Máy đếm Geiger – Müller hoạt động thế nào và cách đọc đơn vị Sievert

Máy đếm Geiger – Müller phát hiện bức xạ ion hoá bằng một ống chứa khí: mỗi hạt bức xạ lọt vào làm khí bị ion hoá, gây một "thác" điện tích tạo ra một xung điện, và máy kêu một tiếng tách. Máy đếm số xung mỗi phút (CPM), rồi quy đổi ra suất liều tính bằng microsievert mỗi giờ (µSv/h). Ở Việt Nam, phông bức xạ tự nhiên ngoài trời thường chỉ vào khoảng một phần mười đến vài phần mười µSv/h; con số trên màn hình là ước tính, đúng nhất với tia gamma mà máy được hiệu chuẩn.

Năm 1908, Hans Geiger làm việc cùng Ernest Rutherford tại Manchester đã chế ra một ống đếm hạt alpha. Đến năm 1928, Geiger và nghiên cứu sinh Walther Müller cải tiến thành ống đếm nhạy với nhiều loại bức xạ, đủ đơn giản để sản xuất hàng loạt. Gần một thế kỷ sau, nguyên lý gần như không đổi: ống Geiger – Müller vẫn là loại đầu dò rẻ, bền và dễ dùng nhất, có mặt từ máy đo của lực lượng ứng phó sự cố đến máy cầm tay bán cho người dùng phổ thông.

Bài này giúp bạn đọc số trên máy đếm Geiger cho đúng, hiểu Sievert, Gray, Becquerel khác nhau ra sao, và biết khi nào một con số cao đáng lo.

Bên trong ống đếm: một tiếng tách là một hạt

Ống Geiger là một ống kim loại hoặc thuỷ tinh kín, bên trong chứa khí trơ áp suất thấp (thường là neon hoặc argon, thêm chút khí dập như halogen), chính giữa căng một sợi dây làm điện cực dương, điện áp vài trăm volt.

1. Một hạt beta hoặc một photon gamma đi vào và làm bật electron khỏi vài nguyên tử khí.
2. Điện trường mạnh quanh sợi dây kéo electron lao tới, va vào nguyên tử khác, bật thêm electron. Hiện tượng nhân lên như thác lũ.
3. Toàn bộ ống "bùng" một xung điện lớn, đủ để đếm mà không cần khuếch đại phức tạp.
4. Khí dập làm tắt thác điện tích, ống sẵn sàng cho hạt tiếp theo sau một khoảng ngắn gọi là thời gian chết.

Ưu điểm là xung rất lớn nên mạch đơn giản. Nhược điểm cũng nằm ở đó: mọi xung đều to như nhau, dù hạt mạnh hay yếu. Ống Geiger chỉ trả lời "có một hạt", không trả lời "hạt gì, năng lượng bao nhiêu". Muốn biết đồng vị nào đang phát xạ, phải dùng đầu dò nhấp nháy hoặc bán dẫn có phổ năng lượng.

Sievert, Gray, Becquerel: ba đơn vị, ba câu hỏi

Với tia gamma và beta, 1 Gy liều hấp thụ toàn thân xấp xỉ 1 Sv liều hiệu dụng. Với hạt alpha, cùng năng lượng nhưng gây hại cho mô nhiều hơn khoảng hai mươi lần nếu lọt vào trong cơ thể, nên Sievert phản ánh điều đó.

Một sievert là liều rất lớn. Đời sống thường dùng millisievert (mSv, một phần nghìn) và microsievert (µSv, một phần triệu). Tài liệu Mỹ cũ còn dùng rem: 1 Sv = 100 rem.

Thang liều để đặt con số vào đúng chỗ

• Phông tự nhiên trung bình thế giới: khoảng 2,4 mSv mỗi năm theo Uỷ ban Khoa học Liên Hợp Quốc về Ảnh hưởng của Bức xạ Nguyên tử (UNSCEAR), dao động từ khoảng 1 đến hơn 10 mSv tuỳ nơi. Khoảng một nửa đến từ khí radon.
• Một chuyến bay dài nhiều giờ: vài chục µSv, do tia vũ trụ mạnh hơn ở độ cao bay.
• Chụp X-quang ngực: cỡ vài chục µSv.
• Chụp CT ổ bụng hoặc ngực: cỡ vài đến khoảng mười mSv tuỳ quy trình.
• Giới hạn cho công chúng từ nguồn nhân tạo (không tính y tế và tự nhiên) theo khuyến nghị của Uỷ ban Quốc tế về An toàn Bức xạ (ICRP): 1 mSv/năm.
• Giới hạn cho nhân viên bức xạ: 20 mSv/năm lấy trung bình 5 năm, không năm nào quá 50 mSv.
• Khoảng 100 mSv: mức mà các nghiên cứu dịch tễ bắt đầu thấy rõ tăng nguy cơ ung thư.
• Khoảng 1.000 mSv (1 Sv) nhận trong thời gian ngắn: có thể gây hội chứng bức xạ cấp.

Đổi sang suất liều: 0,1 µSv/h nhân với 8.760 giờ một năm ra khoảng 0,9 mSv. Nếu máy báo 0,1–0,2 µSv/h ở nhà bạn, đó là mức nền bình thường.

Đọc số trên máy cho đúng

CPM là số thật, µSv/h là số quy đổi

Máy chỉ thật sự đếm xung. Con số µSv/h là CPM nhân một hệ số mà nhà sản xuất xác định khi hiệu chuẩn, thường với nguồn xesi-137 phát gamma 662 keV. Gặp gamma năng lượng khác, nhất là năng lượng thấp, ống không bù năng lượng có thể báo cao hoặc thấp hơn thực tế đáng kể. Với beta và alpha, con số µSv/h gần như vô nghĩa: chúng không gây liều toàn thân theo cách gamma gây ra.

Bức xạ là ngẫu nhiên, đếm càng lâu càng chắc

Phân rã phóng xạ xảy ra ngẫu nhiên, nên số đếm dao động theo thống kê Poisson: đếm được N xung thì sai số cỡ căn bậc hai của N. Đếm 100 xung, sai số khoảng ±10%; đếm 10.000 xung, sai số khoảng ±1%. Ở mức phông, máy cầm tay chỉ đếm vài chục xung mỗi phút, nên số trên màn hình nhảy liên tục là chuyện bình thường. Muốn so hai chỗ, mỗi chỗ đo ít nhất vài phút và lấy trung bình.

Cửa sổ và tấm che

Hạt alpha bị một tờ giấy chặn lại, hạt beta yếu bị vỏ nhựa chặn. Máy rẻ với ống kín vỏ dày gần như chỉ thấy gamma và beta mạnh. Máy có đầu dò dẹt cửa sổ mica mỏng mới thấy được alpha. Nhiều máy có nắp trượt: đo mở nắp rồi đóng nắp, chênh lệch cho biết phần đóng góp của beta.

Bão hoà ở mức cao

Ở trường bức xạ rất mạnh, thời gian chết làm ống "nghẹt", đếm thiếu, thậm chí có ống báo gần như bằng không. Đây là lý do máy cho lực lượng chuyên trách có dải đo rộng và thiết kế chống bão hoà; máy phổ thông không dùng cho tình huống sự cố.

Vì sao máy kêu nhiều ở chỗ này, ít ở chỗ kia

Đưa máy Geiger đi quanh nhà, bạn sẽ thấy con số không đều. Lý do thường rất đời thường:

• Đá granite, gạch, gốm: chứa lượng nhỏ urani, thori, kali-40 tự nhiên. Mặt bếp đá, nền đá thường cho số cao hơn sàn gỗ một chút.
• Muối kali, phân bón kali: kali tự nhiên có một phần nhỏ kali-40 phóng xạ.
• Đồ cổ: đồng hồ có kim dạ quang chứa radi (sản xuất trước khoảng giữa thế kỷ 20), thuỷ tinh urani màu xanh vàng, một số loại men gốm đỏ cam cũ, mạng đèn măng-xông cũ có thori. Những món này có thể làm máy kêu rõ rệt. Đừng tháo, cạo hay mài chúng: nguy cơ chính nằm ở bụi lọt vào người.
• Ngồi trên máy bay: máy cầm tay báo tăng rõ khi bay ở độ cao hành trình.
• Trời mưa sau thời gian khô: các sản phẩm phân rã của radon trong không khí bị nước mưa kéo xuống, có thể làm số đo ngoài trời tăng nhẹ trong ít giờ rồi trở lại bình thường.

Không có gì trong danh sách trên là "dị thường" theo nghĩa đáng sợ. Chính vì quen với chúng, người đo mới nhận ra một con số thật sự bất thường.

Khi máy báo cao bất thường: làm gì

1. Đo lại vài phút, ở cùng chỗ và ở chỗ đối chứng cách xa vài mét. Kiểm tra pin, vì pin yếu có thể làm máy rẻ báo lung tung.
2. Nếu số cao thật và khu trú vào một vật lạ, nhất là vật bằng kim loại có ký hiệu cảnh báo bức xạ (hình tam lá), đừng cầm, đừng mang về nhà. Lùi ra xa, giữ người khác tránh xa.
3. Báo cơ quan chức năng: chính quyền địa phương, công an, hoặc cơ quan an toàn bức xạ (Cục An toàn bức xạ và hạt nhân, Bộ Khoa học và Công nghệ).

Bài học lịch sử đắt giá là vụ Goiânia (Brazil) năm 1987: một thiết bị xạ trị bị bỏ lại trong cơ sở y tế cũ, người dân tháo lấy phần kim loại, mở ra viên xesi-137 phát sáng xanh, mang chia nhau. Bốn người chết, hàng trăm người bị nhiễm bẩn phóng xạ. Từ đó, quản lý nguồn phóng xạ thất lạc trở thành ưu tiên của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA). Thông điệp cho người thường: vật lạ có ký hiệu bức xạ thì báo, không nhặt.

Có nên mua một chiếc máy đếm Geiger

Với người tò mò, một máy đếm Geiger phổ thông là cách tuyệt vời để thấy bức xạ tự nhiên có mặt khắp nơi và học thống kê bằng tai. Với người đi nhiều, nó giúp tự kiểm chứng tin đồn. Nhưng nó không phải liều kế cá nhân: nhân viên bức xạ đeo liều kế nhiệt phát quang hoặc quang phát quang được cơ sở chuyên môn đọc định kỳ. Và nó không thay được tư vấn của bác sĩ về liều chụp chiếu y tế; nếu lo, hãy hỏi bác sĩ về lợi ích và liều của từng lần chụp.

Muốn đọc thêm, tài liệu phổ thông của IAEA, UNSCEAR và trang an toàn bức xạ của cơ quan quản lý trong nước viết rõ ràng, có bảng liều so sánh đáng tin.