Rất nhiều người đều tỏ ra sợ sệt khi nhắc tới phóng xạ, nhưng một sự thật đầy thú vị đó là phóng xạ có thể cứu sống chúng ta, trong đó có thể kể tới như sử dụng đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán điều trị ung thư, và một ứng dụng tuyệt vời khác không thể không kể tới đó là thiết bị phát hiện khói cảnh báo cháy trong gia đình.
Hiện nay, trên thế giới có hai loại thiết bị phát hiện khói cảnh báo cháy phổ biến ở nhiều quốc gia đó là loại thiết bị quang điện sử dụng một cảm biến quang học (optical sensor) và loại thiết bị ion hóa sử dụng một buồng ion có chứa chất phóng xạ (hình 1). Hai loại công nghệ này được sử dụng tốt nhất khi kết hợp cùng nhau, khi mà chúng có độ nhạy khác nhau với các kích thước phân tử khói. Như được minh họa trên hình 1, một thiết bị ion hiện đại thông thường chứa khoảng 0.33 micrograms có hoạt độ khoảng 1microCi tương đương với 37 kilobecquerel (37000 phân ra trong 1 giây).. Các đồng vị Radium và Nickel cũng được sử dụng để làm vật liệu phóng xạ cho các thiết bị này trong quá khứ, nhưng hầu hết các thiết bị phát hiện khói lắp đặt trong nhà đều sử dụng Americium là chất phóng xạ.
Tìm hiểu về Americium
Đồng vị Americium được sử dụng trong các thiết bị phát hiện khói là Americium-241 (Am-241), phân rã alpha để trở thành Neptunium-237 (Np-237) và có chu kỳ bán rã là 432.2 năm. Np-237 có chu kỳ bán rã là 2144 triệu năm, vì vậy nó được coi như là đồng vị bền so với thời gian tồn tại của một thiết bị phát hiện khói, mặc dù quá trình phân rã của Np-237 vẫn diễn ra với một loại các đồng vị phóng xạ con có chu kỳ bán rã ngắn và dài hơn, và cuối cùng của chuỗi phẫn rã Np-237 là đồng bị bền Thallium-205. Hai đồng vị có thời gian bán rã dài nhất trong chuỗi phân rã này là U-235 (159,2 nghìn năm) và Bi-209 (1.9×1019 năm). Về mặt thực tế, nguồn phóng xạ trong thiết bị phát hiện khói điển hình chứa chủ yếu là Am và Np, cùng với một lượng nhỏ các đồng vị khác. Khi một thiết bị phát hiện khói vừa được sản xuất, nó chứa gần như 100% Am-241. Sau 30 năm, khoảng 4.7% nguyên tử Am sẽ phân rã thành Np.
Am-241 được sinh ra trong các lò phản ứng hạt nhân từ quá trình tương tác neutron với hạt nhân Pu-239. Các hạt nhân Pu-239 có xu hướng phân hạch khi chúng tương tác với neutron, nhưng một phần nhỏ Pu-239 sẽ hấp thụ neutron tạo thành Pu-240, sau đó Pu-240 hấp thụ thêm một neutron khác để trở thành Pu-241. Sau đó, Pu-241 được lấy ra khỏi lò phản ứng trong quá trình thay đảo nhiên liệu, và cuối cùng Pu-241 sẽ trải qua quá trình phân rã beta để trở thành Am-241. Chu kỳ bán rã của Pu-241 là 14 năm, vì vậy bước cuối cùng của quá trình này diễn ra khá chậm. Điều này giải thích cho việc tại sao việc sản suất ra Am lại không thể diễn ra nhanh được. Sau đó, Am sẽ được tách ra khỏi hỗn hợp nhiên liệu đã cháy bằng quá trình chiết tách hóa học.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị phát hiện khói sử dụng Americium
Buồng ion hóa trong thiết bị phát hiện khói về cơ bản bao gồm hai tấm kim loại có mức điện áp khác nhau. Các phân tử khí chuyển động trong không gian giữa hai tám kim loại, tại đây chúng bị ion hóa bởi nguồn phóng xạ (hình 2). Các ion âm và ion dương bị hút về hai cực của buồng ion hóa từ đó sinh ra nguồn điện ổn định có thể đo được.
Hình 2: Minh họa nguyên lý hoạt động của buồng ion hóa
Nếu trong không khí có lẫn phân tử khói, lực hút tĩnh điện sẽ làm cho các phân tử khói bị dính vào các ion trong buồn ion hóa. Các ion này không bị thay đổi về điện tích khi điều này xảy ra, nhưng vì các phân tử khói có khối lượng khá là lớn so với các phân tử không khí, do đó khối lượng trung bình của các hạt mang điện có dính phân tử khí trong buồng ion hóa tăng lên. Các phân tử này vẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt với không khí xung quanh, vì vậy chúng phải có cùng giá trị nhiệt năng trung bình. Nhiệt năng trong một chất khí là tỉ lệ với động năng , do đó nếu khối lượng trung bình của ion này tăng lên, dẫn tới tốc độ trung bình của nó phải giảm xuống để đảm bảo điều kiện cân bằng nhiệt. Độ giảm trong vận tốc trung bình sẽ được thể hiện bởi độ sụt giảm cường độ dòng điện, điều này sẽ kích hoạt chuông báo của thiết bị phát hiện khói.
Cũng bằng cách này, các thiết bị phát hiện khói buồng ion có thể phát hiện các phân tử khói có kích thước rất nhỏ, đây là một trong những ưu điểm hơn so với các thiết bị phát hiện khói quang điện, nhưng nó cũng dẫn tới các tín hiệu cảnh báo nhầm nhiều hơn.
Các thiết bị này có gây hại tới con người?
Mặc dù nguồn phóng xạ này được lắp đặt trong thiết bị phát hiện khói hiện đại phát ra 37000 hạt alpha trong 1 giây, và chỉ một vài hạt alpha có thể thoát ra bên ngoài môi trường. Am-241 phát các hạt alpha với năng lượng 5.4 MeV, với mức năng lượng này nó chỉ có thể di chuyển vài cm trong không khí và bị chặn bởi một tờ giấy, và không thể xâm nhập vào lớp biểu bì của con người. Có rất ít nguy hại từ phóng xạ alpha trừ khi chúng ta hít phải hoặc tiêu hóa Americium. Do đó, hành động tháo dỡ hoặc đốt thiết bị phát hiện khói sẽ một ý tưởng tồi, sẽ dẫn tới phát thải Am vào môi trường.
Tuy nhiên, Am-241 cũng phân rã gama, có khả năng đâm xuyên mạnh hơn các hạt alpha, do vậy mà thiết bị phát hiện khói loại buồn ion lắp đặt trong nhà sẽ gây ra một suất liều chiếu từ 9-50 nSv trong một năm. So với các nguồn phóng xạ từ môi trường khác như ăn một quả chuối, con người sẽ nhận một suất liều khoảng 100 nSv, hay suất liều gây bởi nguồn tự nhiên hoặc nhân tạo khoảng 3.6 mSv, và suất liều toàn thân gây chết người khoảng 5 Sv, thì suất liều gây ra bởi thiết bị phát hiện khói là không đáng kể, vì vậy chúng được coi là an toàn.
Đoàn Mạnh Long, Phòng Giáo vụ và Đào tạo