Nghiên cứu xác định liều chiếu dân chúng do phóng xạ tự nhiên ở khu vực hà nội (phần hà nội mở rộng)

Cùng với phương pháp trên, phương pháp đo phổ gamma hiện trườngcũng là phương pháp hiệu quả để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạtrong môi trường.. Với hướng nghiên cứu sử dụng ph

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất

đến thầy TS Trịnh Văn Giáp đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy và giúp đỡ em

trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn KS Nguyễn Quang Long – Viện Khoa Học và

Kỹ Thuật Hạt Nhân đã chỉ dạy, tạo điều kiện và cho phép sử dụng số liệu của

đề tài: “Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần HàNội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường

Hà Nội tỷ lệ : 1:100.000”

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ Trung Tâm QuanTrắc Phóng Xạ và Đánh Giá Tác Động Môi Trường – Viện Khoa Học và

Kỹ Thuật Hạt Nhân – Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam đã giúp đỡ

và tạo điều kiện tốt nhất, giúp em hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Vật Lý trường Đạihọc Khoa học Tự nhiên đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt 2 năm họcvừa qua Với vốn kiến thức mà em được tiếp thu trong quá trình học tập sẽ làhành trang quý báu để em có thể hoàn thành tốt công việc sau này

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè,những người đã luôn động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện về vật chất và tinhthần cho em trong suốt thời gian học tập và làm luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên

Dương Đức Thắng

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

IAEA Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế(International Atomic Energy Agency)

Phòng thí nghiệm đo môi trườngJAERI (Japan Atomic Energy Research Institute)

Viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Nhật Bản

HPGe (High-purity Germanium Detectors)Detector Germani siêu tinh khiết

MỞ ĐẦU

Để xác định liều dân chúng do các đồng vị phóng xạ tự nhiên gây ra,phương pháp phổ biến và chính xác nhất là lấy mẫu và phân tích trong phóngthí nghiệm Ở nước ta một số tác giả như Ngô Quang Huy, Phạm Duy Hiển,Nguyễn Hào Quang(15), Trịnh Văn Giáp(1)…đã sử dụng phương pháp này đểđánh giá liều dân chúng khá chi tiết ở một số tỉnh và trên phạm vi toàn quốc

Cùng với phương pháp trên, phương pháp đo phổ gamma hiện trườngcũng là phương pháp hiệu quả để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạtrong môi trường Phương pháp này đã được nhiều nước trên thế giới sử dụng

để phân tích phóng xạ môi trường từ những năm 1980(5) IAEA và ICRU đã

đề suất phương pháp này để xác định nhanh hoạt độ của các đồng vị phóng xạtrong môi trường nói chung và cả trong trường hợp khi xảy ra sự cố(9, 17)

Tuy nhiên hiện nay phương pháp đo phổ gamma hiện trường vẫn chưađược áp dụng rộng rãi ở Việt Nam Với hướng nghiên cứu sử dụng phươngpháp đo phổ gamma hiện trường để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng

xạ và suất liều gamma trong môi trường phục vụ cho việc khảo sát và quantrắc phóng xạ môi trường, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định liềuchiếu dân chúng do phóng xạ tự nhiên ở khu vực hà nội (phần Hà Nội mởrộng)” Với mục đích:

- Nghiên cứu việc sử dụng phổ kế gamma hiện trường sử dụng detector

NaI(Tl) hình trụ kích thước 3”Φ3” để xác định hoạt độ của các nhân phóng xạ

trong đất và suất liều gamma ở độ cao 1 mét so với mặt đất

- Đánh giá suất liều do các nhân phóng xạ gây ra và khả năng ảnhhưởng của chúng đối với con người

Luận văn được chia thành 3 chương với các nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan, trình bày tổng quan về phóng xạ tự nhiên vànguồn gốc của phóng xạ tự nhiên trong môi trường.

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương này tậpchung vào cơ sở lý thuyết và xây dựng hai phương pháp đo phổ gamma hiệntrường là: Phương pháp hàm G(E) và phương pháp diện tích đỉnh

Chương 3: Kết quả và thảo luận Chương này so sánh các kết quả đohoạt độ phóng xạ và suất liều gamma môi trường của phương pháp phổ kếgamma hiện trường với phương pháp lấy mẫu và phân tích trong phòng thínghiệm Từ đó chỉ ra ưu điểm của phương pháp đo phổ gamma hiện trường

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN

xạ trong đất đá là 238 U, 232Th và 235U có chu kỳ bán tương ứng là 4,5 tỷ năm, 14

tỷ năm và 700 triệu năm

Các đồng vị trong ba họ phóng xạ nói trên phân rã alpha và beta, trongquá trình phân rã liên tiếp này đồng vị mẹ biến thành các đồng vị “con cháu”

và quá trình cứ tiếp diễn để cuối cùng dừng lại ở ba đồng vị bền của chì:

206Pb, 208Pb và 207Pb Tất cả có 47 đồng vị khác nhau thuộc ba họ nói trên.Không thể lẫn họ này với họ khác căn cứ trên số khối A của đồng vị trongmỗi họ Cụ thể A = 4n + 2 đối với họ 238U, A = 4n đối với họ 232Th và A = 4n -

1 đối với họ 235U, n là những số nguyên Hình 1.1 trình bày đầy đủ các đồng

vị trong ba họ nói trên cùng với các kênh phân rã và chu kỳ bán rã của chúng

Các “con cháu” trong ba họ phóng xạ nói trên phân rã rất nhanh (T1/2 rấtbé) so với đồng vị đứng đầu nên hàm lượng của chúng trong đất đá rất thấp.Chẳng hạn, 226Ra là một mắt xích chủ yếu trong họ 238U có chu kỳ bán rã 1600năm, hàng triệu lần ngắn hơn so với 238U nên hàm lượng 226Ra trong đất đácũng thấp hơn hàng triệu lần 238U Tuy nhiên, hoạt độ riêng tính trên đơn vịkhối lượng lại cao hơn hàng triệu lần Hai ông bà Curie phải miệt mài nghiềnđập, hòa tách hàng tấn quặng uranium bằng phương pháp thủ công mới tách

được vài miligam radium (Ra), một nguyên tố hoàn toàn mới lúc bấy giờ và

có hoạt độ phóng xạ riêng cao hơn uranium đến hàng triệu lần

Hình 1 1: Sơ đồ phân rã của ba họ phóng xạ 238U, 232Th và 235U

Ngoài uranium và thorium, phóng xạ từ đất đá còn bắt nguồn từ 40K.Trong vỏ Trái Đất nguyên tố kali khá phổ biến, có hàm lượng trung bình2,6%, lớn hơn nhiều so với thorium (7,2 ppm) và uranium (1,8 ppm) Nhưngkali chỉ chứa 0,01% đồng vị 40K và tỷ lệ này ổn định trong mọi môi trường vìđồng vị phóng xạ này đã có từ thời nguyên khởi cách nay hàng chục tỷ năm

Hàm lượng trung bình của uranium trong vỏ Trái Đất là 1,8 ppm, tronglớp đất bề mặt hàm lượng thường cao hơn do U dễ bị hấp thụ bởi các phần tửsét có kích thước bé trong đất Trong vỏ Trái Đất, 238U chiếm 99,27 %, phần ít

ỏi còn lại là 235U (0,73%) Ngoài ra còn có 234U (0,0058 %) là đồng vị “concháu” được tạo thành do phân rã phóng xạ của 238U (hình 1.1) Tuy nhiên,uranium phân bố không đều trong đất đá Tùy theo loại khoáng vật, hàmlượng dao động từ vài phần trăm ppm trong các đá ultrabasic đến hàng chụcppm trong granite Còn ở các dị thường và quặng phóng xạ, hàm lượng U

Hàm lượng trung bình của 232Th trong vỏ Trái Đất là 7,2 ppm Nhưnghàm lượng biến đổi theo loại khoáng vật, từ 3 đến 50 ppm trong granite vàpermatic xuống còn từ 1 đến 3 ppm trong basalt và các đá basic 232Th thườngxuất hiện trong các khoáng zircon, ở đó 232Th thay thế những vị trí cùa Zrtrong tinh thể Các sa khoáng cát đen chứa Ti và Zr dọc theo ven biền thường

là nguồn cung cấp Zr dùng làm vỏ bọc thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân

1.1.2 Cân bằng và mất cân bằng phóng xạ (2, 3)

Do chu kỳ bán rã của các đồng vị “con cháu” trong cả ba họ phóng xạđều ngắn hơn rất nhiều so với đồng vị mẹ và cũng rất ngắn so với thời giantồn tại của Trái Đất nên về lý thuyết, có thể xảy ra cân bằng thế kỷ giữa cácđồng vị thành viên trong họ Khi đó hoạt độ phóng xạ Ai của bất cứ thànhviên i nào cũng đều như nhau và bằng hoạt độ phóng xạ của đồng vị mẹ Ainhư công thức (1.1)

Ai = λiNi = λ1N1 = A1 (1.1)trong đó λi và Ni là hằng số phân rã và số hạt nhân của thành viên thứ i.Tuy nhiên, trên thực tế giữa các thành viên trong chuỗi có thể mất cânbằng thế kỷ khi một thành viên nào đó bị tách ra khỏi chuỗi phóng xạ, hoặcđược bổ sung từ môi trường bên ngoài vào chuỗi do các quá trình địa hóa.Hiện tượng đứt gãy chuỗi này có hai nguyên nhân chính liên quan đến các đặcđiểm nguyên tố và đồng vị của các thành viên trong chuỗi

Do thuộc những nguyên tố khác nhau, những thành viên trong chuỗi cóthể có tính chất khác nhau trong môi trường Thí dụ uranium có độ linh độngtrong nước cao hơn rất nhiều so với những nguyên tố con - cháu của nó như

230Th hoặc 226Ra Vì thế 230Th có hàm lượng rất thấp trong nước ngầm 226Ra dễhòa tan trong môi trường nước có hàm lượng ion Cl- cao, nhưng rất khó hòa

tan trong nước có nhiều ion sulphate Ngoài ra, 226Ra, 230Th và 238U trong nướcngầm được các khoáng vật hấp phụ với mức độ khác nhau cũng gây ra mấtcân bằng phóng xạ Radon là khí trơ nên rất dễ thoát ra khỏi đất đá Sau khithoát vào không khí, các “con cháu” của Radon gắn kết vào bụi khí và theođường hô hấp xâm nhập vào cơ thể và trở thành nguồn chiếu trong chủ yếuđối với con người.

Hai đồng vị cùng nguyên tố cũng có thể mất cân bằng phóng xạ nhưtrường hợp cặp 234U - 238U Khi hạt nhân 238U phân rã alpha, hạt nhân giật lùi

234U có động năng đủ lớn để có thể thoát ra ngoài tinh thể Kết quả là 234U giàuhơn trong nước ngầm và nghèo đi trong khoáng vật so với 238U Hạt nhân giậtlùi trong phân rã alpha cũng có thể tạo nên những đường vết sai hỏng trongtinh thể, qua đó các nguyên tử dễ bị chiết ra nước ngầm làm mất cân bằngphóng xạ

1.2 Phóng xạ do tia vũ trụ (2, 3)

Bức xạ ion hóa có nguồn gốc từ vũ trụ có thể chia ra làm ba loại gồm:tia vũ trụ sơ cấp, tia vũ trụ thứ cấp và tia phát ra từ chất phóng xạ được hìnhthành do các tia vũ trụ phản ứng với vật chất trong khí quyển Tia vũ trụ sơcấp lại có hai loại, tia có nguồn gốc thiên hà và tia xuất phát từ Mặt Trời

Cường độ tia vũ trụ có nguồn gốc thiên hà đến Trái Đất không biến đổitheo thời gian và đẳng hướng Thành phần chính của chúng là proton nănglượng cao đến 30 GeV, chiếm đến 85%, sau đó (10%) là hạt nhân của nhữngnguyên tố nhẹ như He, Li, Be, C , số còn lại là electron, photon, neutrino.Chúng là sản phẩm của phản ứng hạt nhân xảy ra trong quá trình bùng nổ vàhình thành các thiên thể thuộc hệ thiên hà Neutron có thể sinh ra đâu đó trong

vũ trụ do phản ứng tổng hợp hạt nhân nhưng không kịp đến trái đất trước khi

đó, tia sơ cấp xuất phát từ Mặt Trời biến đổi theo thời gian phụ thuộc vào chu

kỳ hoạt động 11 năm của Mặt Trời

Khi đi vào khí quyển, tia vũ trụ sơ cấp có năng lượng lớn sẽ gây raphản ứng hạt nhân với các nguyên tử và phân tử trong không khí tạo nênnhững bức xạ ion hóa trong khí quyển bao gồm photon, electron, neutron,proton, pion, muon , chúng được gọi là các tia vũ trụ thứ cấp

Như một nam châm khổng lồ, từ trường của Trái Đất đã uốn quỹ đạocác hạt tích điện trong tia vũ trụ làm cho chúng bật trở lại hoặc lượn vòngquanh trước khi đâm vào khí quyển Theo đường sức của từ trường các hạttích điện hướng vào xích đạo sẽ có xu hướng lượn về hai cực làm cho cường

độ tia vũ trụ tăng theo vĩ độ, ở những vĩ độ trung bình của Bắc bán cầu phơinhiễm do tia vũ trụ cao hơn ở vùng xích đạo đến 30 - 40%

Không khí trong khí quyển hấp thụ và giảm tốc các tia vũ trụ nănglượng cao rất hiệu quả, nhờ đó đã giảm thiểu đáng kể tác hại đối với conngười sống trên mặt đất Càng lên cao phơi nhiễm do tia vũ trụ càng lớn do bềdày của lớp không khí che chắn càng giảm Trên đỉnh Everest cao 8 850 m sovới mặt biển, phơi nhiễm do tia vũ trụ tăng lên 20 lần so với độ cao ngangmặt nước biển

1.3 Phơi nhiễm do phóng xạ tự nhiên (2, 3)

Con người bị phơi nhiễm do các tia phóng xạ từ những nhân phóng xạtrong tự nhiên hoặc có nguồn gốc nhân tạo Nói chung đối với dân chúng trêntoàn cầu, phơi nhiễm do phóng xạ tự nhiên đóng góp phần chủ yếu Phơinhiễm do phóng xạ tự nhiên lại gồm có hai thành phần, do chiếu ngoài và dochiếu trong

1.3.1 Phơi nhiễm do chiếu ngoài từ phóng xạ tự nhiên trong đất đá (2, 3)

Các bức xạ ion hóa từ những nhân phóng xạ trong lớp đất bề mặt tạonên phông phóng xạ trên mặt đất và đóng góp chính vào liều chiếu ngoài.Trong ba loại bức xạ alpha, beta, gamma, bức xạ gamma đóng góp lớn nhấtvào phông phóng xạ trên mặt đất do có khả năng xuyên qua lớp đất bề mặtmạnh hơn hai loại bức xạ kia Tuy nhiên, ngay đến bức xạ gamma phát xuất

từ những nhân phóng xạ nằm ở lớp đất sâu hơn 30 cm cũng không đóng gópvào trường phóng xạ trên mặt đất Tia beta xuyên sâu kém hơn nên chỉ nhữngnhân ở lớp đất rất mỏng trên bề mặt mới có tác dụng chiếu xạ ít nhiều Tiaalpha từ các nhân phóng xạ trong đất đá hầu như không đóng góp gì vàophông phóng xạ trên mặt đất, chúng chỉ gây tác dụng khi thâm nhập vào cơthể qua con đường hô hấp và tiêu hóa

Trên phạm vi toàn cầu, đóng góp của phông phóng xạ vào liều chiếungoài gồm có 35% từ 40K, 25% từ những nuclit phát tia γ trong họ 238U (chủyếu là hai đồng vị 214Pb và 214Bi) và 40% từ những nuclit phát tia γ trong họ

232Th (chủ yếu là 208Tl và 228Ac)(2,3) Bức xạ gamma của những đồng vị vừa kểtrên đều thấy rõ trong các mẫu đất phân tích bằng phổ kế gamma dùngdetector Ge siêu tinh khiết

Tại một địa điểm cụ thể nào đó phông phóng xạ phụ thuộc vào hàmlượng các nhân phóng xạ có trong đất đá xung quanh, mà hàm lượng này thayđổi khá mạnh từ vùng này sang vùng khác Thí dụ ở Việt Nam, hai tỉnh TuyênQuang và Yên Bái có hàm lượng radium cao gấp ba lần mức trung bình(42,77 Bq/kg), trong khi đó vùng đất xám miền Đông Nam Bộ như BìnhPhước, Tây Ninh lại rất nghèo phóng xạ, đặc biệt là 40K (và cả tổng kali) vớihàm lượng vài chục lần thấp hơn mức trung bình (411,93 Bq/kg) Cát đen dọc

của thorium trong cát có thể cao hơn mức trung bình hàng chục lần (59,84Bq/kg).

Các bức xạ ion hóa gamma và beta trực tiếp chiếu lên con người từ mặtđất khi ở ngoài trời và từ những vật liệu xây dựng khi ở trong nhà Theo cáckết quả nghiên cứu từ nhiều nước trên thế giới, phông gamma bên trong nhàthường cao hơn ngoài trời đến 20% Thống kê cũng cho thấy trung bình conngười sống trong nhà đến 80% thời gian Cho nên suất liều chiếu ngoài hiệudụng mà con người nhận được chủ yếu là do sinh hoạt trong nhà

Bảng 1 1: Thành phần phông phóng xạ tự nhiên và liều hiệu dụng trung bìnhnăm lên cơ thể sống từ các thành phần phóng xạ tự nhiên trên thế giới

Thành phần phông phóng xạ tự

nhiên

Liều hiệu dụng trungbình hàng năm trên thếgiới (mSv/năm)

Khoảng biếnthiên(mSv/năm)

Tia phóng xạ từ đất (chiếu ngoài) 0,5 0,3 – 0,6

Nhân phóng xạ tự nhiên thâm

nhập vào cơ thể (chiếu trong) 0,3 0,2 – 0,8Tổng cộng chiếu ngoài và chiếu

1.3.2 Phơi nhiễm do chiếu ngoài từ tia vũ trụ (2, 3)

Trên toàn cầu liều hiệu dụng trung bình do tia vũ trụ vào khoảng 0,4mSv/năm (bảng 1.1) Tuy nhiên liều hiệu dụng tăng lên theo độ cao, cụ thể ở

độ cao 15 km có thể lên đến 20 mSv/năm ở vùng xích đạo và từ 50 đến 120mSv/năm ở hai cực tùy theo hoạt động Mặt Trời

1.3.3 Phơi nhiễm do chiếu trong từ các nguồn phóng xạ tự nhiên (2, 3)

Các nhân phóng xạ tự nhiên thâm nhập vào cơ thể theo thức ăn, nướcuống và đường hô hấp Riêng với 40K, đồng vị này còn tồn tại trong các mô

như một thành phần đồng vị của kali với hàm lượng trong cơ thể thay đổi từ 1đến 2,5 g/kg thể trọng, tập trung chủ yếu ở các mô cơ bắp Quy ra hoạt độphóng xạ, người nặng 70 kg có thể xem như một nguồn phóng xạ hoạt độ

4000 Bq 40K còn thâm nhập vào cơ thể qua thửc ăn Hàm lượng 40K trongthực phẩm nằm trong khoảng từ 20 đến 600 Bq.kg-1

Nói chung, liều hiệu dụng trung bình do chiếu trong từ các nhân phóng

xạ có trong đất như 238U, 226Ra, 232Th và 40K là 0,3 mSv/năm (bảng 1.1)

Trong số các nhân phóng xạ tự nhiên, 222Rn đóng góp nhiều nhất vàoliều chiếu trong Liều hiệu dụng chiếu trong trung bình do hít thở các “concháu” 222Rn là 1,2 mSv/năm gấp bốn lần phần đóng góp do tất cả các nhânphóng xạ khác cộng lại (0,3 mSv/năm) (bảng 1.1) 222Rn phân rã α với chu kỳbán phân rã 3,82 ngày, nhưng vì radon là khí trơ nên bản thân radon lại theohơi thở ra ngoài và chỉ gây ra rất ít hậu quả cho cơ thể Gây ra liều chiếu trongchủ yếu là do các con cháu của nó, những đồng vị phát bức xạ gamma với chu

kỳ bán rã ngắn hơn 30 phút như 214Bi, 214Pb Khi radon thoát vào môi trườngkhông khí, radon phân rã thành các sản phẩm sống ngắn gắn kết với sol khí cókích thước micron, từ đó xâm nhập sâu vào phổi theo đường hô hấp và gây raliều chiếu trong Hàm lượng 222Rn và con cháu trong không khí về mùa hè caohơn mùa đông, ban đêm cao hơn ban ngày

1.4 Một số đại lượng đo liều trong an toàn bức xạ (4)

hoàn toàn trong thể tích không khí đó, và dm khối lượng là của thể tíchnguyên tố không khí đó.

X = dQ

dm

(1.2) Đơn vị liều chiếu trong hệ SI là C/kg Đơn vị ngoài hệ SI thường dùng

dm

E

d −

= D

(1.3) Đơn vị liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (ký hiệu là Gy) 1 Gy bằngnăng lượng 1 June truyền cho 1 kg vật chất 1 Gy = 1 J/kg

Đơn vị thường dùng là rad, 1 rad = 100 erg/g = 0,01 Gy

1.4.3 Liều tương đương (4)

Liều hấp thụ tương đương hay liều tương đương H là đại lượng để đánhgiá mức độ nguy hiểm của các loại bức xạ, bằng tích của liều hấp thụ D với

hệ số chất lượng QF (Quality Factor) hay trọng số bức xạ WR đối với các loạibức xạ Trọng số bức xạ WR được đưa trong bảng 1.2

H = D ×WR (1.4) Đơn vị liều tương đương trong hệ SI là Sievert (ký hiệu là Sv) Ta có:

Đơn vị suất liều tương đương trong hệ SI là Sv/s Đơn vị khác

là Sv/h, rem/s hay rem/h Các đơn vị thường dùng trong thực tế µSv/h vàmrem/h với 1 mrem/h =10µSv/h

Phông bức xạ tự nhiên: Là giá trị liều tương đương bức xạ do các bức

xạ vũ trụ và bức xạ của các nhân phóng xạ phân bố một cách tự nhiên trongcác lớp đất đá bề mật trái đất, trong khí quyển, thức ăn, nước uống và trong

cơ thể con người tạo ra

Bảng 1 2: Trọng số bức xạ WR đối với một số loại bức xạ

> 0,1 MeV - 2 MeV 20

Proton Năng lượng cao 5

mô và cơ qua có độ nhạy cảm khác nhau, thể hiện bởi đại lượng gọi là trọng

số mô WT (Tisue Weighting Factor) bảng 1.3 là trọng số mô đối với các bộphận chính trong cơ thể và khi một bức xạ có năng lượng nào đó với trọng sốbức xạ WR, gọi là bức xạ loại R, chiếu vào mô T thì liều hấp thụ tương đươngđối với mô này là:

HT =

∑

R

WR DT,R (1.5)Trong đó: DT,R là liều hấp thụ do bức xạ R chiếu vào mô (T)

Bảng 1 3: Trọng số mô đối với các bộ phận chính trong cơ thể

Tên cơ quan Trọng số mô W T

Định nghĩa liều hiệu dụng: khi bức xạ loại R chiếu vào một số mô

trong cơ thể thì liều hiệu dụng (kí hiệu là E), là tổng các tích số liều tươngđương đối với từng loại mô với trọng số mô tương ứng

∑

T

= E

SI cũng là Sievert (kí hiệu Sv) như đối với liều tương đương

1.5 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất (5, 6)

Giống như các hạt trung hoà về điện, các tia gamma không gây ra sựion hoá trực tiếp Việc ghi nhận chúng chỉ khả dĩ nếu chúng tạo thành trongdetector các hạt tích điện thứ cấp Khi đi qua vật chất, các tia γ bị suy giảmtheo định luật hàm số mũ (hình 1.2)

Hình 1 2: Sự suy giảm của chùm gamma khi đi qua vật chất

0

x e

I =I −µ

(1.7)

trong đó I0 là cường độ γ trong chùm ban đầu, I là cường độ γ đi qualớp vật chất chiều dày x; µ là hệ số suy giảm tuyến tính, đo bằng đơn vị cm-1.Đối với các photon năng lượng 1 MeV, chiều dày lớp chì suy giảm một nửahay chiều dầy lớp chì cần thiết để hãm một nửa các phôtôn bằng 0,95 cm Đốivới không khí, chiều dày lớp suy giảm một nửa bằng khoảng 83 m, còn đốivới nhôm 3,7 cm.

Như vậy, hệ số suy giảm tuyến tính µ liên hệ với tiết diện tán xạ hoặchấp thụ toàn phần σ trên một nguyên tử vật chất bằng biểu thức (1.8) sau:

Đối với hệ số suy giảm toàn phần, có thể viết biểu thức (1.9) sau:

µ= τ + σk + π (1.9)trong đó τ là hộ số hấp thụ quang diện; σk là hộ số tán xạ Compton; π là

hệ số hấp thụ do quá trình tạo cặp

1.5.1 Hiệu ứng quang diện (5, 6)

Hiệu ứng quang điện là hiệu ứng tương tác của lượng tử γ với electronnguyên tử, trong đó năng lượng hv0 của lượng tử γ bị tiêu hao để thắng sự liênkết của electron trong nguyên tử và truyền cho nó một động năng, nghĩa là:

hv0=Elk+Ek (1.10)Trong biểu thức (1.10) trên Elk là năng lượng liên kết của electron trongnguyên tử; Ek là động năng của quang điện tử Sơ đổ mô tả hiệu ứng quangđiện được giới thiệu trên hình 1.3 Trong hiệu ứng quang điện, khi mộtelectron quang điện bị bứt ra ngoài, nó sẽ tạo ra một lỗ trống tại lớp vỏ mà nóbứt ra Lỗ trống này sẽ nhanh chóng được lấp đầy bởi những elcctron tự dotrong môi trường vật chất hoặc sự dịch chuyến của các elcctron ở những lớpngoài của nguyên tử Kèm với sự dịch chuyến của electron giữa hai lớp trongnguyên tử là việc phát ra tia X đặc trưng hay còn gọi là tia X huỳnh quang.Tia X đặc trung này sẽ bị hấp thụ bởi những nguyên tử khác trong vật chấtthông qua hiệu ứng quang điện ở các lóp vỏ có liên kết yếu với nguyên tử, tuynhiên sự góp mặt của nó vẫn có thể ảnh hưởng đến hàm đáp ứng của detector.Ngoài ra, trong một số trường hợp, tia X đặc trưng được hấp thụ bởi electron

ở những lớp ngoài của chính nguyên tử đó Kết quá là electron này sẽ bị bật rakhỏi nguyên tử và được gọi là electron Auger Hai quá trình phát tia X đặctrưng và phát electron Auger cạnh tranh lẫn nhau

Hình 1 3: Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra trên electron tự do vì để thoảmãn định luật bảo toàn xung lượng thì ngoài lượng tử γ và electron ra còn cầnthiết phải có mặt một hạt thứ ba Hạt đó là hạt nhân nguyên tử Electron liênkết với hạt nhân càng mạnh thì xác suất hiệu ứng quang điện trên nó càng lớn,nếu năng lượng của lượng tử γ lớn hơn năng lượng liên kết của electron Đó

là đặc điểm của hiệu ứng quang điện Nó giải thích vì sao tiết diện hiệu ứngquang điện đối với các electron vỏ K luôn luôn lớn hơn so với tiết diện hiệuứng này đối với các electron ở những vỏ cao hơn Nó cũng giải thích vì saotiết diện hấp thụ quang điện các tia γ tăng nhanh theo sự tăng nguyên tử sốcủa chất hấp thụ

1.5.2 Hiệu ứng Compton (5, 6)

Theo sự tăng năng lượng của các tia gamma thì tiết diện của hiệu ứngquang điện giảm và quá trình chủ yếu làm suy giảm chùm lượng tử gammatrở thành quá trình tán xạ Compton Hiệu ứng Compton là hiệu ứng tán xạ củalượng tử gamma trên electron tự do Một phần năng lượng của lượng tửgamma được truyền cho electron giật lùi Trong vùng năng lượng, nơi phầnchủ yếu của hệ số suy giảm µ được gây ra bời quá trình này, đó là vùng giữa0,5 và 5MeV đối với chì và giữa 0,05 và 15MeV đối vói nhôm, năng lượngcủa bức xạ tới trở nên lớn hơn so với năng lượng liên kết của electron trongnguyên tử Hệ số tán xạ Compton σk tỷ lệ với nguyên tử số Z

Hình 1 4: Tán xạ ComptonNhư vậy có thể mô tả tán xạ của lượng tử γ trên electron năng lượng đủlớn như một quá trình va chạm của hai hạt Sơ đó quá trình tán xạ Comptonđược biểu diễn trên hình 1.4 Lượng tử γ tới với năng lượng hv0 bị tán xạ trênelectron tại điểm A Lượng tử γ bị tán xạ với năng lượng hv bay ra dưới góctán xạ θ so với phương chuyển động ban đầu của lượng tử tới, còn electrongiật lùi thì bay ra dưới góc giật lùi φ và năng lượng T Từ các định luật bảotoàn năng lượng và xung lượng suy ra rằng, với hv0 cho trước thì giữa các góc

θ và φ có mối liên hệ đơn trị, còn năng lượng của lượng tử bị tán xạ E’γ= hv

và năng lượng của electron giạt lùi T thì hoàn toàn được xác định bằng cácđại lượng θ, φ, hv0 đã cho Ta có những biểu thức chủ yếu sau:

Đối với năng lượng của lượng tử γ bị tán xạ:

( )

0 2 0

1

1 cos

hv hv

2 0

cos 1

Còn hệ thức giữa các góc φ và θ thì được xác định bằng:

0 2

0 đến giá trị cực tiểu khi θ = 180°:

0 min

0 2 0

2 1

hv hv

hv

m c

= +

(1.14)Khi hv0 >> m0c2 thì năng lượng của lượng tử γ bị tán xạ dưới góc θ = 180° sẽ rất gần với đại lượng m0c2 = 0,25MeV

Các electron giạt lùi xuất hiện phân bố theo góc từ 0 đến 90o Khi lượng

tử γ bị tán xạ trên một góc nhỏ, năng lượng của nó hầu như không thay đổi còn electron thì bay ra với năng lượng nhỏ dưới góc gần bằng 90° Nếu lượng

tử γ bị tán xạ một góc 180° thì electron bay ra theo hướng về phía trước vớiđộng năng cực đại Tmax= Emax:

0 0 max 0 min 0

0 0

Ek = hv0 – 2m0c2 (1.16)Năng lượng cực tiểu của lượng tử γ cần thiết để thực hiện quá trình tạocặp bằng 1,022 MeV.

Hình 1 5: Hiệu ứng tạo cặp

Để thoả mãn các định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng thì quátrình tạo cặp phải diễn ra trong sự có mặt của một hạt thứ ba là hạt nhân hayđiện tử Trong trường hợp này, xung lượng của lượng tử γ được phân bố giữacác hạt của cặp và hạt thứ ba Tiết diện tạo cặp trong trường Coulomb tỷ lệvới bình phương nguyên tử số Z2 của vật chất và tăng lên theo sự tăng nănglượng của các tia γ

Hình 1.6 thì giới thiệu vùng năng lượng mà một trong ba hiệu ứngquang điện, Compton hay tạo cặp đóng vai trò quan trọng, phụ thuộc vào điệntích z của chất hấp thụ

Hình 1 6: Độ quan trọng tương đối của ba hiệu ứng phụ thuộc vào năng

lượng và điện tích z của chất hấp thụ

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các nhân phóng xạ trong đất, đá và suất liềugamma ở độ cao 1 mét so với mặt đất

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu là nghiên cứu được thực hiện tại các huyện trênđịa bàn thành phố Hà Nội được mở rộng (bao gồm tỉnh Hà Tây cũ, và huyện

Mê Linh của tỉnh Vĩnh Phúc)

Phạm vi nghiên cứu là hoạt độ của các nhân phóng xạ trong đất và suấtliều gamma môi trường

2.2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu việc sử dụng phổ kế gamma hiện trường sử dụng detector

NaI(Tl) hình trụ kích thước 3”Φ×3” để xác định các nhân phóng xạ trong môi

trường đất tại thực địa và đánh giá liều chiếu đối với con người do các nhânphóng xạ gây ra và khả năng ảnh hưởng của chúng

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là sử dụng phổ kế gamma hiện trường để xácđịnh hoạt độ của các nhân phóng xạ tự nhiên trong đất và suất liều gamma ở

độ cao 1 mét so với mặt đất Kết quả của phương pháp phổ kế gamma hiệntrường sẽ được so sánh với phương pháp lấy mẫu và phân tích trong phòng thínghiệm Phương pháp nghiên cứu được thể hiện tổng quát trên hình 2.1

Hình 2 1: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu

2.4 Phương pháp đo gamma hiện trường

Hiện nay trên thế giới đã phát triển nhiều phương pháp đo gamma môitrường khác nhau, nhưng có hai phương pháp được dùng phổ biến, thứ nhất làphương pháp diện tích đỉnh được phát triển bởi Beck và các đồng nghiệpthuộc phòng thí nghiệm đo môi trường Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (EML),phương pháp thứ hai là phương pháp hàm G(E) được phát triển bởi Moriuchi

và Miyanaga thuộc Viện Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử Nhật bản(JAERI)

2.4.1 Thiết bị sử dụng

a) Hệ phổ kế gamma hiện trường

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phổ kế gamma hiện trường

với detector nhấp nháy NaI(Tl) hình trụ kích thước 3”Φ×3”, độ phân giải

năng lượng 8% ở đỉnh 662 KeV của 137Cs để xác định hoạt độ của các đồng vị

phóng xạ tại 42 vị trí ngoài thực địa Phổ kế gồm: Bộ phân tích đa kênh xáchtay DART của hãng ORTEC và máy tính xách tay đã được cài đặt phần mềmghi nhận phổ ORTEC MASTRO 32

Detetor được đặt trên giá đỡ 3 chân, đầu đo hướng xuống dưới và cáchmặt đất 1 m Detector được kết nối với bộ phân tích đa kênh DART thông quacáp nối dài 10 m (hình 2.2) Mỗi phép đo được tiến hành trong khoảng thờigian 30 phút Vị trí đo được chọn là bãi đất bằng phẳng có bán kính ít nhất là

10 m tính từ vị trí đặt detector và không bị che chắn bởi các công trình xâydựng hoặc các tòa nhà, đất ổn định không bị xáo trộn(7, 8, 9) Các phép đo được

thực hiện ít nhất 24 giờ sau mưa để tránh sự ảnh hưởng của Radon và concháu của Radon(11) Hình 2.3 thể hiện phổ gamma hiện trường tiêu biểu

Hình 2 3: Phổ gamma hiện trường

b) Thiết bị đo liều sách tay TCS-171

Máy đo liều sách tay TCS-171 (hình 2.4) do hãng ALOKA – Nhật Bảnsản xuất sử dụng đầu đo là detector nhấp nháy NaI(Tl) hình trụ có kích thước

1”Φ×1” Máy đo liều sách tay TCS-171 dùng cho đo suất liều gamma với

khoảng đo từ mức phông môi trường đến 30 µGy/h hoặc 30 µSv/h với sai số

± 15 %, năng lượng tia gamma từ 50 KeV đến 3 MeV

2.4.2 Phương pháp hàm G(E)

Viện Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử Nhật bản (JAERI), sử dụngphương pháp được gọi là ‘phương pháp hàm G(E)’ đánh giá chính xác suấtliều gamma bằng việc áp dụng hàm chuyển đổi phổ - liều G(E) từ chiều caoxung phổ cho thông tin về năng lượng tia gamma Trong những năm gần đâymột số dụng cụ đo suất liều thiên về loại này đang được sử dụng quan trắcphóng xạ môi trường xung quanh cơ sở hạt nhân tại Nhật Bản(16)

Phương pháp hàm G(E) được phát triển bởi Moriuchi và Miyanaga năm

1966 Công thức chuyển đổi từ phổ thành liều được biểu diện bằng phươngtrình 2.1 dưới đây

max min

2.1

E E

D=∫ N E G E dE

ở đây:

D: suất liều, nGy/h

E: năng lượng tia gamma

Emin: năng lương thấp nhất, 30-50 keV

Emax: năng lượng cao nhất, 3 MeV

N(E): Số đếm, cpm

G(E): hệ số chuyển đổi từ phổ thành liều

Phương trình 2.1 cho suất liều do các tia gamma từ 0 đến 3 MeV.Phương pháp này được áp dụng cho bất kỳ một detector nào mà độ cao xungcủa nó tương ứng với một năng lượng photon

Trong trường hợp của detector nhấp nháy NaI(Tl), chỉ có hình dạng vàkích thước của tinh thể và vỏ bọc của nó là yếu tố quan trọng cho phản ứng

toán, nó được áp dụng cho bất kỳ một đầu dò NaI(Tl) cùng loại Hình 2.5 bên

dưới thể hiện hàm G(E) cho NaI(Tl) kích thước 3”Φ×3”(13, 14)

Hình 2 5: Hàm G(E) của detector NaI(Tl) kích thước 3”Φ×3”.

Phương pháp này cũng được áp dụng cho các đầu dò HPGe Kết hợpvới độ phân giải tốt của một đầu dò HPGe, nó có thể cung cấp nhiều thông tinhữu ích về một trường bức xạ môi trường Tuy nhiên, các phản ứng tiêu biểucủa đầu dò HPGe là hoàn toàn thay đổi Vì vậy, hàm G(E) cho đầu dò HPGecũng sẽ khác biệt

Trong luận văn phương pháp hàm G(E) áp dụng detector nhấp nháy

NaI(Tl) hình trụ kích thước 3”Φ×3” Vì detector nhấp nháy có hình dạng và

kích thước theo chuẩn nhất định nên hàm G(E) có thể áp dụng cho bất kỳdetector cùng loại

Hàm G(E) có thể được xác định thông qua công thức 2.2 sau:

G(E) =

1 max

1

10 ( ) log ).

E K

A

(2.2)Trong đó:

Kmax: số bậc của đa thức

A(K): Hệ số sẽ được xác định theo K

E: Năng lượng với đơn vị là keV

M: là số nguyên sẽ được xác định theo loại detector

Với tinh thể NaI(Tl) hình trụ có kích thước 3”Φ×3” (~ 7,5 Φ cm x 7,5

cm) thì G(E) được xác định là:

3 1 16

10 1

Bảng 2 1: Các hệ số của hàm G(E)

A(K) Kmax = 16 , M = 3A(1) 4,64477815247405E+01A(2) -7,53203814696923E+01A(3) -2,36700398424334E+01A(4) 1,339726067839E+02A(5) -1,16280743420306E+02A(6) 3,84485329157389E+01A(7) 2,12501935804907E+00A(8) -6,65937345076593E+00A(9) 3,71066321302705E+00A(10) -1,7656007605987E+00A(11) 6,24042285459345E-01A(12) -1,13338184851737E-01A(13) -1,20970045012894E-03A(14) 4,45227287510050E-03A(15) -7,38983489630166E-04A(16) 4,04368068727083E-05

2.4.3 Phương pháp diện tích đỉnh

Hoạt độ và suất liều của các đồng vị phóng xạ được tính toán từ điệntích của các đỉnh phổ gamma tương ứng ghi nhận được Theo Beck và cáccộng sự(7, 8) mối liên hệ giữa diện tích đỉnh phổ, hoạt độ và suất liều được biểudiễn theo phương trình 1 và 2

Tốc độ đếm quang đỉnh trên 1 đơn vị hoạt độ:

0 0

Tốc độ đếm quang đỉnh trên 1 đơn vị suất liều:

0 0

(2.5)Trong đó:

: Tỷ số giữa số đếm quang đỉnh trong phổ (cps) và hoạt độ của mẫu đo(Bq.kg−1),

2.5 Phương pháp đo gamma trong phòng thí nghiệm

2.5.1 Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe

Cùng với việc đo phổ gamma hiện trường, các mẫu đất tại vị trí đã đocũng được thu thập để phân tích trong phòng thí nghiệm Mẫu đất được lấy ở

độ sâu từ 0 đến 10 cm bằng dụng cụ lấy mẫu có đường kính bên trong là 5,5

cm ở ba vị trí với bán kính 5 m từ vị trí đo phổ gamma(12) Mẫu đất được loại

bỏ cỏ, xấy đến khô ở 1050C và rây (lỗ trên rây có đường kính 1 mm) để loại

bỏ sỏi và đá Mẫu đất sau khi xử lý được đóng kín trong hộp đo bằng nhựa,bảo quản ở nhiệt độ phòng 40 ngày trước khi đo(12) Hoạt độ của 238U, 232Th và

40K trong các mẫu đất được phân tích trên phổ gamma phông thấp sử dụngdetector HPGe của hãng ORTEC có độ phân giải năng lượng là 2,0 keV ởnăng lượng 1332 keV gamma từ 60Co và hiệu suất ghi tương đối là 35% Hệdetector và buồng chì thể hiện ở hình 2.6

Hình 2 6: Hệ detector HPGe và buồng chì

2.5.2 Tính suất liều từ hoạt độ của mẫu đất

Theo ICRU 1994(9) và UNSCEAR 2000(17) suất liều bức xạ gammatrong không khí ở độ cao 1m so với mặt đất sẽ được tính từ hoạt độ của cácđồng vị phóng xạ 40K, 238U, 232Th thông qua phương trình 2.6

D = 0,0417 AK + 0,462 AU + 0,604 ATh (2.6)Trong đó:

D: Suất liều hấp thụ của bức xạ gamma trong không khí, nGy/h,

AK: Hoạt độ phóng xạ của 40K, Bq/kg,

AU: Hoạt độ phóng xạ của 238U, Bq/kg,

ATh: Hoạt độ phóng xạ của 232Th, Bq/kg