tai nơ thích hợp, thường được chế tạo từ chất lucite (là polymer tổng hợp của methyl methacrylate, đôi khi được gọi là thủy tinh acrylic, vật liệu có hoạt độ phóng xạ thấp), mà có thể được định dạng để làm khớp các đường KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ 35 S Ố 0 4 N Ă M 2 0 19viền phía ngoài của detector. Vì mật độ của thủy ngân (13,55 g/cm3) lớn hơn mật độ của chì và số nguyên tử thì giống nhau (tùy đồng vị), nên khi che chắn tia gamma nếu dùng thủy ngân dày của vài cm thì cho hiệu quả lớn hơn. 2.1.4. Bê tông Bê tông có giá thành thấp nên nó thường được sử dụng trong hầu hết các vật che chắn có thể tích lớn. Tuy nhiên hoạt độ của nó tương đối cao vì trong thành phần của nó có K40, U và các sản phẩm rơi lắng phóng xạ. Do đó, nó được sử dụng như là thành phần bên ngoài của vật che chắn, với hoạt độ của bản thân nó được che chắn bởi các lớp thép, chì hoặc vật liệu che chắn khác có hoạt độ thấp hơn ở bên trong. Hiệu quả khác nhau của chiều dày bê tông đối với việc làm giảm thành phần phông vũ trụ được minh họa ở hình 3. Nếu các phòng thí nghiệm được bố trí trong các nhà cao tầng thì sẽ lợi dụng được các sàn nhà bê tông để làm giảm đáng kể các thành phần phông vũ trụ. Mặc dù bê tông gồm các thành phần chủ yếu là nước và các nguyên tố có số khối nhỏ, nhưng bê tông baryte (bê tông nặng sản xuất với barit) chứa phần trăm đáng kể các thành phần nặng, và do đó nó hiệu quả hơn nhiều trong che chắn gamma. 2.2. Che chắn neutron Việc che chắn neutron là quan trọng, bất kỳ detector nào được thiết kế để đếm neutron thì phải được che chắn đối với nguồn phông ngoài để tăng tỉ số tín hiệu-phông. Tuy nhiên, các loại detector khác, gồm các hệ đếm gamma phông thấp cũng có thể bị ảnh hưởng bởi phông neutron nhanh. Phần lớn độ nhạy xuất hiện vì các tia gamma được tạo ra do sự hấp thụ của neutron trong detector hoặc các vật liệu bên cạnh. Việc che chắn neutron rõ ràng là quan trọng nhất là xung quanh các thiết bị tạo neutron, những thành phần neutron có thể đo được cũng có mặt trong phông tự nhiên do các sản phẩm thứ cấp của tương tác vũ trụ. Các nguyên lý khác nhau hoàn toàn áp dụng cho việc chọn lựa các vật liệu che chắn neutron như đã được so sánh với vật liệu che chắn gamma. Quan trọng nhất là làm chậm nhanh các neutron xuống các năng lượng thấp, mà ở đó nó có thể dể dàng bị bắt trong vật liệu có tiết diện hấp thụ cao. Chất làm chậm hiệu quả nhất là các nguyên tố có số nguyên tử thấp, và do đó, vật liệu chứa hydro là thành phần chính của hầu hết các vật che chắn neutron. Trong ứng dụng này nước, bê tông và paraphin là những nguồn che chắn khối rẻ tiền. Bởi vì quãng chạy tự do trung bình của neutron nhanh là cỡ hàng chục cm trong các vật liệu như vậy, nên chiều dày một mét hoặc lớn hơn là cần thiết cho việc làm chậm hiệu quả đối với hầu hết các neutron nhanh. Một khi neutron được làm chậm, nó có thể bị khử qua phản ứng bắt thích hợp. Sự hấp thụ này có thể là có sự có mặt của hydro đối với nước làm chậm, mặc dù tiết diện bắt là tương Hình 3: Phổ phông từ detector nhấp nháy NaI(Tl) 7,62cm x 7,62cm được che chắn paraphin và 10,2cm chì. Cho thấy sự sai khác nhau theo chiều dày của bê tông. Dùng paraphin để ngăn tương tác của notron với hydro tạo đỉnh gamma 2,22 MeV. KHOA HOÏC QUAÛN LYÙ36 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ô N G N G H Ệ V À M Ô I T R Ư Ờ N G đối nhỏ. Do đó, neutron nhiệt có thể khuếch tán một khoảng cách thấy rõ trước khi bị bắt, làm giảm tính hiệu dụng của vật che chắn. Hơn nữa, việc bắt hydro dẫn đến tạo ra tia gamma 2,22 MeV, điều này thực sự không mong muốn trong nhiều loại detector. Do đó, thành phần thứ hai thường được sử dụng trong che chắn neutron, hoặc chộn lẫn đồng nhất với chất làm chậm, hoặc là có mặt như một lớp hấp thụ gần bề mặt. Vật liệu này được lựa chọn để có tiết diện bắt neutron cao, nên các neutron đã làm chậm sẽ bị hấp thụ một cách ưu tiên trong vật liệu này. Trong che chắn neutron, cùng với việc làm chậm là khử nó. Vì vậy, boron-B và lithium-Li là các thành phần phổ biến của vật che chăn neutron. Phản ứng 10B(n,α) có tiết diện bắt cao tại năng lượng thấp, và có thể dễ dàng đưa B vào paraphin và các vật liệu khác. Tuy nhiên, phần lớn các phản ứng bắt dẫn đến trạng thái kích thích trong các hạt nhân sản phẩm, mà sau đó phân rã bằng việc phát ra tia gamma 0,48 MeV. Do đó, đối với những ứng dụng nhạy đối với phông gamma thì tốt hơn là thay thế B bằng Li. Bởi vì phản ứng 6Li(n,α) biến đổi trực tiếp thành trạng thái cơ bản của sản phẩm và không phát ra tia gamma. Hiệu quả của việc tổ hợp polyethylene với B hoặc Li trong việc che chắn neutron nhanh được so sánh với graphit và paraphin được chỉ ra trong hình 4. Từ hình này cho thấy hỗn hợp của polyethylenn và các chất hấp thụ nhiệt là có hiệu quả đáng kể trên một đơn vị chiều dày so với các vật liệu còn lại. Hình 4: Tính hiệu dụng tương đối của các vật liệu che chắn khác nhau đối với neutron 2,6 MeV được chỉ thị bởi thông lượng neutron nhiệt đối với chiều dày khác nhau. Cadmium cũng được ứng dụng rộng rãi như là chất hấp thụ neutron nhiệt, do tiết diện hấp thụ của nó cao. Lớp mỏng 0,5 mm là vật hấp thụ rất hiệu quả đối với neutron nhiệt, nhưng phản ứng (n,γ) tiếp theo cũng sẽ thêm vào phông gamma thứ cấp./. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R.R. Finck, K. Liden and R.B.R. Persson, Nuclear Instruments and Methods, 135 (1976), p.550. [2] D.C. Camp, C. Gatrousis, L.A. Maynard, Nuclear Instruments and Methods, 117 (1974), p.189. [3] J.H. Kaye, F.P. Brauer, J.E. Fager, H.G. Rieck Jr, Nuclear Instruments and Methods, 113 (1973), p.5. [4] S.C. Gujrathi, J.M. D’Auria, Nuclear Instruments and Methods, 100 (1972), p.445.