Tìm hiểu về tia X và tia Gamma

1. Bức xạ ion hóa là gì?

Bức xạ ion hóa (sau đây gọi tắt là bức xạ, hoặc phóng xạ) là các tia (tia X, tia gamma) hoặc các hạt phóng xạ (hạt beta, hạt alpha, hạt nơ-tron, …) có năng lượng đủ lớn để gây ra sự ion hóa môi trường vật chất và nó đi qua. Sự ion hóa và việc một nguyên tử bị trở thành một ion (hạt mang điện) sau khi mất đi điện tử hoặc nhận thêm điện tử.

Bức xạ ion hóa không mầu, không mùi và không vị, cho nên con người không thể cảm nhận được nó qua các giác quan thông thường, đây chính là một trong những yếu tố mà phóng xạ rất nguy hiểm. Người ta phát hiện và đo lường liều lượng phóng xạ thông qua các thiết bị đo (các máy đo hiển thị số, hoặc đồng hồ kim) và các chất chỉ thị (phim ảnh, chất lân quang hay chất huỳnh quang – các chất và khi tia phóng xạ xuyên qua chúng sẽ phát sáng).

Các bức xạ trong tự nhiên cơ bản bao gồm: tia X, tia gamma, hạt beta, hạt alpha và hạt nơ-tron.

2. Tia X là gì?

Tia X (hay còn gọi X-ray hay tia Röntgen) bản chất là sóng điện từ có bước sóng ngắn đến rất ngắn (năng lượng cao) được Nhà bác học người Đức Wilhhelm Rontgen phát hiện lần đầu tiên vào ngày 8 tháng 11 năm 1895 một cách rất tình cờ. Tuy nhiên với việc phát hiện ra tia X này, Wilhhelm Rontgen đã đạt giải thưởng Nobel vật lý vào năm 1901.

Tia X thông thường có bước sóng khoảng từ 0.01 đến 10 nanomet và có năng lượng từ 120eV đến 120keV, tia X có năng lượng dưới 5keV được gọi là tia X mềm, trên 5keV gọi là tia X cứng. Do có khả năng đâm xuyên cao cho nên tia X cứng thường được sử dụng để chụp ảnh X-quang bên trong  các vật thể như chẩn đoán X-quang trong y tế, soi hành lý và hàng hóa ở sân bay, cửa khẩu và kiểm tra chất lượng sản phẩm mà không gây phá hủy đối tượng cần kiểm tra. Ngày nay với việc sử dụng các máy gia tốc, tia X được sinh ra có năng lượng lên tới vài MeV đến vài trục MeV (1MeV = 1 000keV = 1 000 000eV). Tia X mềm có độ suy giảm cực nhanh nên sẽ sớm mất năng lượng trong không khí, vì vậy tia X mềm không được sử dụng trong thực tế.

Trong tự nhiên, sự phân rã phóng xạ phát ra các hạt tích điện có năng lượng cao hoặc tia gamma, các tia phóng xạ này tương tác với vật chất sẽ phát sinh ra tia X tự nhiên theo 2 cơ chế chính:

    • Bức xạ hãm các hạt tích điện có thể phát ra tia X;
    • Các photon của tia gamma và tia X năng lượng cao tán xạ theo hiệu ứng Compton tạo ra tia X thứ cấp.

Tia X tự nhiên có cường độ thấp và không tập trung nên gần như không được sử dụng, trong thực tế người ta sử dụng các đèn phát tia X (hoặc máy gia tốc) để phát ra tia X nhân tạo có năng lượng và cường độ có thể kiểm soát. Nguyên lý hoạt động của đèn phát tia X (X-ray tube) là trong một ống chân không, các điện tử được gia tốc tới tốc độ cao bởi điện áp cao (lên tới vài trục đến vài trăm kV), khi đập vào Anode sẽ bị hãm đột ngột và phát ra tia X hay gọi là bức xạ hãm. “Bức xạ hãm”  tiếng Đức là “Bremsstrahlung”, trở thành thuật ngữ được sử dụng trong văn liệu tài liệu tiếng Anh.

Nguyên lý đèn phát tia X

Nguyên lý phát tia X

Bóng phát tia X

Bóng phát tia X

Với việc sử dụng các máy gia tốc tuyến tính (Linear Accelerator), năng lượng tia X có thể đạt đến từ vài đến hàng trục MeV để phục vụ các mục đích đặc biệt như nghiên cứu, xạ trị hay soi container. Hiện nay tại Việt Nam, các may gia tốc tia X có năng lượng từ 4-6MeV đã được sử dụng khá phổ biến tại các cảng biển để phục vụ soi các container hàng hóa xuất nhập khẩu, khi đó toàn bộ hàng hóa nằm trong 1 container sẽ nằm nguyên trên xe được soi hình ảnh tia X bên trong mà không cần mở công.Tia X ngày nay được sử dụng phổ biến nhất trong các thiết bị X-quang để chẩn đoán hình ảnh trong y tế, tiếp đó là các máy soi an ninh tại các sân bay, cửa khẩu và các thiết bị tia X để kiểm tra lỗi sản phẩm trong công nghiệp sản xuất linh kiện. Ngoài ra tia X còn sử dụng trong phân tích thành phần nguyên tố bằng phương pháp huỳnh quang tia X. Nhưng thiết bị tia X nói trên có năng lượng khoảng từ 50keV đến 200keV.

Máy soi container sử dụng tia X 4MeV

Soi container bằng tia X năng lượng cao

3. Tia gamma là gì?

Tia gamma ký hiệu là g, là một loại bức xạ điện từ hay quang tử (photon) có tần số cực cao. Bản chất tia gamma là như tia X, tuy nhiên trong tự nhiên tia gamma thường có tần số cao hơn nhiều so với tia X.

Năng lượng cao dẫn đến tia gamma có khả năng ion hóa mạnh trong môi trường vật chất. Khi tương tác ion hóa với vật chất, nó mất dần năng lượng và do đó không còn thuần nhất về bước sóng, đồng thời trong môi trường thì hiện ra vệt ion hóa dạng đường thẳng của từng photon. Vì thế trong nghiên cứu vật lý học nó được đề cập đến là “hạt” và không áp dụng được các phương pháp truyền thống cho sóng điện từ hay quang học. Khả năng ion hóa mạnh của tia gamma dẫn đến nó rất nguy hiểm với các sinh vật sống.

Tia gamma có thể được sinh ra trong 2 quá trình hạt nhân:

  • Sự phân rã các đồng vị phóng xạ;
  • Tương tác các hạt giữa các hạt cơ bản (điện tử, proton, nơ-tron) với các nguyên tử.

Tia gamma được nhà hóa học và vật lý học người Pháp tên Paul Villard phát hiện ra vào năm 1900, trong khi đang nghiên cứu các bức xạ phát ra từ nguyên tổ phóng xạ Radi. Tia bức xạ này được Ernest Rutherford (Nhà vật lý học người New Zealand) đặt tên là “gamma” vào năm 1903. Việc quan sát tia gamma lần đầu tiên được thực hiện vào năm 1960 bởi các cuộc nghiên cứu mang tên Apollo và Ranger. Các cuộc khảo sát trên bầu trời lần đầu tiên được thực hiện vào đầu những năm 1970 bởi vệ tinh SAS-2 và COS-B, và tiếp tục bởi các vệ tinh của chương trình HEAO (High Energy Astronomy Observatory Program) do NASA thực hiện vào cuối thập kỉ 70, và sau đó là vệ tinh Granat vào cuối những năm 90.

Trên trái đất, tia gamma thường sinh ra bởi sự phân rã gamma từ các chất phóng xạ tự nhiên và bức xạ thứ cấp từ các tương tác với các hạt trong tia vũ trụ (chùm hạt proton năng lượng cao bắn vào khí quyển). Bên ngoài vũ trụ có rất nhiều quá trình có thể sản sinh tia gamma, và đồng thời các điện tử có năng lượng rất cao được tạo ra. Từ đó chúng lần lượt gây ra các tia gamma thứ cấp bởi cơ chế của bức xạ hãm, tán xạ ngược và bức xạ điện tử. Phần lớn các tia gamma vũ trụ đều bị chặn lại bởi bầu khí quyển của Trái Đất và chỉ có thể được phát hiện bởi các trạm nghiên cứu trên không gian hoặc tàu vũ trụ.

Tia gamma được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như như y tế, công nghiệp, nông nghiệp, tài nguyên môi trường, khai khoáng, quân sự, khoa học vật liệu, an ninh, …

Trong y tế, các tia gamma năng lượng cao thường được dùng trong xạ trị để điều trị ung thư, hoặc để khử trùng (khử trùng màu, khử trùng dụng cụ y tế). Nguồn Co-60 hoặc Cs-137 phát tia gamma thường là 2 chất phóng xạ được sử dụng trong y tế.

Trong công nghiệp sản xuất (hóa dầu, xi măng, sắt thép, …), các tia gamma có năng lượng cao thường được sử dụng trong các phép đo không tiếp xúc để đo mức hoặc đo mật độ (tỷ trọng, lưu lượng) của nhiên liệu trong các đường ống hoặc bồn nhiên liệu. Các thiết bị này thường được gọi là các thiết bị đo hạt nhân NCS (nuclear control systems). Nguồn phóng xạ Co-60 và Cs-137 thường được sử dụng trong các mục đích này. Các phương pháp đo lường bằng phóng xạ này có độ chính xác, độ ổn định rất cao. Tuy nhiên đi với nó là các vấn đề về an toàn và ninh nguồn phóng xạ.

Nguồn phóng xạ đo tỷ trọng nhiên liệu trong đường ống

Sử dụng gamma năng lượng cao để đo không tiếp xúc

Trong nông nghiệp, các tia gamma sử dụng để góp phần tạo ra các giống cây đột biến. Việt Nam là quốc gia đứng thứ 8 về nghiên cứu đột biến tạo giống, theo Cơ quan năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA). 5 giống lúa phục vụ xuất khẩu chủ lực của Việt Nam, nhiều giống đậu tương và hoa được tạo ra từ phương pháp này.

Ngoài ra các nguồn Co-60 với hoạt độ rất cao lên tới hàng trăm nghìn Curie đang được sử dụng trong các dây chuyền chiếu xạ khử trùng để phục vụ xuất khẩu hoa quả và hải sản. Ở Việt Nam, việc chiếu xạ khử trùng sử dụng nguồn Co-60 được sử dụng rất mạnh mẽ để phục vụ xuất khẩu với 9 nhà máy, trong đó có đến 7 nhà máy ở khu vực phía Nam.

Lô nguồn Co-60 phục vụ chiếu xạ công nghiệp

Kiện phóng xạ là thùng kim loại nặng 5 tấn

Với lịch sử phát triển công nghệ bức xạ gần 100 năm, các bức xạ tia X và gamma có đóng góp rất lớn vào sự phát triển của khoa học, kinh tế – xã hội. Tuy nhiên, các tia bức xạ cũng đem đến những rủi ro đối với sức khỏe con người và môi trường. Do vậy việc Đảm bảo an toàn nguồn phóng xạ là một yêu cầu quan trọng đối với các đơn vị sử dụng nguồn phóng xạ.

Công ty TNHH thiết bị và dịch vụ AE

Đại diện: Chu Minh Dương

Phone: 0983 374 983

Email: duongcm@ae-rad.vn

Website: AE-Radioactive.com

Bình luận

0983 374 983