Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần Hà Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường Hà Nội tỷ lệ 1.100.000 (luận văn thạc sĩ)

Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần Hà Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường Hà Nội tỷ lệ 1100.000 (luận văn thạc sĩ)Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần Hà Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường Hà Nội tỷ lệ 1100.000 (luận văn thạc sĩ)Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần Hà Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường Hà Nội tỷ lệ 1100.000 (luận văn thạc sĩ)Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần Hà Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường Hà Nội tỷ lệ 1100.000 (luận văn thạc sĩ)Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần Hà Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường Hà Nội tỷ lệ 1100.000 (luận văn thạc sĩ)Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần Hà Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường Hà Nội tỷ lệ 1100.000 (luận văn thạc sĩ)Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần Hà Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường Hà Nội tỷ lệ 1100.000 (luận văn thạc sĩ)Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần Hà Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường Hà Nội tỷ lệ 1100.000 (luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

***************

Dương Đức Thắng

THIẾT LẬP CƠ SỞ DỮ LIỆU PHÔNG PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI (PHẦN HÀ NỘI MỞ RỘNG) VÀ HOÀN THIỆN BẢN ĐỒ KỸ THUẬT SỐ VỀ PHÔNG PHÓNG XẠ MÔI

TRƯỜNG HÀ NỘI TỶ LỆ : 1:100.000

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2015

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH VẼ Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆUError! Bookmark not defined. MỞ ĐẦU 5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN 7

1.1 Phóng xạ trong đất đá(2, 3) 7

1.1.1 Các họ phóng xạ(2, 3) 7

1.1.2 Cân bằng và mất cân bằng phóng xạ(2, 3) 9

1.2 Phóng xạ do tia vũ trụ(2, 3) 10

1.3 Phơi nhiễm do phóng xạ tự nhiên(2, 3) 11

1.3.1 Phơi nhiễm do chiếu ngoài từ phóng xạ tự nhiên trong đất đá(2, 3) 12 1.3.2 Phơi nhiễm do chiếu ngoài từ tia vũ trụ(2, 3) 13

1.3.3 Phơi nhiễm do chiếu trong từ các nguồn phóng xạ tự nhiên(2, 3) 13

1.4 Một số đại lượng đo liều trong an toàn bức xạ(4) 14

1.4.1 Liều chiếu(4) 14

1.4.2 Liều hấp thụ(4) 15

1.4.3 Liều tương đương(4) 15

1.4.4 Liều hiệu dụng(4) 17

1.5 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất(5, 6) 18

1.5.1 Hiệu ứng quang diện(5, 6) 19

1.5.2 Hiệu ứng Compton(5, 6) 21

1.5.3 Hiệu ứng tạo cặp(5, 6) 23

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 25

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 25

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 25

2.2 Mục đích nghiên cứu 25

2.3 Phương pháp nghiên cứu 25

2.4 Phương pháp đo gamma hiện trường 26

2.4.1 Thiết bị sử dụng 26

2.4.2 Phương pháp hàm G(E) 29

2.4.3 Phương pháp diện tích đỉnh 32

2.5 Phương pháp đo gamma trong phòng thí nghiệm 33

2.5.1 Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe 33

2.5.2 Tính suất liều từ hoạt độ của mẫu đất 34

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Xác định các hệ số chuyển đổi cho detector NaI(Tl) 35

3.2 Kết quả đo gamma hiện trường 40

3.2.1 Kết quả đo gamma hiện trường sử dụng phương pháp hàm G(E) 40 3.2.2 Kết quả đo gamma hiện trường sử dụng phương pháp diện tích đỉnh 43

3.3 So sánh phương pháp phổ gamma hiện trường và phòng thí nghiệm 45 3.3.1 So sánh hoạt độ phóng xạ 46

3.3.2 So sánh suất liều hấp thụ của bức xạ gamma 49

3.3 Đánh giá suất liều 51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

Phụ lục 1: Hoạt độ riêng của các nhân phóng xạ tính bằng phương pháp

diện tích đỉnh Error! Bookmark not defined.

Phụ lục 2: Hoạt độ riêng của các nhân phóng xạ phân tích trong phòng thí

nghiệm Error! Bookmark not defined Phụ lục 3: Suất liều gamma môi trường (nGy/h) Error! Bookmark not defined.

Phụ Lục 4: Suất liều tính theo phương pháp hàm G(E) Error! Bookmark not defined.

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 phóng thí 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 để đánh 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 trường cũng là phương pháp hiệu quả để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong 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 xạ trong 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 chưa được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam Với hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp 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 quan trắc phóng xạ môi trường, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định liều chiếu dân chúng do phóng xạ tự nhiên ở khu vực hà nội (phần Hà Nội mở rộng)” 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 ảnh hưởng 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 và nguồn gốc của phóng xạ tự nhiên trong môi trường

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương này tập chung vào cơ sở lý thuyết và xây dựng hai phương pháp đo phổ gamma hiện trường 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 đo hoạt độ phóng xạ và suất liều gamma môi trường của phương pháp phổ kế gamma hiện trường với phương pháp lấy mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm 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, trong quá 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 trong mỗi 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 rất bé) 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

1600 năm, hàng triệu lần ngắn hơn so với 238U nên hàm lượng 226Ra trong đất

đá cũng thấp hơn hàng triệu lần 238U Tuy nhiên, hoạt độ riêng tính trên đơn vị khối lượng lại cao hơn hàng triệu lần Hai ông bà Curie phải miệt mài nghiền đập, 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 bình 2,6%, lớn hơn nhiều so với thorium (7,2 ppm) và uranium (1,8 ppm) Nhưng kali chỉ chứa 0,01% đồng vị 40K và tỷ lệ này ổn định trong mọi môi trường vì đồng 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, trong lớp đất bề mặt hàm lượng thường cao hơn do U dễ bị hấp thụ bởi các phần tử sét 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 “con cháu” 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, hàm lượng dao động từ vài phần trăm ppm trong các đá ultrabasic đến hàng chục ppm trong granite Còn ở các dị thường và quặng phóng xạ, hàm lượng U thường lên đến hàng nghìn hoặc hàng vạn ppm

Hàm lượng trung bình của 232Th trong vỏ Trái Đất là 7,2 ppm Nhưng hàm lượng biến đổi theo loại khoáng vật, từ 3 đến 50 ppm trong granite và permatic xuống còn từ 1 đến 3 ppm trong basalt và các đá basic 232Th thường xuất hiện trong các khoáng zircon, ở đó 232Th thay thế những vị trí cùa Zr trong 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 xạ đều ngắn hơn rất nhiều so với đồng vị mẹ và cũng rất ngắn so với thời gian tồn tại của Trái Đất nên về lý thuyết, có thể xảy ra cân bằng thế kỷ giữa các đồng vị thành viên trong họ Khi đó hoạt độ phóng xạ Ai của bất cứ thành viên i nào cũng đều như nhau và bằng hoạt độ phóng xạ của đồng vị mẹ Ai

như 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 cân bằng thế kỷ khi một thành viên nào đó bị tách ra khỏi chuỗi phóng xạ, hoặc được 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 đặc điểm nguyên tố và đồng vị của các thành viên trong chuỗi

Do thuộc những nguyên tố khác nhau, những thành viên trong chuỗi có thể có tính chất khác nhau trong môi trường Thí dụ uranium có độ linh động trong 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

dễ hòa 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 nước ngầm được các khoáng vật hấp phụ với mức độ khác nhau cũng gây ra mất cân bằng phóng xạ Radon là khí trơ nên rất dễ thoát ra khỏi đất đá Sau khi thoát vào không khí, các “con cháu” của Radon gắn kết vào bụi khí và theo đường hô hấp xâm nhập vào cơ thể và trở thành nguồn chiếu trong chủ yếu đối với con người

Hai đồng vị cùng nguyên tố cũng có thể mất cân bằng phóng xạ như trường 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 giàu hơn trong nước ngầm và nghèo đi trong khoáng vật so với 238U Hạt nhân giật lùi trong phân rã alpha cũng có thể tạo nên những đường vết sai hỏng trong tinh thể, qua đó các nguyên tử dễ bị chiết ra nước ngầm làm mất cân bằng phóng 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 hình thành do các tia vũ trụ phản ứng với vật chất trong khí quyển Tia vũ trụ sơ cấp 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 đổi theo thời gian và đẳng hướng Thành phần chính của chúng là proton năng lượng cao đến 30 GeV, chiếm đến 85%, sau đó (10%) là hạt nhân của những nguyên 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 và hình 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

bị phân rã β- biến thành proton với chu kỳ bán rã khoảng 15 phút Trong 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 ra phản ứng hạt nhân với các nguyên tử và phân tử trong không khí tạo nên những 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 đạo các hạt tích điện trong tia vũ trụ làm cho chúng bật trở lại hoặc lượn vòng quanh trước khi đâm vào khí quyển Theo đường sức của từ trường các hạt tích 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 phơi nhiễm 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 năng lượng cao rất hiệu quả, nhờ đó đã giảm thiểu đáng kể tác hại đối với con người sống trên mặt đất Càng lên cao phơi nhiễm do tia vũ trụ càng lớn do bề dày của lớp không khí che chắn càng giảm Trên đỉnh Everest cao 8 850 m so với mặt biển, phơi nhiễm do tia vũ trụ tăng lên 20 lần so với độ cao ngang mặt 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 xạ trong tự nhiên hoặc có nguồn gốc nhân tạo Nói chung đối với dân chúng trên toàn cầu, phơi nhiễm do phóng xạ tự nhiên đóng góp phần chủ yếu Phơi nhiễm do phóng xạ tự nhiên lại gồm có hai thành phần, do chiếu ngoài và do chiếu 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 tạo nên 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 nhất vào phông phóng xạ trên mặt đất do có khả năng xuyên qua lớp đất bề mặt mạnh 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 góp vào trường phóng xạ trên mặt đất Tia beta xuyên sâu kém hơn nên chỉ những nhân ở lớp đất rất mỏng trên bề mặt mới có tác dụng chiếu xạ ít nhiều Tia alpha từ các nhân phóng xạ trong đất đá hầu như không đóng góp gì vào phông phóng xạ trên mặt đất, chúng chỉ gây tác dụng khi thâm nhập vào cơ thể qua con đường hô hấp và tiêu hóa

Trên phạm vi toàn cầu, đóng góp của phông phóng xạ vào liều chiếu ngoài gồm có 35% từ 40K, 25% từ những nuclit phát tia γ trong họ 238U (chủ yếu 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 kể trên đều thấy rõ trong các mẫu đất phân tích bằng phổ kế gamma dùng detector Ge siêu tinh khiết

Tại một địa điểm cụ thể nào đó phông phóng xạ phụ thuộc vào hàm lượng các nhân phóng xạ có trong đất đá xung quanh, mà hàm lượng này thay đổi khá mạnh từ vùng này sang vùng khác Thí dụ ở Việt Nam, hai tỉnh Tuyên Quang 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 Bình Phước, Tây Ninh lại rất nghèo phóng xạ, đặc biệt là 40K (và cả tổng kali) với hàm lượng vài chục lần thấp hơn mức trung bình (411,93 Bq/kg) Cát đen dọc theo ven biển miền Trung chứa khoáng monazite, nên hoạt độ phóng xạ riêng

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

Các bức xạ ion hóa gamma và beta trực tiếp chiếu lên con người từ mặt đất khi ở ngoài trời và từ những vật liệu xây dựng khi ở trong nhà Theo các kết quả nghiên cứu từ nhiều nước trên thế giới, phông gamma bên trong nhà thường cao hơn ngoài trời đến 20% Thống kê cũng cho thấy trung bình con người sống trong nhà đến 80% thời gian Cho nên suất liều chiếu ngoài hiệu dụng 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 bình năm 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 trung bình hàng năm trên thế giới (mSv/năm)

Khoảng biến thiên (mSv/năm)

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

Nhân phóng xạ tự nhiên thâm

Tổng 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 0,4 mSv/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 120 mSv/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, nước uống 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 1 đến 2,5 g/kg thể trọng, tập trung chủ yếu ở các mô cơ bắp Quy ra hoạt độ phóng 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 trong thực 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 vào liều chiếu trong Liều hiệu dụng chiếu trong trung bình do hít thở các “con cháu” 222Rn là 1,2 mSv/năm gấp bốn lần phần đóng góp do tất cả các nhân phóng xạ khác cộng lại (0,3 mSv/năm) (bảng 1.1) 222Rn phân rã α với chu kỳ bán phân rã 3,82 ngày, nhưng vì radon là khí trơ nên bản thân radon lại theo hơi thở ra ngoài và chỉ gây ra rất ít hậu quả cho cơ thể Gây ra liều chiếu trong chủ 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 trường không khí, radon phân rã thành các sản phẩm sống ngắn gắn kết với sol khí có kích thước micron, từ đó xâm nhập sâu vào phổi theo đường hô hấp và gây ra liều chiếu trong Hàm lượng 222Rn và con cháu trong không khí về mùa hè cao hơn 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 tích nguyên tố không khí đó

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

dm

E d

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

Suất liều hấp thụ D. là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian D. =

dt

Đơn vị suất liều hấp thụ trong hệ SI là Gy/s Đơn vị khác là rad/s hay rad/h

1.4.3 Liều tương đương (4)

Liều hấp thụ tương đương hay liều tương đương H là đại lượng để đánh giá 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 loại bức 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:

dH 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 và mrem/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 trong các 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

1.4.4 Liều hiệu dụng (4)

Khi định nghĩa liều tương đương chúng ta đã coi tất cả các mô sinh học hay cơ quan trong cơ thể có cùng một độ nhạy cảm bức xạ Trên thực tế các

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 bộ phận chính trong cơ thể và khi một bức xạ có năng lượng nào đó với trọng số bức xạ WR, gọi là bức xạ loại R, chiếu vào mô T thì liều hấp thụ tương đương đối 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 tương đương đối với từng loại mô với trọng số mô tương ứng

Đơn vị đo liều hiệu dụng trong hệ SI: đơn vị đo liều hiệu dụng trong hệ

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 sự ion hoá trực tiếp Việc ghi nhận chúng chỉ khả dĩ nếu chúng tạo thành trong detector các hạt tích điện thứ cấp Khi đi qua vật chất, các tia γ bị suy giảm theo 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  (1.7) trong đó I0 là cường độ γ trong chùm ban đầu, I là cường độ γ đi qua lớp 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 nửa hay chiều dầy lớp chì cần thiết để hãm một nửa các phôtôn bằng 0,95 cm Đối

với không khí, chiều dày lớp suy giảm một nửa bằng khoảng 83 m, còn đối với nhôm 3,7 cm

Như vậy, hệ số suy giảm tuyến tính µ liên hệ với tiết diện tán xạ hoặc hấp 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:

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 electron nguyên tử, trong đó năng lượng hv0 của lượng tử γ bị tiêu hao để thắng sự liên kết 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 trong nguyên tử; Ek là động năng của quang điện tử Sơ đổ mô tả hiệu ứng quang điện được giới thiệu trên hình 1.3 Trong hiệu ứng quang điện, khi một

electron quang điện bị bứt ra ngoài, nó sẽ tạo ra một lỗ trống tại lớp vỏ mà nó bứt ra Lỗ trống này sẽ nhanh chóng được lấp đầy bởi những elcctron tự do trong môi trường vật chất hoặc sự dịch chuyến của các elcctron ở những lớp ngoài của nguyên tử Kèm với sự dịch chuyến của electron giữa hai lớp trong nguyên 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 chất thông qua hiệu ứng quang điện ở các lóp vỏ có liên kết yếu với nguyên tử, tuy nhiên 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 ra khỏi nguyên tử và được gọi là electron Auger Hai quá trình phát tia X đặc trưng 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 thoả mãn định luật bảo toàn xung lượng thì ngoài lượng tử γ và electron ra còn cần thiết phải có mặt một hạt thứ ba Hạt đó là hạt nhân nguyên tử Electron liên kết 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 ứng quang điện đối với các electron vỏ K luôn luôn lớn hơn so với tiết diện hiệu ứng này đối với các electron ở những vỏ cao hơn Nó cũng giải thích vì sao tiết diện hấp thụ quang điện các tia γ tăng nhanh theo sự tăng nguyên tử số của 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 ứng quang điện giảm và quá trình chủ yếu làm suy giảm chùm lượng tử gamma trở thành quá trình tán xạ Compton Hiệu ứng Compton là hiệu ứng tán xạ của lượng tử gamma trên electron tự do Một phần năng lượng của lượng tử gamma được truyền cho electron giật lùi Trong vùng năng lượng, nơi phần chủ yếu của hệ số suy giảm µ được gây ra bời quá trình này, đó là vùng giữa

0,5 và 5MeV đối với chì và giữa 0,05 và 15MeV đối vói nhôm, năng lượng

của bức xạ tới trở nên lớn hơn so với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Hệ số tán xạ Compton σk tỷ lệ với nguyên tử số Z

Hình 1 4: Tán xạ Compton Như vậy có thể mô tả tán xạ của lượng tử γ trên electron năng lượng đủ lớn như một quá trình va chạm của hai hạt Sơ đó quá trình tán xạ Compton được biểu diễn trên hình 1.4 Lượng tử γ tới với năng lượng hv0 bị tán xạ trên

electron tại điểm A Lượng tử γ bị tán xạ với năng lượng hv bay ra dưới góc tán xạ θ so với phương chuyển động ban đầu của lượng tử tới, còn electron giật lùi thì bay ra dưới góc giật lùi φ và năng lượng T Từ các định luật bảo toàn 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 các đại 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

1

cos 1

0 2 0

2 1

hv hv

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 với động 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 tạo cặp 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 quá trình tạo cặp phải diễn ra trong sự có mặt của một hạt thứ ba là hạt nhân hay điện tử Trong trường hợp này, xung lượng của lượng tử γ được phân bố giữa

các hạt của cặp và hạt thứ ba Tiết diện tạo cặp trong trường Coulomb tỷ lệ với bình phương nguyên tử số Z2 của vật chất và tăng lên theo sự tăng năng lượng của các tia γ

Hình 1.6 thì giới thiệu vùng năng lượng mà một trong ba hiệu ứng quang điện, Compton hay tạo cặp đóng vai trò quan trọng, phụ thuộc vào điện tích 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 liều gamma 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 trên địa 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 suất liều 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 nhân phóng 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 xác định 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 hiện trường sẽ được so sánh với phương pháp lấy mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm 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 môi trường khác nhau, nhưng có hai phương pháp được dùng phổ biến, thứ nhất là phương pháp diện tích đỉnh được phát triển bởi Beck và các đồng nghiệp thuộc 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 xách tay DART của hãng ORTEC và máy tính xách tay đã được cài đặt phần mềm ghi nhận phổ ORTEC MASTRO 32

Detetor được đặt trên giá đỡ 3 chân, đầu đo hướng xuống dưới và cách mặt đất 1 m Detector được kết nối với bộ phân tích đa kênh DART thông qua cáp nối dài 10 m (hình 2.2) Mỗi phép đo được tiến hành trong khoảng thời gian 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 xây dựng 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 con cháu của Radon(11) Hình 2.3 thể hiện phổ gamma hiện trường tiêu biểu

Hình 2 2: Hệ phổ kế gamma hiện trường

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 Bản sản 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

Hình 2 4: Máy đo liều sách tay TCS-171

2.4.2 Phương pháp hàm G(E)

Viện Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử Nhật bản (JAERI), sử dụng phương pháp được gọi là ‘phương pháp hàm G(E)’ đánh giá chính xác suất liều gamma bằng việc áp dụng hàm chuyển đổi phổ - liều G(E) từ chiều cao xung phổ cho thông tin về năng lượng tia gamma Trong những năm gần đây một số dụng cụ đo suất liều thiên về loại này đang được sử dụng quan trắc phóng 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 phương trình 2.1 dưới đây

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 xung của nó tương ứng với một năng lượng photon

Trong trường hợp của detector nhấp nháy NaI(Tl), chỉ có hình dạng và kích thước của tinh thể và vỏ bọc của nó là yếu tố quan trọng cho phản ứng của nó và hàm G(E) Vì vậy, một hàm G(E) cho đầu dò NaI(Tl) được tính