Nghiên cứu sử dụng liều kế nhiệt huỳnh quang (TLD) để đo liều bức xạ gamma trong môi trường

Mức liều chiếu do các nhân phóng xạ tự nhiên gây ra cho con người có thể được xác định bằng các thiết bị đo liều bức xạ xách tay hoặc các liều kế bức xạ môi trường nhiệt phát quang.. Vì

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

DANH MỤC VIẾT TẮT 7

DANH MỤC HÌNH 8

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu đề tài 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên 3

1.2 Liều chiếu do phóng xạ môi trường gây ra cho dân chúng 6

1.2.1 Chiếu xạ ngoài 6

1.2.2 Chiếu xạ trong 7

1.2.3 Liều hiệu dụng tổng cộng ( chiếu xạ ngoài và chiếu xạ trong) 11

1.3 Tác dụng của các tia bức xạ đối với sức khoẻ con người 13

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 15

1.5 Bức xạ hạt nhân và các đơn vị đo liều bức xạ 18

1.5.1 Hoạt độ phóng xạ 18

1.5.2 Liều hấp thụ 19

1.5.3 Liều tương đương sinh học và liều hiệu dụng 19

1.5.4 Liều giới hạn cho phép 21

1.6 Các phương pháp xác định liều bức xạ trong tự nhiên 21

1.7 Nhiệt huỳnh quang và đặc trưng của liều kế nhiệt huỳnh quang 23

1.7.2 Một số liều kế nhiệt phát quang sử dụng trong đo liều bức xạ ion hóa 23

1.7.3 Một số đặc trưng của vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Ti (ký hiệu thương phẩm là TLD-100) 25

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 26

2.2 Phương pháp nghiên cứu 26

2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 26

2.2.2 Chuẩn bị mẫu liều kế nhiệt huỳnh quang TLD-100 sử dụng đo gamma môi trường 26

2.2.3 Xử lý nhiệt độ và chuẩn liều kế 27

2.2.4 Đặt liều kế nhiệt huỳnh quang TLD-100 tại các địa điểm nghiên cứu 28

2.2.5 Xây dựng phương pháp đo liều bức xạ môi trường bằng liều kế nhiệt huỳnh quang TLD -100 30

2.2.5.1 Thiết bị đọc HARSHAW- 4000: 30

2.2.6 Đánh giá liều gamma môi trường bằng phương pháp đo tại hiện trường [20] 33

2.2.7 Đánh giá liều môi trường bằng phương pháp đo hoạt độ các nhân phóng xạ trong mẫu đất 33

2.2.8 Xử lý số liệu 35

2.2.9 Phương pháp tổng hợp, phân tích 35

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Xác định hệ số chuẩn cho từng chíp TLD đo gamma môi trường 36

3.2 Xác định ngưỡng nhạy của chip TLD 100 36

3.3 Xác định suất liều gamma trong môi trường bằng phương pháp sử dụng liều kế nhiệt huỳnh quang ( TLD 100) 37

3.4 Xác định suất liều gamma môi trường bằng phương pháp đo hoạt độ các nhân

phóng xạ trong mẫu đất 41

3.5 Xác định suất liều gamma môi trường bằng phương pháp đo gamma hiện trường 43

3.6 So sánh phương pháp đo liều gamma môi trường bằng TLD với các phương pháp khác 45

3.7 Đánh giá liều chiếu đối với dân chúng tại khu vực nghiên cứu 48

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 50

KẾT LUẬN 50

KHUYẾN NGHỊ 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

TLD Thermoluminescence Dosimeter Liều kế nhiệt huỳnh quang

tử Việt Nam

UNSCEAR United Nation Scientific Committee

on the Effects of Atomic Radiations

Ủy ban khoa học Liên Hiệp Quốc về những ảnh hưởng của bức xạ nguyên

tử

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Phân bố nhân viên bức xạ theo các lĩnh vực làm việc [TTATBX-2012] 17

Hình 2 1 Mẫu liều kế sử dụng đo gamma môi trường trong nhà và ngoài trời 27

Hình 2 2 : Chiếu chuẩn liều kế 28

Hình 2 3 Giá chuẩn đặt liều kế thí nghiệm 29

Hình 2 4.Mô hình máy đọc Harshaw TLD – 4000 30

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của máy đọc 31

Hình 3 1 Suất liều gamma môi trường đo bằng liều kế nhiệt huỳnh quang TLD 100 40

Hình 3 2 Biểu đồ kết quả đo suất liều gamma môi trường bằng survey meter 44

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Sơ đồ chuỗi phóng xạ tự nhiên Thorium và Uranium 3

Bảng 1 2 Hoạt độ phóng xạ của một số hạt nhân nguyên thủy [3] 5

Bảng 1 3 Các giá trị hoạt độ riêng điển hình của thực phẩm, nước, tính ra Bq/kg [3] 8

Bảng 1 4 Hoạt độ riêng trong không khí [3] 8

Bảng 1 5 Lượng thực phẩm tiêu thụ ( trung bình) của người lớn [3] 9

Bảng 1 6 Liều hấp thụ hiệu dụng ( tính theo µSv/năm) cho người lớn [3] 9

Bảng 1 7 Liều hiệu dụng ( µSv/năm) do phóng xạ tự nhiên [3] 12

Bảng 1 8 Kết quả điều tra suất liều hiệu dụng của phông bức xạ tự nhiên trung bình hàng năm lên cộng đồng ở một số nước Bắc Âu 16

Bảng 1 9 Trọng số của các loại bức xạ ω R 20

Bảng 1 10 Hệ số mô 20

Bảng 1 11 Các đặc trưng của một số vật liệu nhiệt huỳnh quang 24

Bảng 3 1 Phông của các chip TLD-100 37

Bảng 3 2.Giá trị suất liều môi trường đo bằng liều kế nhiệt huỳnh quang TLD 100 39

Bảng 3 3 Giá trị hàm lượng các đồng vị phóng xạ trong mẫu đất thí nghiệm 42

Bảng 3 4 Suất liều gamma môi trường tính được theo phương pháp đo hoạt độ các nhân phóng xạ trong mẫu đất 43

Bảng 3 5 Kết quả đo suất liều gamma môi trường bằng survey meter 44

Bảng 3 6 Tóm tắt các kỹ thuật đo suất liều gamma môi trường và kết quả đo 46

Bảng 3 7 Kết quả đo suất liều gamma môi trường sau khi đã được điều chỉnh 47

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Thế giới chúng ta đang sống có chứa nhiều chất phóng xạ và các chất này đã

có ngay từ khi hình thành nên trái đất Có trên 60 nhân phóng xạ được tìm thấy trong tự nhiên Về nguồn gốc, các nhân phóng xạ này có thể phân thành ba loại chính sau:

1 Các nhân phóng xạ có từ khi hình thành nên trái đất còn gọi là các nhân phóng xạ nguyên thủy

2 Các nhân phóng xạ được hình thành do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất của trái đất

3 Các nhân phóng xạ được hình thành do con người tạo ra

Các nhân phóng xạ được hình thành do hai nguồn gốc đầu được gọi là các nhân phóng xạ tự nhiên, còn các nhân phóng xạ do con người tạo ra được gọi là các nhân phóng xạ nhân tạo So với lượng phóng xạ tự nhiên thì lượng phóng xạ do con người tạo ra là rất nhỏ và một phần lượng phóng xạ này đã bị phát tán vào trong môi trường của thế giới Vì vậy chúng ta có thể phát hiện thấy các nhân phóng xạ tự nhiên và nhân tạo có mặt ở khắp mọi nơi trong các môi trường sống như đất, nước

và không khí [2]

Tất cả các nhân phóng xạ có trong tự nhiên gây ra cho con người một liều chiếu bức

xạ nhất định vì các nhân phóng xạ phát ra các bức xạ ion hóa có thể gây ra liều chiếu ngoài nếu các nhân phóng xạ ở bên ngoài cơ thể con người và gây ra liều chiếu trong nếu các nhân phóng xạ thâm nhập vào trong cơ thể con người qua đường hô hấp, tiêu hóa hay vết trầy xước trên da Mức liều chiếu do các nhân phóng

xạ tự nhiên gây ra cho con người có thể được xác định bằng các thiết bị đo liều bức

xạ xách tay hoặc các liều kế bức xạ môi trường nhiệt phát quang Trong đó, liều kế

được những ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến kết quả đo liều chiếu đối với dân chúng [6] Sự có mặt của các đồng vị phóng xạ luôn ảnh hưởng dù ít hay nhiều đến tình trạng sức khỏe của con người và môi trường xung quanh bởi sự tác động của bức xạ lên vật chất sống Con người từ lúc ra đời đã bắt đầu sống chung với phóng xạ và chịu ảnh hưởng của mọi loại phóng xạ Do đó, việc nghiên cứu kiểm soát bức xạ và những tác động có hại của phóng xạ đến sức khỏe con người cũng như các ảnh hưởng của chúng lên môi trường sống là rất quan trọng và nhận được nhiều sự quan tâm Vì vâỵ đề tài “Nghiên cứu sử dụng liều kế nhiệt huỳnh quang ( TLD) để đo liều bức xạ gamma trong môi trường” được thực hiện nhằm mục đích xác định liều bức xạ gamma trong môi trường phục vụ cho việc xác định liều chiếu của dân chúng tại các trạm quan trắc phóng xạ môi trường

2 Mục tiêu đề tài

-Xây dựng phương pháp đo liều bức xạ gamma trong môi trường bằng liều kế nhiệt huỳnh quang TLD-100

-Xác định liều chiếu của dân chúng tại địa điểm nghiên cứu

3 Nội dung nghiên cứu

 Xây dựng phương pháp xác định liều bức xạ gamma trong môi trường bằng liều kế nhiệt huỳnh quang

 So sánh phương pháp đo liều bức xạ gamma môi trường sử dụng liều

kế nhiệt huỳnh quang TLD với các phương pháp đo liều bức xạ gamma trong môi trường khác

 Đánh giá liều chiếu của bức xạ gamma môi trường đối với dân chúng tại địa điểm thực nghiệm

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên

Sau sự kiện Big Bang là quá trình hình thành mặt trời và hệ thống hành tinh của chúng ta Trong đám tro bụi đó một lượng lớn các chất phóng xạ có mặt trên Trái Đất Theo thời gian, đa số các nguyên tố phóng xạ này phân rã và trở thành những nguyên tố bền vững là thành phần vật liệu chính của hệ thống hành tinh chúng ta hiện nay Tuy nhiên đối với các nguyên tố phóng xạ có chu kỳ bán rã rất lớn, chúng vẫn đang tồn tại trong vỏ Trái Đất đó là những nguyên tố Kali, Uranium, Thorium, con cháu của chúng và một số các nguyên tố khác Các đồng vị phóng xạ

tự nhiên chủ yếu thuộc 3 chuỗi phóng xạ, đó là chuỗi 232Th, chuỗi 238U và chuỗi

235U Chúng có khả năng phân rã anpha và bêta mạnh và có thể tóm lược như trong Bảng 1.1

Bảng 1 1 Sơ đồ chuỗi phóng xạ tự nhiên Thorium và Uranium

Hạt nhân Thời gian

 Loại được hình thành cùng với tuổi của Trái đất ;

 Loại được tạo thành do tương tác của tia vũ trụ với vật chất;

 Loại được tạo thành do hoạt động của con người

Các hạt nhân phóng xạ được tạo thành và tồn tại một cách tự nhiên trong đất, nước và trong không khí, thậm chí trong chính cơ thể chúng ta Theo Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA), trong 1 kg đất có thể chứa 3 đồng vị phóng xạ tự nhiên với hàm lượng trung bình như sau:

370 Bq 40K (100 – 700 Bq)

25 Bq 226Ra (10 – 50 Bq)

25 Bq 238U (10 – 50 Bq)

25 Bq 232Th (7 – 50 Bq)

Nguyên tố Uranium gồm các đồng vị: Uranium-238 chiếm 99,3% Uranium

tự nhiên, khoảng 0,7% là Uranium-235 và khoảng 0.005% là Uranium-234 U-238

và U-234 là các đồng vị phóng xạ thuộc họ Uranium, còn U-235 là đồng vị phóng

xạ thuộc họ Actinium

Các chuỗi phóng xạ tự nhiên có các đặc điểm:

- Đồng vị đầu tiên của chuỗi có chu kỳ bán rã lớn

- Các chuỗi này đều có một đồng vị tồn tại dưới dạng khí, các chất khí phóng xạ này là các đồng vị của radon

- Sản phẩm cuối cùng trong các chuỗi phóng xạ là Chì

Ngoài các đồng vị trong các chuỗi phóng xạ tự nhiên nêu trên, trong tự nhiên còn có một số đồng vị phóng xạ rất phổ biến khác như : 40K, 14C Những đồng vị này có thể được thấy trong thực vật, động vật và cả trong môi trường Đồng vị phóng xạ 14C là đồng vị được hình thành do sự tương tác của bức xạ nơtron (có trong tia vũ trụ) với hạt nhân nguyên tử 14

N Hoạt độ phóng xạ của một số nhân phóng xạ chủ yếu trong môi trường được đưa ra trong bảng 1.2

Bảng 1 2 Hoạt độ phóng xạ của một số hạt nhân nguyên thủy [4]

238

U

Chiếm 99.2745% uranium trong tự nhiên, tổng lượng uranium chiếm từ 0.5 đến 4.7 ppm trong đá thông thường

trên bề mặt Trái đất

226 Ra Có trong đá vôi và đá phun trào

0.42pCi/g( 16Bq/kg) trong đá vôi và 1.3pCi/g ( 48Bq/kg) trong đá phun trào

222 Rn Là khí hiếm

0.016pC/L ( 0.6Bq/m3) đến 0.75pCi/L(28Bq/m3) ( giá trị trung bình hàng năm ở Hoa Kỳ)

40

0.037-1.1Bq/g)

1.2 Liều chiếu do phóng xạ môi trường gây ra cho dân chúng

Con người đang sống trong môi trường mà mọi nơi đều có các nhân phóng xạ tự nhiên, chúng phát ra các bức xạ gamma, anpha, beta gây ra liều chiếu cho con người Các tia bức xạ chiếu vào cơ thể từ bên ngoài sẽ gây ra liều chiếu xạ ngoài; Khi các nhân phóng xạ đi vào cơ thể con người và phát ra các tia bức xạ, khi đó sẽ gây ra liều chiếu trong

1.2.1 Chiếu xạ ngoài

 Bức xạ gamma từ các nhân phóng xạ trong đất, đá

Đây là nguồn chiếu xạ chủ yếu trong số các nguồn chiếu xạ ngoài của môi trường đối với con người Từ các kết quả nghiên cứu thực hiện trên nhiều khu vực, lãnh thổ khác nhau trên thế giới, người ta đã đánh giá suất liều hấp thụ trung bình ở độ cao 1m trên mặt đất đối với con người vào khoảng từ 20 đến 159nGy/h Trong phổ suất liều hấp thụ trung bình đó, người ta đánh giá một giá trị trung bình là 55 nGy/h, tương đương với liều hiệu dụng trung bình một người phải chịu là 0.41mSv/ năm Tùy theo từng vị trí trên Trái Đất, giá trị đó có khác nhau, thí dụ như ở Mỹ là 0.28mSv/năm, ở Thụy Sỹ là 0.64mSv/năm [4]

Trong thành phần của các nguồn chiếu xạ ngoài từ bức xạ gamma của các đồng vị phóng xạ từ đất thì 40K chiếm 35% các đồng vị phóng xạ của dãy 238U chiếu 25%,

và của dãy 232Th là 40%

 Phóng xạ của tia vũ trụ

Phóng xạ có nguồn gốc từ tia vũ trụ đóng góp vào liều hấp thụ đối với con người là không đáng kể Ở độ cao mực nước biển, liều hấp thụ gây ra bởi thành phần bức xạ ion hóa là 27nGy/h, tương ứng với liều hiệu dụng là 240µSv/ năm Liều này tăng theo độ cao so với mực nước biển ( cứ 100m tăng 4µSv) Trên 25km thì liều đó có giá trị gần như không đổi, vào khoảng 80µGy/h Tính trung bình theo các nhóm người sống trên Trái Đất thì liều hiệu dụng hàng năm do tia vũ trụ được đánh giá là 355µSv, trong đó thành phần đóng góp của bức xạ ion hóa là 300µSv, còn 55µSv là của thành phần nơtron [4]

1.2.2 Chiếu xạ trong

Khi các chất phóng xạ tự nhiên xâm nhập vào cơ thể qua con đường ăn uống và hít thở sẽ tạo nên một nguồn chiếu xạ trong đối với cơ thể Quá trình chuyển hóa làm cho một số đồng vị được thải ra ngoài và một số còn lưu lại trong cơ thể

Hai tổ chức quốc tế là Ủy ban khoa học Liên Hiệp Quốc về những ảnh hưởng của bức xạ nguyên tử - United Nation Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiations (UNSCEAR) và Ủy ban an toàn phóng xạ quốc tế- International Commission on Radiological Protection (ICRP) đã tính liều hiệu dụng hàng năm gây bởi chiếu xạ trong đối với con người Do tính chất phức tạp của các đặc trưng của các đồng vị trong các dãy phóng xạ tự nhiên nên để thuận tiện, người ta chia các dãy đó thành từng nhóm khi tính toán liều chiếu xạ trong:

 Dãy 238U

Do tính chất hóa lý của các đồng vị trong dãy 238U là khác nhau nên hoạt độ của chúng trong các loại thực phẩm khác nhau nằm trong một dải khá rộng Một số số liệu về hoạt độ của các đồng vị trong một số loại thực phẩm điển hình được đưa ra trong bảng 1.3

Bảng 1 3 Các giá trị hoạt độ riêng điển hình của thực phẩm, nước, tính ra Bq/kg [4]

Bảng 1 5 Lượng thực phẩm tiêu thụ ( trung bình) của người lớn [4]

Bảng 1 6 Liều hấp thụ hiệu dụng ( tính theo µSv/năm) cho người lớn [4]

kỳ bán rã của 222Rn là 3.8 ngày, nên Radon thường thoát ra từ môi trường đất và vật liệu xây dựng Vì vậy hàm lượng 222Rn trong nhà thường cao hơn ở ngoài trời

Ở châu Âu trung bình từ 20 đến 50 Bq/m3; ở Mỹ trung bình là 55Bq/m3 nhưng trong khoảng 1-3% các căn hộ riêng , tức là khoảng hàng triệu nhà, hàm lượng radon lên tới 300Bq/m3[4]

Ở Việt Nam, chưa có đầy đủ số liệu thống kê, tuy nhiên kết quả của một số nghiên cứu cho thấy: Lượng radon trong nhà ở khu vực Hà Nội vào khoảng 30Bq/m3; ở miền núi thường lớn hơn vài lần[5]

Hàm lượng radon trong nhà ở phụ thuộc vào vùng địa lý, tùy thuộc vào mùa trong năm và các yếu tố địa lý, khí hậu…Trong một nhà: tầng thấp có hàm lượng radon cao hơn so với tầng cao Trong phòng thoáng, hàm lượng radon thấp hơn so với trong phòng kín

 Dãy phân rã phóng xạ Thori ( Thori 232- 232Th)

Với Th 232, qua 10 lần dịch chuyển, trở thành đồng vị chì bền vững 208Pb 220 Rnlà sản phẩm trong chuỗi phân rã của Th 232 và thường được gọi là thoron (Tn), có thời gian sống 80,06 giây, chu kỳ bán rã 55,6 giây Vì thoron có đời sống quá ngắn nên nó không thể di chuyển một khoảng cách xa từ nguồn giống như radon trước khi phân rã Thỉnh thoảng có thể bắt gặp thoron trong không khí và thường gặp hơn trong đất và trong khí đất Do vậy chỉ có một phần rất nhỏ khí thoron tích tụ trong nhà Tuy nhiên ngay cả với lượng nhỏ như vậy thoron vẫn có thể là một mối nguy hiểm vì con cháu của nó bao gồm 212Pb có chu kỳ bán rã 10,6 giờ đủ dài hơn để tích lũy đến một mức đáng kể trong không khí thở

 Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ tia vũ trụ

Trong số các đồng vị có nguồn gốc từ tia vũ trụ có đóng góp đáng kể vào liều chiếu

xạ trong, phải kể đến 3H, 7Be, 14C, và 22Na Trong số 4 đồng vị này thì 14C có đóng

góp lớn hơn cả Hoạt độ phóng xạ gây bởi 14C có trong cơ thể người được đánh giá vào khoảng 50Bq/g, tương ứng với liều hiệu dụng là 12µSv/năm [2]

Độ phổ cập tương đối của 40K trong kali tự nhiên là 0,117% thời gian bán rã của 40K là 1,28.109 năm Hoạt độ 40K trong cơ thể người( tính cho trọng lượng trung bình là 50kg) được đánh giá là 600Bq/kg, tương ứng với liều hiệu dụng hàng năm là 165µSv/năm

1.2.3 Liều hiệu dụng tổng cộng ( chiếu xạ ngoài và chiếu xạ trong)

Bảng dưới đây cho biết liều hiệu dụng hàng năm gây bởi các nguồn phóng xạ

tự nhiên, tính trung bình cho người lớn trong các vùng có phóng xạ tự nhiên bình thường ( theo ICRP) Ta nhận thấy radon đóng vai trog chủ yếu trong liều hấp thụ tổng cộng do phóng xạ tự nhiên Để hình dung mức độ lớn, nhỏ của liều hiệu dụng tổng cộng hàng năm do các nguồn phóng xạ tự nhiên trình bày trong bảng 7, ta có thể so sánh với liều hiệu dụng hàng năm gây bởi các nguồn phóng xạ khác Chẳng hạn trong y tế, mỗi lần chụp X-quang, liều hấp thụ hiệu dụng mà người ta phải chịu

là vào khoảng 0,5mSv

Bảng 1 7 Liều hiệu dụng ( µSv/năm) do phóng xạ tự nhiên [4]

Từ ngành điện hạt nhân: các nguồn chất thải khác nhau từ các nhà máy điện hạt nhân và các cơ sở xử lý nhiên liệu… gây nên liều hiệu dụng trung bình đối với một người khoảng 10-3mSv

Liều giới hạn cho phép, theo khuyến cáo của các cơ quan quôc tế (ICRP, UNSCEAR) đối với nhân viên chuyên nghiệp là 20mSv/năm, đối với dân chúng là 1mSv/năm

1.3 Tác dụng của các tia bức xạ đối với sức khoẻ con người

Tác dụng sinh học của bức xạ hạt nhân có nhiều hình thức khác nhau, đối với sức khỏe con người thì quan trọng nhất là các dạng có thể xuyên qua cơ thể và gây

ra hiệu ứng ion hoá Nếu bức xạ ion hoá thấm vào các mô sống, các iôn được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình thường Tiếp xúc với bất kỳ loại nào trong số các loại bức xạ ion hoá, bức xạ alpha, beta, các tia gamma, tia X và nơtron, đều có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ[2]

chúng phân huỷ thành một nguyên tố bền Nó gồm hai proton và hai notron, nó

mang điện dương Trong không gian, bức xạ alpha không có khả năng truyền xa và

dễ dàng bị cản lại toàn bộ chỉ bởi một tờ giấy hoặc bởi lớp màng ngoài của da Tuy nhiên, nếu một chất phát tia Alpha được đưa vào trong cơ thể, nó sẽ phát ra năng lượng tới các tế bào xung quanh Ví dụ, nếu con người hít phải một lượng khí radon vào trong phổi thì chúng có thể sẽ tạo ra sự chiếu xạ với các mô nhạy cảm, mà các

mô này thì không có lớp bảo vệ bên ngoài giống như da[2]

 Bức xạ Beta: Bao gồm các electron nhỏ hơn rất nhiều so với các hạt alpha

và nó có thể thấm sâu hơn Bức xạ bêta có thể bị cản lại bởi tấm kim loại, tấm kính hay chỉ bởi lớp quần áo bình thường Nó cũng có thể xuyên qua được lớp ngoài của

da và khi đó nó sẽ làm tổn thương lớp da bảo vệ Trong vụ tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986, các tia bêta mạnh đã làm cháy da những người cứu hoả Nếu các bức xạ bêta phát ra trong cơ thể, nó có thể chiếu xạ trong các mô trong

đó

 Bức xạ Gamma: Bức xạ gamma là năng lượng sóng điện từ Nó đi được

khoảng cách lớn trong không khí và có độ xuyên mạnh Khi tia gamma bắt đầu đi vào vật chất, cường độ của nó cũng bắt đầu giảm Trong quá trình xuyên vào vật chất, tia gamma va chạm với các nguyên tử Các va chạm đó với tế bào của cơ thể

sẽ làm tổn hại cho da và các mô ở bên trong Các vật liệu đặc như chì, bê tông là tấm chắn lý tưởng đối với tia gamma

 Bức xạ tia X: Bức xạ tia X tương tự như bức xạ gamma, nhưng bức xạ

gamma được phát ra bởi hạt nhân nguyên tử, còn tia X do con người tạo ra trong một ống tia X mà bản thân nó không có tính phóng xạ Vì ống tia X hoạt động bằng điện, nên việc phát tia X có thể bật, tắt bằng công tắc

 Bức xạ Nơtron: Bức xạ nơtron được tạo ra trong quá trình phát điện hạt

nhân, bản thân nó không phải là bức xạ ion hoá, nhưng nếu va chạm với các hạt nhân khác, nó có thể kích hoạt các hạt nhân hoặc gây ra tia gamma hay các hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây ra bức xạ ion hoá Nơtron có sức xuyên mạnh hơn tia gamma và chỉ có thể bị ngăn chặn lại bởi tường bê tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn paraphin[2]

Các bức xạ ion hóa góp phần vào việc ion hóa các phần tử trong cơ thể sống, tùy theo liều lượng nhận được và loại bức xạ, hiệu ứng của chúng có thể gây hại ít nhiều cho cơ thể Có hai cơ chế tác động bức xạ lên cơ thể con người:

- Cơ chế trực tiếp: bức xạ trực tiếp gây iôn hóa các phân tử trong tế bào làm đứt gãy

liên kết trong các gen, các nhiễm sắc thể, làm sai lệch cấu trúc và tổn thương đến chức năng của tế bào

- Cơ chế gián tiếp: Khi phân tử nước trong cơ thể bị ion hóa sẽ tạo ra các gốc tự do,

các gốc này có hoạt tính hóa học mạnh sẽ hủy hoại các thành phần hữu cơ trong tế bào, như các enzyme, protein, lipid trong tế bào và phân tử ADN, làm tê liệt các chức năng của các tế bào lành khác Khi số tế bào bị hại, bị chết vượt quá khả năng phục hồi của mô hay cơ quan thì chức năng của mô hay cơ quan sẽ bị rối loạn hoặc

tê liệt, gây ảnh hưởng đến sức khỏe

- Hiệu ứng tức thời: Khi cơ thể nhận được một sự chiếu xạ mạnh bởi các bức xạ ion

hóa, và trong một thời gian ngắn sẽ gây ra hiệu ứng tức thời lên cơ thể sống Làm

ảnh hưởng trực tiếp đến hệ mạch máu, hệ tiêu hóa, hệ thần kinh trung ương Các ảnh hưởng trên đều có chung một số triệu chứng như: buồn nôn, ói mửa, mệt mỏi, sốt, thay đổi về máu và những thay đổi khác Đối với da, liều cao của tia X gây ra ban đỏ, rụng tóc, bỏng, hoại tử, loét, đối với tuyến sinh dục gây vô sinh tạm thời

-Hiệu ứng lâu dài: Chiếu xạ bằng các bức xạ ion hóa với liều lượng cao hay thấp

đều có thể gây nên các hiệu ứng lâu dài dưới dạng các bệnh ung thư, bệnh máu trắng, ung thư xương, ung thư phổi, đục thủy tinh thể, giảm thọ, rối loạn di truyền Bức xạ từ tia α khi đi vào cơ thể mô sống, chúng sẽ bị hãm lại một cách nhanh chóng và truyền năng lượng của chúng ngay tại chỗ Vì vậy với cùng một liều lượng như nhau, nhưng tia α nguy hiểm hơn so với các tia β, γ là các bức xạ đi sâu vào sâu bên trong cơ thể và truyền từng phần năng lượng trên đường đi [2]

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới:

Hiện nay, liều kế nhiệt huỳnh quang Thermoluminescence Dosimeter – TLD đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo liều bức xạ phổ biến nhất là sử dụng để đo liều cá nhân đối với các nhân viên bức xạ trong y tế, công nghiệp, nghiên cứu hạt nhân, đo liều môi trường Một số nước như Braxin, Ấn Độ , Banglades… cũng có các nghiên cứu về việc sử dụng liều kế nhiệt huỳnh quang để đo liều phóng xạ môi trường [8], [10], [15] Tùy vào các phương pháp nghiên cứu khác nhau mà các vật liệu nhiệt huỳnh quang được sử dụng để nghiên cứu cũng khác nhau như LiF:Mg:Ti (ký hiệu thương phẩm là TLD-100), CaF2:Dy, CaSO4 : Dy Các nghiên cứu ở Braxin, Banglades, Malaysia, Ấn Độ … cho thấy liều bức xạ gamma môi trường tự nhiên thay đổi theo từng nước, từng vùng Giá trị suất liều bức xạ gamma tự nhiên ở

vị trí 1m so với mặt đất trung bình trên thế giới ở trong khoảng 57nGy/h [17] Ở Malaysia liều gamma môi trường bên ngoài ( outdoor) đo được tại vùng Selama vào khoảng 273±133 nGy/h Ở khu vực dân cư sinh sống, liều gamma môi trường (bao

gồm cả trong nhà và ngoài trời) tương ứng vào khoảng 205±59 nGy/h và 212±64 nGy/h [8]

Từ năm 1993, các nước Bắc Âu gồm Đan Mạch, Phần Lan, Na Uy, Ireland và Thụy Điển đã công bố kết quả điều tra suất liều hiệu dụng của phông bức xạ tự nhiên trung bình hàng năm lên dân chúng được đưa ra trong Bảng 1.8

Bảng 1 8 Kết quả điều tra suất liều hiệu dụng của phông bức xạ tự nhiên trung bình hàng năm lên cộng đồng ở một số nước Bắc Âu

Lan

Thụy Điển

Đan Mạch

liều kế TLD được chuyển về cơ sở hạt nhân để đọc giá trị liều mà nhân viên bức xạ

đã nhận được

Hình 1 1 Phân bố nhân viên bức xạ theo các lĩnh vực làm việc [TTATBX-2012]

Không chỉ nhân viên bức xạ khi tiếp xúc với nguồn bức xạ hoặc thiết bị phát bức

xạ chịu liều chiếu bức xạ mà dân chúng hàng ngày cũng luôn bị chiếu bởi liều bức

xạ tự nhiên Để đánh giá liều chiếu của dân chúng do bức xạ tự nhiên gây ra, một số phương pháp đã được áp dụng và triển khai trên lãnh thổ Việt Nam như : dùng máy

đo suất liều bức xạ gamma trong không khí ở độ cao 1m so với mặt đất, hoặc lấy mẫu đất đá để phân tích hàm lượng Uran, Thori, Kali từ đó tính toán được liều chiếu gây ra đối với dân chúng Một số kết quả xác định liều dân chúng của Việt Nam sử dụng các phương pháp trên đã được một số các nhà khoa học của Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam thực hiện Tuy nhiên vấn đề bức xạ môi trường chưa được quan tâm đúng mức Tình hình sử dụng liều kế nhiệt huỳnh quang để đánh giá liều bức xạ tự nhiên đối với dân chúng chưa được chú trọng ở nước ta Vì vậy, phương pháp sử dụng liều kế nhiệt huỳnh quang để đo liều bức xạ tự nhiên trong môi trường cần được quan tâm nghiên cứu để có thể triển khai ứng dụng vào thực tiễn Đặc biệt với nền tảng sẵn có trong lĩnh vực đo liều cá nhân và khi Việt Nam xây dựng nhà máy điện hạt nhân thì vấn đề an toàn bức xạ được ưu tiên quan

tâm Do đó, tiềm năng ứng dụng và hiệu quả của phương pháp sử dụng liều kế nhiệt huỳnh quang trong đo liều bức xạ môi trường là rất lớn

1.5 Bức xạ hạt nhân và các đơn vị đo liều bức xạ

Trong quá trình phân rã các nguyên tố phóng xạ sẽ phát ra các tia bức xạ, bao gồm: bức xạ anpha, bức xạ bêta, bức xạ gamma, bức xạ nơtron và các mảnh phân hạch Khi tác dụng với môi trường vật chất, các bức xạ này có những khả năng gây ra sự ion hóa khác nhau Và để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các loại tia bức xạ này, các nhà khoa học hạt nhân đã đưa ra khái niệm về bức xạ hạt nhân

1.5.1 Hoạt độ phóng xạ

Hoạt độ phóng xạ của một nguồn phóng xạ hay một lượng chất phóng xạ nào đó chính là số hạt nhân phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian Nếu trong một lượng chất phóng xạ có N hạt nhân phóng xạ, thì hoạt độ phóng xạ của nó được tính theo công thức sau:

).exp(

).exp(

1Ci=3,7.1010Bq

1Ci=37GBq

1Bq=2,7.10-11Ci=27pCi

1.5.2 Liều hấp thụ

Liều hấp thụ trung bình DT trong mô T được tính bằng năng lượng bức xạ truyền cho một đơn vị khối lượng mô Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ là Gray( Gy) 1Gy=1J/kg=100 Rad

Trước đây, thường dùng đơn vị là Rad ( radiation absorbed dose)

Rad là liều lượng bức xạ mà 1 kg vật chất hấp thụ được một năng lượng bằng 10-2J 1Rad= 10-2 J/kg

1.5.3 Liều tương đương sinh học và liều hiệu dụng

Cùng một liều hấp thụ nhưng tác dụng sinh học của bức xạ còn tùy thuộc vào loại bức xạ và loại mô ( cơ quan sinh học) bị chiếu xạ

Để đặc trưng cho các loại bức xạ khác nhau, người ta dùng đại lượng có tên gọi là

hệ số phẩm chất hay trọng số bức xạ ωR Trọng số bức xạ (w R ) là một hệ số mà biến

đổi liều hấp thụ trong một mô hay cơ quan thành liều tương đương và được xác định theo loại và năng lượng của bức xạ mà cơ quan hay mô đó bị chiếu Như vậy, liều tương đương sinh học của mô ( cơ quan) T nào đấy của cơ thể trong một trường bức xạ được tính theo hệ thức

R T R

R

Trong đó, tổng được lấy theo tất cả các loại bức xạ trong trường bức xạ

Đối với các photon, electron, muon, năng lượng bất kỳ thì ωR = 1

Giá trị ωR của các loại bức xạ được ghi trong bảng 1.9 Bảng 1.9 đưa ra trọng số của tất cả các loại bức xạ với các năng lượng khác nhau

1.5.4 Liều giới hạn cho phép

ICRP ( năm 1991) đã đưa ra khuyến cáo: Liều hiệu dụng E giới hạn ( cho phép) đối với các nhân viên chuyên nghiệp là 20mSv/năm, đó là giá trị trung bình trong 5 năm nhưng trong 5 năm đó không có năm nào vượt quá 50mSv/năm Đối với dân chúng thì liều hiệu dụng cho phép là 1mSv/năm, tính trung bình cho 5 năm liên tục, trong đó không có năm nào bị chiếu xạ nhiều đột xuất [11]

Những năm gần đây, mức liều giới hạn cho phép đó còn được ICRP đề nghị giảm xuống thấp nữa Đối với các mô hoặc cơ quan của người, ICRP cũng đưa ra những khuyến cáo cụ thể : Chẳng hạn liều tương đương sinh học giới hạn cho phép đối với nhân viên chuyên nghiệp bị chiếu xạ vào mắt là 150mSv/năm, vào da là 500mSv/năm… Đối với dân chúng thì mức độ cho phép thấp hơn 10 lần

1.6 Các phương pháp xác định liều bức xạ trong tự nhiên

Đo suất liều bức xạ tự nhiên trong môi trường có thể được tiến hành theo nhiều phương pháp khác nhau, việc lựa chọn tùy thuộc vào các mục đích ứng dụng

cụ thể Các phương pháp xác định liều bức xạ trong tự nhiên có thể được phân ra thành hai phương pháp :

 Đo tức thời bằng các thiết bị đo chủ động (active detectors)

 Đo tích lũy bằng các thiết bị đo thụ động ( passive detectors)

Thiết bị đo chủ động là các thiết bị cho phép xác định suất liều bức xạ tại một thời điểm nhất định Thông thường các máy đo liều xách tay thường hay được sử dụng

để xác định liều bức xạ trong tự nhiên bởi ưu điểm của chúng là thiết bị đơn giản, gọn nhẹ dễ sử dụng và có thể đưa ra suất liều ngay tại thời điểm đo Tuy nhiên độ chính xác của phép đo tùy thuộc vào từng loại thiết bị khác nhau và phụ thuộc vào một số yếu tố của môi trường

Phương pháp đo thụ động bằng cách sử dụng các liều kế nhiệt huỳnh quang, liều kế phim để đo tại thực địa Phương pháp này cho phép đánh giá suất liều bức xạ trong một khoảng thời gian tương đối dài (1- 6 tháng) Hiện nay kỹ thuật nhiệt huỳnh quang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo liều môi trường và đo liều cá nhân cho nhân viên bức xạ bởi một số ưu điểm sau :

 Vật liệu nhiệt huỳnh quang được chế tạo với kích thước vật lý nhỏ thuận tiện cho việc sử dụng, không cần dây cáp nối, dễ dàng vận chuyển, đặt trong các hộp nhỏ hoặc bình chứa, có thể gửi qua đường bưu điện [1]

 Vật liệu phát huỳnh quang có sẵn phong phú, đa dạng tạo nên những đầu nhạy tương đương với các tổ chức trong cơ thể và có độ nhạy chọn lọc đối với các loại bức xạ khác nhau, thích hợp với việc kiểm tra phông và

đo liều tai nạn

 Dải liều đo được rất rộng từ khoảng 10-6 đến khoảng 107 Gy[1]

 Có khả năng lưu trữ và bảo vệ thông tin được lâu, không bị ảnh hưởng bởi suất liều chiếu xạ cao tới xấp xỉ 109Gy/s, ít phụ thuộc vào môi trường,

độ ẩm

 Có thể sử dụng nhiều lần, thích hợp với chương trình tự động hóa

 Các vật liệu nhiệt huỳnh quang có sẵn để sử dụng

Nhờ có những ưu điểm quan trọng như vậy nên các liều kế nhiệt huỳnh quang đã cạnh tranh rất hiệu quả với những phương pháp truyền thống như phương pháp ion hóa và nhũ tương ảnh trong nhiều lĩnh vực (ví dụ trong kiểm tra liều lượng cá nhân, xác định liều lượng trong y học hạt nhân,, đo kiểm tra liều môi trường Tuy nhiên

hệ máy đọc liều huỳnh quang có nhược điểm quan trọng là khá đắt tiền

1.7 Nhiệt huỳnh quang và đặc trưng của liều kế nhiệt huỳnh quang

1.7.1 Nhiệt huỳnh quang

Nhiệt huỳnh quang là hiện tượng các chất cách điện (điện môi) hoặc chất bán

dẫn điện phát ra ánh sáng khi bị nung nóng nếu như trước đó các vật liệu này đã được chiếu xạ bởi các bức xạ ion hóa như: bức X, bức xạ anpha, bức xạ beta, bức xạ gamma

Như vậy, đối với vật liệu nhiệt phát quang ta cần lưu ý những điều sau:

 Vật liệu phải là chất điện môi hay bán dẫn

 Vật liệu đã có khoảng thời gian hấp thụ năng lượng trong quá trình được phơi chiếu bởi bức xạ ion hóa

 Nhiệt chỉ đóng vai trò kích thích chứ không phải là nguyên nhân chính gây sự phát quang

 Các vật liệu này sau khi đã được kích thích nhiệt để phát quang thì khi nâng nhiệt một lần nữa cũng sẽ không phát quang, do electron đã thoát ra khỏi bẫy Nếu muốn phát quang thì vật liệu cần chiếu xạ lần nữa Mô hình cấu trúc các vùng hoạt động năng lượng của hiện tượng nhiệt huỳnh quang

Hiện tượng phát quang xảy ra là do chúng ta đã cung cấp năng lượng cho các electron dưới dạng nhiệt làm cho các điện tử này thoát khỏi hố bẫy và chuyển dịch

về mức cơ bản cùng với đó là phát ra những phôtôn ánh sáng trong miền khả kiến 1.7.2 Một số liều kế nhiệt phát quang sử dụng trong đo liều bức xạ ion hóa

Nói chung, trong các loại vật liệu nhiệt huỳnh quang đang được sử dụng phổ biến,

có thể phân chia thành 2 loại [1]:

 Liều kế tương đương mô: là loại liều kế có nguyên tử số hiệu dụng Zeff gần

 Liều kế không tương đương mô: là loại liều kế có nguyên tử số hiệu dụng

Zeff khác nhiều so với Zeff của mô

Đặc trung chủ yếu của một số vật liệu nhiệt huỳnh quang được chỉ trong Bảng 1.11

Bảng 1 11 Các đặc trưng của một số vật liệu nhiệt huỳnh quang

Vật liệu nhiệt

huỳnh quang

LiF:Mg,Ti (TLD-100)

CaSO4:Dy

LiF:Mg,Cu,P (Bắc Kinh)

Vùng tuyến tính 50mGy – 3mGy 10 – 20 0,8keV

Tiền chiếu xạ 4000C 1h 4000C 1h 2400C – 10 phút

Xử lí nhiệt 800C – 24h

Vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Ti có độ nhạy nhiệt huỳnh cao tương đối cao,

có số nguyên tử hiệu dụng gần tương đương với mô, hệ số suy giảm tín hiệu thấp cho nên vật liệu này phù hợp với việc sử dụng để đo liều lượng bức xạ trong y tế và môi trường

1.7.3 Một số đặc trưng của vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Ti (ký hiệu thương

phẩm là TLD-100)

Vật liệu LiF có số nguyên tử hiệu dụng Zeff= 8.14 gần tương đương với mô Chúng

có dải liều rộng từ vài mR đến 2.105 R và ít phụ thuộc vào năng lượng ( < 10KeV- vài MeV), fading không đáng kể cỡ 5% trên năm [12]

Trên đường cong nhiệt phát quang của LiF : Mg :Ti (LiF 100) có ít nhất là 6 đỉnh trong khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 3000C Trong đó: Đỉnh 1 (60o

C), đỉnh 2 (120o C), đỉnh 3 (1700C), đỉnh 4 (1900C), đỉnh 5 (2100C), đỉnh 6 (2850C) Đỉnh chính của đường cong nhiệt phát quang là 190oC và 210 oC tương ứng với đỉnh 4 và 5

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: bức xạ gamma và các phương pháp xác định bức xạ gamma trong môi trường

- Phạm vi nghiên cứu: Khuôn viên Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu

Tiến hành thu thập các số liệu, dữ liệu, thông tin có sẵn liên quan đến nội dung của

đề tài nghiên cứu

2.2.2 Chuẩn bị mẫu liều kế nhiệt huỳnh quang TLD-100 sử dụng đo gamma môi trường

Cấu tạo của liều kế gồm hai phần: Vỏ và chip

Vỏ liều kế được làm bằng nhựa PE màu đen có gắn mã số cho từng chip

Chip TLD với vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF: Mg:Ti (TLD -100)

Mỗi mẫu thí nghiệm được gắn 3 chíp TLD- 100 (đã được bọc vỏ PE) đối với những mẫu đặt ngoài trời và gắn 5 chíp đối với các mẫu đặt trong nhà

Hình 2 1 Mẫu liều kế sử dụng đo gamma môi trường trong nhà và ngoài trời

Các chíp được đặt trong một hộp nhựa trong suốt với kích thước 3x5 mm và được bao bọc bằng một lớp màng PE trước khi đem đặt ngoài môi trường

2.2.3 Xử lý nhiệt độ và chuẩn liều kế

Mặc dù mẫu liều kế nhiệt huỳnh quang chưa được sử dụng để đo liều nhưng trong quá trình bảo quản chúng vẫn thường xuyên bị tác động của các tia phóng xạ

từ môi trường bên ngoài nên trong chúng vẫn tồn tại một lượng tín hiệu nhiệt huỳnh quang nào đó Do vậy trước khi sử dụng các chip nhiệt huỳnh quang này chúng ta phải xử lý chúng để nhằm loại bỏ các tín hiệu dư không mong muốn đã tích lũy trước đó