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

Ph ng pháp đo gamma trong phòng thí nghi m .... So sánh ph ng pháp ph gamma hi n tr ng và phòng thí nghi m... Do thuộc nh ng nguyên t khác nhau, nh ng thành viên trong chuỗi có thể có tí

L I C M N

Để hoàn thành lu n văn nƠy, em xin bƠy t lòng bi t n sơu s c nh t

đ n th y TS Tr nh Văn Giáp đư t n tình h ng d n, ch d y vƠ giúp đ em

trong su t quá trình th c hi n lu n văn

Xin chân thành c m n KS Nguy n Quang Long ậ Vi n Khoa Học và

Kỹ Thu t H t σhơn đư ch d y, t o đi u ki n và cho phép s d ng s li u c a

đ tài: ắThi t l p c s d li u phông phóng x môi tr ng Hà Nội (ph n Hà

Nội m rộng) và hoàn thi n b n đ kỹ thu t s v phông phóng x môi tr ng

Hà Nội tỷ l : 1:100.000”

Em xin g i l i c m n chơn thƠnh đ n các cán bộ Trung Tâm Quan

Tr c Phóng X vƠ Đánh Giá Tác Động Môi Tr ng ậ Vi n Khoa Học và

Kỹ Thu t H t Nhân ậ Vi n σăng L ng Nguyên T Vi t Nam đư giúp đ

và t o đi u ki n t t nh t, giúp em hoàn thành lu n văn nƠy

Em xin chân thành c m n các th y, cô trong Khoa V t Lý tr ng Đ i

học Khoa học T nhiên đư t n tình truy n đ t ki n th c trong su t β năm học

vừa qua V i v n ki n th c mƠ em đ c ti p thu trong quá trình học t p s lƠ hƠnh trang quỦ báu để em có thể hoƠn thƠnh t t công vi c sau nƠy

Cu i cùng em xin g i l i c m n đ n gia đình, ng i thơn vƠ b n bè,

nh ng ng i đư luôn động viên, giúp đ , t o mọi đi u ki n v v t ch t vƠ tinh

th n cho em trong su t th i gian học t p vƠ lƠm lu n văn

HƠ σội, ngƠy tháng năm β015

Học viên

D ng Đ c Th ng

M C L C

L I C M σ i

DANH M C B NG iv

DANH M C HÌNH V vi

DANH M C CÁC CH VI T T T, KÝ HI U viii

M Đ U 1

Ch ng 1: T NG QUAN V PHÓNG X T NHIÊN 3

1.1 Phóng x trong đ t đá(2, 3) 3

1.1.1 Các họ phóng x (2, 3) 3

1.1.2 Cân bằng và m t cân bằng phóng x (2, 3) 5

1.2 Phóng x do tia vũ tr (2, 3) 6

1.γ Ph i nhi m do phóng x t nhiên(2, 3) 7

1.γ.1 Ph i nhi m do chi u ngoài từ phóng x t nhiên trong đ t đá(2, 3) 8 1.γ.β Ph i nhi m do chi u ngoài từ tia vũ tr (2, 3) 9

1.γ.γ Ph i nhi m do chi u trong từ các ngu n phóng x t nhiên(2, 3) 9

1.4 Một s đ i l ng đo li u trong an toàn b c x (4) 10

1.4.1 Li u chi u(4) 10

1.4.2 Li u h p th (4) 11

1.4.3 Li u t ng đ ng(4) 11

1.4.4 Li u hi u d ng(4) 13

1.5 T ng tác c a b c x gamma v i v t ch t(5, 6) 14

1.5.1 Hi u ng quang di n(5, 6) 15

1.5.2 Hi u ng Compton(5, 6) 17

1.5.3 Hi u ng t o cặp(5, 6) 19

CH σG β: Đ I T σG VÀ PH σG PHÁP σGHIÊσ C U 21

β.1 Đ i t ng và ph m vi nghiên c u 21

β.1.1 Đ i t ng nghiên c u 21

2.1.2 Ph m vi nghiên c u 21

2.2 M c đích nghiên c u 21

β.γ Ph ng pháp nghiên c u 21

β.4 Ph ng pháp đo gamma hi n tr ng 22

2.4.1 Thi t b s d ng 22

2.4.β Ph ng pháp hƠm G(E) 25

β.4.γ Ph ng pháp di n tích đ nh 28

β.5 Ph ng pháp đo gamma trong phòng thí nghi m 29

2.5.1 H ph k gamma phông th p HPGe 29

2.5.2 Tính su t li u từ ho t độ c a m u đ t 30

CH σG γ: K T QU TH C NGHI M VÀ TH O LU N 31

γ.1 Xác đ nh các h s chuyển đ i cho detector NaI(Tl) 31

3.2 K t qu đo gamma hi n tr ng 36

3.2.1 K t qu đo gamma hi n tr ng s d ng ph ng pháp hƠm G(E) 36 3.2.2 K t qu đo gamma hi n tr ng s d ng ph ng pháp di n tích đ nh 39

γ.γ So sánh ph ng pháp ph gamma hi n tr ng và phòng thí nghi m 41 γ.γ.1 So sánh ho t độ phóng x 41

γ.γ.β So sánh su t li u h p th c a b c x gamma 44

γ.γ Đánh giá su t li u 47

K T LU N VÀ KI N NGH 51

TÀI LI U THAM KH O 53

PH L C 55

Ph l c 1: Ho t độ riêng c a các nhân phóng x tính bằng ph ng pháp di n tích đ nh 55

Ph l c 2: Ho t độ riêng c a các nhân phóng x phân tích trong phòng thí nghi m 57

Ph l c 3: Su t li u gamma môi tr ng (nGy/h) 59

Ph L c 4: Su t li u tính theo ph ng pháp hƠm G(E) 61

DANH M C B NG

B ng 1 1: Thành ph n phông phóng x t nhiên và li u hi u d ng trung bình

năm lên c thể s ng từ các thành ph n phóng x t nhiên trên th gi i 9

B ng 1 2: Trọng s b c x WR đ i v i một s lo i b c x 12

B ng 1 3: Trọng s mô đ i v i các bộ ph n chính trong c thể 13

B ng 2 1: Các h s c a hàm G(E) 27

B ng 3 1: Ngu n chuẩn 31

B ng γ β: Đáp ng góc c a detector v i ngu n 137Cs 32

B ng 3 3: Hi u su t ghi N0/φ c a detector 34

B ng 3 4: Hi u su t ghi N0/φ đ i v i các nhân phóng x t nhiên 34

B ng 3 5: H s φ/A và φ/I c a detector 35

B ng 3 6: Các h s chuyển đ i đ i v i phóng x t nhiên 35

B ng γ 7: Kênh trung tơm vƠ năng l ng c a 40K, 214Bi và 208Tl 37

B ng 3 8: K t qu ho t độ và su t li u c a phóng x t nhiên tính theo ph ng pháp di n tích đ nh 40

B ng 3 9: Ho t độ các đ ng v phóng x t nhiên trong m u đ t 41

B ng 3 10: Su t li u (nGy/h) thu đ c từ các ph ng pháp khác nhau 45

DANH M C HÌNH V Ẽ

Hình 1 1: S đ phân rã c a ba họ phóng x 238U, 232Th và 235U 4

Hình 1 2: S suy gi m c a chùm gamma khi đi qua v t ch t 14

Hình 1 3: Hi u ng quang đi n 16

Hình 1 4: Tán x Compton 17

Hình 1 5: Hi u ng t o cặp 19

Hình 1 6: Độ quan trọng t ng đ i c a ba hi u ng ph thuộc vƠo năng l ng vƠ đi n tích z c a ch t h p th 20

Hình β 1: S đ ph ng pháp nghiên c u 22

Hình 2 2: H ph k gamma hi n tr ng 23

Hình 2 3: Ph gamma hi n tr ng 24

Hình β 4: Máy đo li u sách tay TCS-171 24

Hình 2 5: Hàm G(E) c a các lo i detector NaI(Tl) 26

Hình 2 6: H detector HPGe và bu ng chì 29

Hình γ 1: Đo đáp ng góc Nf/N0 c a detector 31

Hình γ β: Đáp ng góc t ng đ i c a detector v i ngu n 137Cs 32

Hình γ γ: Xác đ nh hi u su t ghi c a detector N0/φ 33

Hình 3 4: M i liên h gi a năng l ng tia gamma và N0/φ 34

Hình 3 5: Ph gamma hi n tr ng đo t i th tr n Tơy Đằng - huy n Ba Vì 36

Hình γ 6: Đ nh quang đi n c a 40K 36

Hình γ 7: Đ nh quang đi n c a 214Bi 37

Hình γ 8: Đ nh quang đi n c a 208Tl 37

Hình 3 9: M i liên h gi a kênh vƠ năng l ng 38

Hình 3 10: Su t li u tính theo ph ng pháp hƠm G(E) 38

Hình γ 11: Xác đ nh di n tích đ nh 39

Hình 3 12: S t ng quan gi a k t qu đo ho t độ phóng x c a 40K t i hi n tr ng và k t q a phân tích trong phòng thí nghi m 42

Hình 3 13: S t ng quan gi a k t qu đo ho t độ phóng x c a 238U t i hi n tr ng và k t q a phân tích trong phòng thí nghi m 43

Hình 3 14: S t ng quan gi a k t qu đo ho t độ phóng x c a 232Th t i hi n tr ng và k t q a phân tích trong phòng thí nghi m 43

Hình 3 15: So sánh m i t ng quan c a su t li u tính bằng β ph ng pháp di n tích đ nh và PTN 45

Hình 3 16: So sánh m i t ng quan c a su t li u tính bằng β ph ng pháp hƠm G(E) vƠ ph ng pháp tính trong PTσ 46

Hình 3 17: Phân b su t li u tính từ các ph ng pháp khác nhau 47

Hình 3 18: B n đ phân b và s đóng góp c a các đ ng v vào su t li u tính từ ph ng pháp di n tích đ nh 49

Hình 3 19: B n đ phân b và s đóng góp c a các đ ng v vào su t li u tính từ ph ng pháp đo m u đ t trong PTN 49

DANH M C CÁC CH VI T T T, KÝ HI U

IAEA (International Atomic Energy Agency)

C quan năng l ng nguyên t qu c t ICRU

(International Commission on Radiation Units and

Measurements)

y ban qu c t v đ n v vƠ đo l ng b c x ICRP (International Commission on Radiological Protection) y ban qu c t v b o v phóng x EML (Environmental Measurements Laboratory) Phòng thí nghi m đo môi tr ng JAERI Vi n nghiên c(Japan Atomic Energy Research Institute) u năng l ng nguyên t Nh t B n

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

M Đ U

Để xác đ nh li u dơn chúng do các đ ng v phóng x t nhiên gây ra,

ph ng pháp ph bi n và chính xác nh t là l y m u và phân tích trong phóng thí nghi m n c ta một s tác gi nh σgô Quang Huy, Ph m Duy Hiển, Nguy n Hào Quang(15), Tr nh Văn Giáp(1)ầđư s d ng ph ng pháp nƠy để đánh giá li u dân chúng khá chi ti t một s t nh và trên ph m vi toàn qu c

Cùng v i ph ng pháp trên, ph ng pháp đo ph gamma hi n tr ng cũng lƠ ph ng pháp hi u qu để xác đ nh ho t độ c a các đ ng v phóng x trong môi tr ng Ph ng pháp nƠy đư đ c nhi u n c trên th gi i s d ng

để phân tích phóng x môi tr ng từ nh ng năm 1980(5) IAEA vƠ ICRU đư

đ su t ph ng pháp nƠy để xác đ nh nhanh ho t độ c a các đ ng v phóng x trong môi tr ng nói chung và c trong tr ng h p khi x y ra s c (9, 17)

Tuy nhiên hi n nay ph ng pháp đo ph gamma hi n tr ng v n ch a

đ c áp d ng rộng rãi Vi t Nam V i h ng nghiên c u s d ng ph ng pháp đo ph gamma hi n tr ng để xác đ nh ho t độ c a các đ ng v phóng

x và su t li u gamma trong môi tr ng ph c v cho vi c kh o sát và quan

tr c phóng x môi tr ng, tác gi chọn đ tài: ắNghiên c u xác đ nh li u chi u dân chúng do phóng x t nhiên khu v c hà nội (ph n Hà Nội m

rộng)” V i m c đích:

- Nghiên c u vi c s d ng ph k gamma hi n tr ng s d ng detector NaI(Tl) hình tr kích th c 3”Φ3” để xác đ nh ho t độ c a các nhân phóng x

trong đ t và su t li u gamma độ cao 1 mét so v i mặt đ t

- Đánh giá su t li u do các nhân phóng x gây ra và kh năng nh

h ng c a chúng đ i v i con ng i

Lu n văn đ c chia thƠnh γ ch ng v i các nội dung nh sau:

Ch ng 1: T ng quan, trình bày t ng quan v phóng x t nhiên và ngu n g c c a phóng x t nhiên trong môi tr ng

Ch ng 2: Đ i t ng vƠ ph ng pháp nghiên c u Ch ng nƠy t p chung vào c s lý thuy t và xây d ng hai ph ng pháp đo ph gamma hi n

tr ng lƠ: Ph ng pháp hƠm G(E) vƠ ph ng pháp di n tích đ nh

Ch ng 3: K t qu và th o lu n Ch ng nƠy so sánh các k t qu đo

ho t độ phóng x và su t li u gamma môi tr ng c a ph ng pháp ph k gamma hi n tr ng v i ph ng pháp l y m u và phân tích trong phòng thí nghi m Từ đó ch ra u điểm c a ph ng pháp đo ph gamma hi n tr ng

Ch ng 1: T NG QUAN V PHÓNG X T NHIÊN 1.1 Phóng x trong đ t đá (2, 3)

1.1.1 Các h ọ phóng x (2, 3)

Trong s hƠng trăm nguyên t vƠ đ ng v c u thƠnh Trái Đ t từ th i nguyên kh i tr c khi h mặt tr i đ c hình thành có các nguyên t phóng x

U, Th và K Chúng còn t n t i đ n ngày nay nh có chu kỳ bán rư t ng

đ ng v i tu i Trái Đ t, kho ng 4,5 tỷ năm Các nhơn đ ng đ u ba họ phóng

x trong đ t đá lƠ 238 U, 232Th và 235U có chu kỳ bán t ng ng là 4,5 tỷ năm,

14 tỷ năm vƠ 700 tri u năm

Các đ ng v trong ba họ phóng x nói trên phân rã alpha và beta, trong quá trình phân rã liên ti p nƠy đ ng v mẹ bi n thành các đ ng v ắcon cháu”

v trong ba họ nói trên cùng v i các kênh phân rã và chu kỳ bán rã c a chúng

Các ắcon cháu” trong ba họ phóng x nói trên phân rã r t nhanh (T1/2 r t bé) so v i đ ng v đ ng đ u nên hƠm l ng c a chúng trong đ t đá r t th p

Chẳng h n, 226Ra là một m t xích ch y u trong họ 238U có chu kỳ bán rã

1600 năm, hƠng tri u l n ng n h n so v i 238U nên hƠm l ng 226Ra trong đ t

đá cũng th p h n hƠng tri u l n 238U Tuy nhiên, ho t độ riêng tính trên đ n v

kh i l ng l i cao h n hƠng tri u l n Hai ông bà Curie ph i mi t mài nghi n

đ p, hòa tách hàng t n quặng uranium bằng ph ng pháp th công m i tách

đ c vài miligam radium (Ra), một nguyên t hoàn toàn m i lúc b y gi và

có ho t độ phóng x riêng cao h n uranium đ n hàng tri u l n

Hình 1 1: S đ phân rã c a ba họ phóng x 238U, 232Th và 235U Ngoài uranium và thorium, phóng x từ đ t đá còn b t ngu n từ 40K Trong v Trái Đ t nguyên t kali khá ph bi n, có hƠm l ng trung bình 2,6%, l n h n nhi u so v i thorium (7,β ppm) vƠ uranium (1,8 ppm) σh ng kali ch ch a 0,01% đ ng v 40K và tỷ l này n đ nh trong mọi môi tr ng vì

đ ng v phóng x nƠy đư có từ th i nguyên kh i cách nay hàng ch c tỷ năm

HƠm l ng trung bình c a uranium trong v Trái Đ t là 1,8 ppm, trong

l p đ t b mặt hƠm l ng th ng cao h n do U d b h p th b i các ph n t sét có kích th c bé trong đ t Trong v Trái Đ t, 238U chi m 99,27 %, ph n ít

i còn l i là 235U (0,73%) Ngoài ra còn có 234U (0,0058 %) lƠ đ ng v ắcon cháu” đ c t o thành do phân rã phóng x c a 238U (hình 1.1) Tuy nhiên, uranium phân b không đ u trong đ t đá Tùy theo lo i khoáng v t, hàm

l ng dao động từ vài ph n trăm ppm trong các đá ultrabasic đ n hàng ch c ppm trong granite Còn các d th ng và quặng phóng x , hƠm l ng U

th ng lên đ n hàng nghìn hoặc hàng v n ppm

HƠm l ng trung bình c a 232Th trong v Trái Đ t lƠ 7,β ppm σh ng hƠm l ng bi n đ i theo lo i khoáng v t, từ γ đ n 50 ppm trong granite và permatic xu ng còn từ 1 đ n γ ppm trong basalt vƠ các đá basic 232Th th ng

xu t hi n trong các khoáng zircon, đó 232Th thay th nh ng v trí cùa Zr trong tinh thể Các sa khoáng cát đen ch a Ti và Zr dọc theo ven bi n th ng

là ngu n cung c p Zr dùng làm v bọc thanh nhiên li u lò ph n ng h t nhân

1.1.2 Cân b ằng và m t cân bằng phóng x (2, 3)

Do chu kỳ bán rã c a các đ ng v ắcon cháu” trong c ba họ phóng x

đ u ng n h n r t nhi u so v i đ ng v mẹ vƠ cũng r t ng n so v i th i gian

t n t i c a Trái Đ t nên v lý thuy t, có thể x y ra cân bằng th kỷ gi a các

đ ng v thành viên trong họ Khi đó ho t độ phóng x Ai c a b t c thành viên i nƠo cũng đ u nh nhau vƠ bằng ho t độ phóng x c a đ ng v mẹ Ai

nh công th c (1.1)

Ai = λiNi = λ1N1 = A1 (1.1) trong đó λi và Ni là hằng s phân rã và s h t nhân c a thành viên th i Tuy nhiên, trên th c t gi a các thành viên trong chuỗi có thể m t cân

bằng th kỷ khi một thƠnh viên nƠo đó b tách ra kh i chuỗi phóng x , hoặc

đ c b sung từ môi tr ng bên ngoài vào chuỗi do các quá trình đ a hóa

Hi n t ng đ t gãy chuỗi nƠy có hai nguyên nhơn chính liên quan đ n các đặc điểm nguyên t vƠ đ ng v c a các thành viên trong chuỗi

Do thuộc nh ng nguyên t khác nhau, nh ng thành viên trong chuỗi có

thể có tính ch t khác nhau trong môi tr ng Thí d uranium có độ linh động trong n c cao h n r t nhi u so v i nh ng nguyên t con - cháu c a nó nh

230Th hoặc 226Ra Vì th 230Th có hƠm l ng r t th p trong n c ng m 226Ra

d hòa tan trong môi tr ng n c có hƠm l ng ion Cl- cao, nh ng r t khó

hòa tan trong n c có nhi u ion sulphate Ngoài ra, 226Ra, 230Th và 238U trong

n c ng m đ c các khoáng v t h p ph v i m c độ khác nhau cũng gơy ra

m t cân bằng phóng x Radon lƠ khí tr nên r t d thoát ra kh i đ t đá Sau khi thoát vào không khí, các ắcon cháu” c a Radon g n k t vào b i khí và theo đ ng hô h p xâm nh p vƠo c thể và tr thành ngu n chi u trong ch

y u đ i v i con ng i

Hai đ ng v cùng nguyên t cũng có thể m t cân bằng phóng x nh

tr ng h p cặp 234U - 238U Khi h t nhân 238U phân rã alpha, h t nhân gi t lùi

234U có động năng đ l n để có thể thoát ra ngoài tinh thể K t qu là 234U giƠu h n trong n c ng m vƠ nghèo đi trong khoáng v t so v i 238U H t nhân

gi t lùi trong phân rã alpha cũng có thể t o nên nh ng đ ng v t sai h ng trong tinh thể, qua đó các nguyên t d b chi t ra n c ng m làm m t cân

bằng phóng x

1.2 Phóng x do tia vũ tr (2, 3)

B c x ion hóa có ngu n g c từ vũ tr có thể chia ra làm ba lo i g m: tia vũ tr s c p, tia vũ tr th c p và tia phát ra từ ch t phóng x đ c hình thƠnh do các tia vũ tr ph n ng v i v t ch t trong khí quyển Tia vũ tr s

c p l i có hai lo i, tia có ngu n g c thiên hà và tia xu t phát từ Mặt Tr i

C ng độ tia vũ tr có ngu n g c thiên hƠ đ n Trái Đ t không bi n đ i theo th i gian vƠ đẳng h ng Thành ph n chính c a chúng lƠ proton năng

l ng cao đ n 30 GeV, chi m đ n 85%, sau đó (10%) lƠ h t nhân c a nh ng nguyên t nhẹ nh He, Li, Be, C , s còn l i là electron, photon, neutrino Chúng là s n phẩm c a ph n ng h t nhân x y ra trong quá trình bùng n và hình thành các thiên thể thuộc h thiên hà Neutron có thể sinh ra đơu đó trong

vũ tr do ph n ng t ng h p h t nhơn nh ng không k p đ n trái đ t tr c khi

b phân rã - bi n thành proton v i chu kỳ bán rã kho ng 15 phút Trong khi

đó, tia s c p xu t phát từ Mặt Tr i bi n đ i theo th i gian ph thuộc vào chu

kỳ ho t động 11 năm c a Mặt Tr i

Khi đi vƠo khí quyển, tia vũ tr s c p có năng l ng l n s gây ra

ph n ng h t nhân v i các nguyên t và phân t trong không khí t o nên

nh ng b c x ion hóa trong khí quyển bao g m photon, electron, neutron, proton, pion, muon , chúng đ c gọi là các tia vũ tr th c p

σh một nam châm kh ng l , từ tr ng c a Trái Đ t đư u n quỹ đ o các h t tích đi n trong tia vũ tr làm cho chúng b t tr l i hoặc l n vòng quanh tr c khi đơm vƠo khí quyển Theo đ ng s c c a từ tr ng các h t tích đi n h ng vào xích đ o s có xu h ng l n v hai c c lƠm cho c ng

độ tia vũ tr tăng theo vĩ độ, nh ng vĩ độ trung bình c a B c bán c u ph i nhi m do tia vũ tr cao h n vùng xích đ o đ n 30 - 40%

Không khí trong khí quyển h p th và gi m t c các tia vũ tr năng

l ng cao r t hi u qu , nh đó đư gi m thiểu đáng kể tác h i đ i v i con

ng i s ng trên mặt đ t CƠng lên cao ph i nhi m do tia vũ tr càng l n do b dày c a l p không khí che ch n càng gi m Trên đ nh Everest cao 8 850 m so

v i mặt biển, ph i nhi m do tia vũ tr tăng lên β0 l n so v i độ cao ngang

mặt n c biển

1.3 Ph i nhi m do phóng x t nhiên (2, 3)

Con ng i b ph i nhi m do các tia phóng x từ nh ng nhân phóng x trong t nhiên hoặc có ngu n g c nhân t o σói chung đ i v i dân chúng trên toàn c u, ph i nhi m do phóng x t nhiên đóng góp ph n ch y u Ph i nhi m do phóng x t nhiên l i g m có hai thành ph n, do chi u ngoài và do chi u trong

1.3.1 Ph i nhi m do chi u ngoài từ phóng x t nhiên trong đ t đá (2, 3)

Các b c x ion hóa từ nh ng nhân phóng x trong l p đ t b mặt t o nên phông phóng x trên mặt đ t vƠ đóng góp chính vƠo li u chi u ngoài Trong ba lo i b c x alpha, beta, gamma, b c x gamma đóng góp l n nh t vào phông phóng x trên mặt đ t do có kh năng xuyên qua l p đ t b mặt

m nh h n hai lo i b c x kia Tuy nhiên, ngay đ n b c x gamma phát xu t

từ nh ng nhân phóng x nằm l p đ t sơu h n γ0 cm cũng không đóng góp vƠo tr ng phóng x trên mặt đ t Tia beta xuyên sơu kém h n nên ch nh ng nhân l p đ t r t m ng trên b mặt m i có tác d ng chi u x ít nhi u Tia alpha từ các nhân phóng x trong đ t đá h u nh không đóng góp gì vƠo phông phóng x trên mặt đ t, chúng ch gây tác d ng khi thâm nh p vƠo c

thể qua con đ ng hô h p và tiêu hóa

Trên ph m vi toàn c u, đóng góp c a phông phóng x vào li u chi u ngoài g m có 35% từ 40K, 25% từ nh ng nuclit phát tia trong họ 238U (ch

y u lƠ hai đ ng v 214Pb và 214Bi) và 40% từ nh ng nuclit phát tia trong họ

232Th (ch y u là 208Tl và 228Ac)(2,3) B c x gamma c a nh ng đ ng v vừa kể trên đ u th y rõ trong các m u đ t phân tích bằng ph k gamma dùng detector Ge siêu tinh khi t

T i một đ a điểm c thể nƠo đó phông phóng x ph thuộc vào hàm

l ng các nhân phóng x có trong đ t đá xung quanh, mƠ hƠm l ng này thay

đ i khá m nh từ vùng này sang vùng khác Thí d Vi t Nam, hai t nh Tuyên Quang vƠ Yên Bái có hƠm l ng radium cao g p ba l n m c trung bình (42,77 Bq/kg), trong khi đó vùng đ t xám mi n Đông σam Bộ nh Bình

Ph c, Tây Ninh l i r t nghèo phóng x , đặc bi t là 40K (và c t ng kali) v i hƠm l ng vài ch c l n th p h n m c trung bình (411,93 Bq/kg) Cát đen dọc theo ven biển mi n Trung ch a khoáng monazite, nên ho t độ phóng x riêng

c a thorium trong cát có thể cao h n m c trung bình hàng ch c l n (59,84 Bq/kg)

Các b c x ion hóa gamma và beta tr c ti p chi u lên con ng i từ mặt

đ t khi ngoài tr i và từ nh ng v t li u xây d ng khi trong nhà Theo các

k t qu nghiên c u từ nhi u n c trên th gi i, phông gamma bên trong nhà

th ng cao h n ngoƠi tr i đ n 20% Th ng kê cũng cho th y trung bình con

ng i s ng trong nhƠ đ n 80% th i gian Cho nên su t li u chi u ngoài hi u

d ng mƠ con ng i nh n đ c ch y u là do sinh ho t trong nhà

B ng 1 1: Thành ph n phông phóng x t nhiên và li u hi u d ng trung bình

năm lên c thể s ng từ các thành ph n phóng x t nhiên trên th gi i

Thành ph n phông phóng x t

nhiên

Li u hi u d ng trung bình hƠng năm trên th

gi i (mSv/năm)

Kho ng bi n thiên (mSv/năm)

Tia phóng x từ đ t (chi u ngoài) 0,5 0,3 ậ 0,6

Nhân phóng x t nhiên thâm

T ng cộng chi u ngoài và chi u

1.3.2 Ph i nhi m do chi u ngoài từ tia vũ tr (2, 3)

Trên toàn c u li u hi u d ng trung bình do tia vũ tr vào kho ng 0,4 mSv/năm (b ng 1.1) Tuy nhiên li u hi u d ng tăng lên theo độ cao, c thể

độ cao 15 km có thể lên đ n β0 mSv/năm vùng xích đ o và từ 50 đ n 120 mSv/năm hai c c tùy theo ho t động Mặt Tr i

1.3.3 Ph i nhi m do chi u trong từ các ngu n phóng x t nhiên (2, 3)

Các nhân phóng x t nhiên thâm nh p vƠo c thể theo th c ăn, n c

u ng vƠ đ ng hô h p Riêng v i 40K, đ ng v này còn t n t i trong các mô

nh một thành ph n đ ng v c a kali v i hƠm l ng trong c thể thay đ i từ 1

đ n 2,5 g/kg thể trọng, t p trung ch y u các mô c b p Quy ra ho t độ phóng x , ng i nặng 70 kg có thể xem nh một ngu n phóng x ho t độ

4000 Bq 40K còn thâm nh p vƠo c thể qua th c ăn HƠm l ng 40K trong

th c phẩm nằm trong kho ng từ β0 đ n 600 Bq.kg-1

Nói chung, li u hi u d ng trung bình do chi u trong từ các nhân phóng

x có trong đ t nh 238U, 226Ra, 232Th và 40K lƠ 0,γ mSv/năm (b ng 1.1)

Trong s các nhân phóng x t nhiên, 222Rn đóng góp nhi u nh t vào

li u chi u trong Li u hi u d ng chi u trong trung bình do hít th các ắcon cháu” 222Rn lƠ 1,β mSv/năm g p b n l n ph n đóng góp do t t c các nhân phóng x khác cộng l i (0,γ mSv/năm) (b ng 1.1) 222Rn phân rã α v i chu kỳ

bán phơn rư γ,8β ngƠy, nh ng vì radon lƠ khí tr nên b n thân radon l i theo

h i th ra ngoài và ch gây ra r t ít h u qu cho c thể Gây ra li u chi u trong

ch y u là do các con cháu c a nó, nh ng đ ng v phát b c x gamma v i chu

kỳ bán rã ng n h n γ0 phút nh 214Bi, 214Pb Khi radon thoát vào môi tr ng không khí, radon phân rã thành các s n phẩm s ng ng n g n k t v i sol khí có kích th c micron, từ đó xơm nh p sâu vào ph i theo đ ng hô h p và gây ra

li u chi u trong HƠm l ng 222Rn và con cháu trong không khí v mùa hè cao

h n mùa đông, ban đêm cao h n ban ngƠy

1.4 M ột s đ i l ng đo li u trong an toàn b c x (4)

hoàn toàn trong thể tích không khí đó, vƠ dm kh i l ng là c a thể tích nguyên t không khí đó

dm

E d

h s ch t l ng QF (Quality Factor) hay trọng s b c x WR đ i v i các lo i

Phông b c x t nhiên: Là giá tr li u t ng đ ng b c x do các b c

x vũ tr và b c x c a các nhân phóng x phân b một cách t nhiên trong các l p đ t đá b m t trái đ t, trong khí quyển, th c ăn, n c u ng vƠ trong c

thể con ng i t o ra

B ng 1 2: Trọng s b c x WR đ i v i một s lo i b c x

1.4.4 Li u hi u d ng (4)

Khi đ nh nghĩa li u t ng đ ng chúng ta đư coi t t c các mô sinh học hay c quan trong c thể có cùng một độ nh y c m b c x Trên th c t các

mô vƠ c qua có độ nh y c m khác nhau, thể hi n b i đ i l ng gọi là trọng

s mô WT (Tisue Weighting Factor) b ng 1.3 là trọng s mô đ i v i các bộ

ph n chính trong c thể và khi một b c x có năng l ng nƠo đó v i trọng s

b c x WR, gọi là b c x lo i R, chi u vào mô T thì li u h p th t ng đ ng

đ i v i mô này là:

HT = 

R

WR DT,R (1.5) Trong đó: DT,R là li u h p th do b c x R chi u vào mô (T)

Hình 1 2: S suy gi m c a chùm gamma khi đi qua v t ch t

0

x

e

I I  (1.7) trong đó I0 là c ng độ trong chùm ban đ u, I là c ng độ đi qua

l p v t ch t chi u dày x; µ là h s suy gi m tuy n tính, đo bằng đ n v cm-1

Đ i v i các photon năng l ng 1 MeV, chi u dày l p chì suy gi m một n a hay chi u d y l p chì c n thi t để hãm một n a các phôtôn bằng 0,95 cm Đ i

v i không khí, chi u dày l p suy gi m một n a bằng kho ng 8γ m, còn đ i

v i nhôm 3,7 cm

σh v y, h s suy gi m tuy n tính µ liên h v i ti t di n tán x hoặc

h p th toàn ph n Ń trên một nguyên t v t ch t bằng biểu th c (1.8) sau:

đi n đ c gi i thi u trên hình 1.3 Trong hi u ng quang đi n, khi một

electron quang đi n b b t ra ngoài, nó s t o ra một lỗ tr ng t i l p v mà nó

b t ra Lỗ tr ng này s nhanh chóng đ c l p đ y b i nh ng elcctron t do trong môi tr ng v t ch t hoặc s d ch chuy n c a các elcctron nh ng l p ngoài c a nguyên t Kèm v i s d ch chuy n c a electron gi a hai l p trong nguyên t là vi c phát ra tia X đặc tr ng hay còn gọi là tia X huỳnh quang Tia X đặc trung này s b h p th b i nh ng nguyên t khác trong v t ch t thông qua hi u ng quang đi n các lóp v có liên k t y u v i nguyên t , tuy nhiên s góp mặt c a nó v n có thể nh h ng đ n hƠm đáp ng c a detector Ngoài ra, trong một s tr ng h p, tia X đặc tr ng đ c h p th b i electron

nh ng l p ngoài c a chính nguyên t đó K t quá là electron này s b b t ra

kh i nguyên t vƠ đ c gọi lƠ electron Auger Hai quá trình phát tia X đặc

tr ng vƠ phát electron Auger c nh tranh l n nhau

Hình 1 3: Hi u ng quang đi n

Hi u ng quang đi n không thể x y ra trên electron t do vì để tho mưn đ nh lu t b o toƠn xung l ng thì ngoƠi l ng t và electron ra còn c n thi t ph i có mặt một h t th ba H t đó lƠ h t nhân nguyên t Electron liên

k t v i h t nhân càng m nh thì xác su t hi u ng quang đi n trên nó càng l n,

n u năng l ng c a l ng t l n h n năng l ng liên k t c a electron Đó lƠ

đặc điểm c a hi u ng quang đi n Nó gi i thích vì sao ti t di n hi u ng quang đi n đ i v i các electron v K luôn luôn l n h n so v i ti t di n hi u

ng nƠy đ i v i các electron nh ng v cao h n σó cũng gi i thích vì sao

ti t di n h p th quang đi n các tia tăng nhanh theo s tăng nguyên t s

c a ch t h p th

1.5.2 Hi u ng Compton (5, 6)

Theo s tăng năng l ng c a các tia gamma thì ti t di n c a hi u ng quang đi n gi m và quá trình ch y u làm suy gi m chùm l ng t gamma

tr thành quá trình tán x Compton Hi u ng Compton là hi u ng tán x c a

l ng t gamma trên electron t do Một ph n năng l ng c a l ng t gamma đ c truy n cho electron gi t lùi Trong vùng năng l ng, n i ph n

ch y u c a h s suy gi m µ đ c gây ra b i quá trình nƠy, đó lƠ vùng gi a

0,5 vƠ 5MeV đ i v i chì và gi a 0,05 vƠ 15MeV đ i vói nhôm, năng l ng

c a b c x t i tr nên l n h n so v i năng l ng liên k t c a electron trong nguyên t H s tán x Compton Ńk tỷ l v i nguyên t s Z

Hình 1 4: Tán x Compton

σh v y có thể mô t tán x c a l ng t trên electron năng l ng đ

l n nh một quá trình va ch m c a hai h t S đó quá trình tán x Compton

đ c biểu di n trên hình 1.4 L ng t t i v i năng l ng hv0 b tán x trên

electron t i điểm A L ng t b tán x v i năng l ng hv bay ra d i góc tán x θ so v i ph ng chuyển động ban đ u c a l ng t t i, còn electron

gi t lùi thì bay ra d i góc gi t lùi φ vƠ năng l ng T Từ các đ nh lu t b o toƠn năng l ng vƠ xung l ng suy ra rằng, v i hv0 cho tr c thì gi a các góc

θ vƠ φ có m i liên h đ n tr , còn năng l ng c a l ng t b tán x E’ = hv

vƠ năng l ng c a electron gi t lùi T thì hoƠn toƠn đ c xác đ nh bằng các

đ i l ng θ, φ, hv0đư cho Ta có nh ng biểu th c ch y u sau:

Đ i v i năng l ng c a l ng t b tán x :

0 2 0

1

1 cos

hv hv

cos 1

năng l ng c a l ng t b tán x gi m d n từ giá tr c c đ i bằng hv0 khi θ =

0 đ n giá tr c c tiểu khi θ = 180°:

0 min

0 2 0

2 1

hv hv

hv

m c



 (1.14) Khi hv0 >> m0c2thì năng l ng c a l ng t b tán x d i góc θ = 180° s r t g n v i đ i l ng m0c2 = 0,25MeV

Các electron gi t lùi xu t hi n phân b theo góc từ 0 đ n 90o Khi

l ng t b tán x trên một góc nh , năng l ng c a nó h u nh không thay

đ i còn electron thì bay ra v i năng l ng nh d i góc g n bằng 90° N u

l ng t b tán x một góc 180° thì electron bay ra theo h ng v phía tr c

v i động năng c c đ i Tmax= Emax:

0 2 0 max 0 min 0

0 0

Quá trình t o cặp lƠ quá trình, trong đó l ng t năng l ng đ l n

t ng tác v i v t ch t làm xu t hi n một cặp electron - pôzitrôn v i năng

l ng T- và T* t ng ng (hình 1.5) Nãng l ng toàn ph n c a cặp bằng năng l ng hv0 c a l ng t t i, còn động năng Ek c a nó thì bằng:

Ek = hv0ậ 2m0c2 (1.16) σăng l ng c c tiểu c a l ng t c n thi t để th c hi n quá trình t o

các h t c a cặp và h t th ba Ti t di n t o cặp trong tr ng Coulomb tỷ l

v i bình ph ng nguyên t s Z2 c a v t ch t vƠ tăng lên theo s tăng năng

l ng c a các tia

Hình 1.6 thì gi i thi u vùng năng l ng mà một trong ba hi u ng quang đi n, Compton hay t o cặp đóng vai trò quan trọng, ph thuộc vƠo đi n tích z c a ch t h p th

Hình 1 6: Độ quan trọng t ng đ i c a ba hi u ng ph thuộc vƠo năng

l ng vƠ đi n tích z c a ch t h p th

CH NG 2: Đ I T NG VÀ PH NG PHÁP NGHIÊN C U 2.1 Đ i t ng và ph m vi nghiên c u

2.1.1 Đ i t ng nghiên c u

Đ i t ng nghiên c u là các nhân phóng x trong đ t, đá vƠ su t li u gamma độ cao 1 mét so v i mặt đ t

2.1.2 Ph m vi nghiên c u

Khu v c nghiên c u là nghiên c u đ c th c hi n t i các huy n trên

đ a bàn thành ph Hà Nội đ c m rộng (bao g m t nh HƠ Tơy cũ, và huy n

ph ng pháp th hai lƠ ph ng pháp hàm G(E) đ c phát triển b i Moriuchi

và Miyanaga thuộc Vi n Nghiên c u σăng l ng Nguyên t Nh t b n (JAERI)

2.4.1 Thi t b s d ng

a) H ph k gamma hi n tr ng

Trong nghiên c u này chúng tôi s d ng ph k gamma hi n tr ng

v i detector nh p nháy NaI(Tl) hình tr kích th c 3”Φ×3”, độ phân gi i

năng l ng 8% đ nh 662 KeV c a 137Cs để xác đ nh ho t độ c a các đ ng v

phóng x t i 42 v trí ngoài th c đ a Ph k g m: Bộ phơn tích đa kênh xách tay DART c a hãng τRTEC vƠ máy tính xách tay đư đ c cƠi đặt ph n m m ghi nh n ph ORTEC MASTRO 32

Detetor đ c đặt trên giá đ γ chơn, đ u đo h ng xu ng d i và cách

mặt đ t 1 m Detector đ c k t n i v i bộ phơn tích đa kênh DART thông qua cáp n i dài 10 m (hình 2.2) Mỗi phép đo đ c ti n hành trong kho ng th i gian 30 phút V trí đo đ c chọn lƠ bưi đ t bằng phẳng có bán kính ít nh t là

10 m tính từ v trí đặt detector và không b che ch n b i các công trình xây

d ng hoặc các tòa nhà, đ t n đ nh không b xáo trộn(7, 8, 9) Các phép đo đ c

th c hi n ít nh t 24 gi sau m a để tránh s nh h ng c a Radon và con cháu c a Radon(11) Hình 2.3 thể hi n ph gamma hi n tr ng tiêu biểu

Hình 2 2: H ph k gamma hi n tr ng

Hình 2 3: Ph gamma hi n tr ng

b) Thi t b đo li u sách tay TCS-171

Máy đo li u sách tay TCS-171 (hình 2.4) do hãng ALOKA ậ Nh t B n

s n xu t s d ng đ u đo lƠ detector nh p nháy NaI(Tl) hình tr có kích th c

1”Φ×1” Máy đo li u sách tay TCS-171 dùng cho đo su t li u gamma v i

kho ng đo từ m c phông môi tr ng đ n 30 µGy/h hoặc 30 µSv/h v i sai s

± 15 %, năng l ng tia gamma từ 50 KeV đ n 3 MeV

Hình 2 4: Máy đo li u sách tay TCS-171

2.4.2 Ph ng pháp hƠm G(E)

Vi n Nghiên c u σăng l ng Nguyên t Nh t b n (JAERI), s d ng

ph ng pháp đ c gọi lƠ ‘ph ng pháp hƠm G(E)’ đánh giá chính xác su t

li u gamma bằng vi c áp d ng hàm chuyển đ i ph - li u G(E) từ chi u cao xung ph cho thông tin v năng l ng tia gamma Trong nh ng năm g n đơy

một s d ng c đo su t li u thiên v lo i này đang đ c s d ng quan tr c phóng x môi tr ng xung quanh c s h t nhân t i Nh t B n(16)

Ph ng pháp hàm G(E) đ c phát triển b i Moriuchi vƠ Miyanaga năm

1966 Công th c chuyển đ i từ ph thành li u đ c biểu di n bằng ph ng trình 2.1 d i đơy

đơy:

D: su t li u, nGy/h E: năng l ng tia gamma Emin: năng l ng th p nh t, 30-50 keV Emax: năng l ng cao nh t, 3 MeV N(E): S đ m, cpm

G(E): h s chuyển đ i từ ph thành li u

Ph ng trình 2.1 cho su t li u do các tia gamma từ 0 đ n 3 MeV

Ph ng pháp nƠy đ c áp d ng cho b t kỳ một detector nƠo mƠ độ cao xung

toán, nó đ c áp d ng cho b t kỳ một đ u dò NaI(Tl) cùng lo i Hình 2.5 bên

d i thể hi n hàm G(E) cho NaI(Tl) kích th c 3”Φ×3”(13, 14)

Hình 2 5: Hàm G(E) c a detector NaI(Tl) kích th c 3”Φ×3”

Ph ng pháp nƠy cũng đ c áp d ng cho các đ u dò HPGe K t h p

v i độ phân gi i t t c a một đ u dò HPGe, nó có thể cung c p nhi u thông tin

h u ích v một tr ng b c x môi tr ng Tuy nhiên, các ph n ng tiêu biểu

c a đ u dò HPGe lƠ hoƠn toƠn thay đ i Vì v y, hƠm G(E) cho đ u dò HPGe cũng s khác bi t

Trong lu n văn ph ng pháp hƠm G(E) áp d ng detector nh p nháy NaI(Tl) hình tr kích th c 3”Φ×3” Vì detector nh p nháy có hình d ng và

kích th c theo chuẩn nh t đ nh nên hàm G(E) có thể áp d ng cho b t kỳ detector cùng lo i

Hàm G(E) có thể đ c xác đ nh thông qua công th c 2.2 sau:

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

G(E) =

1 max

1

log ).

Trong đó:

Kmax: s b c c a đa th c A(K): H s s đ c xác đ nh theo K E: σăng l ng v i đ n v là keV M: là s nguyên s đ c xác đ nh theo lo i detector

V i tinh thể NaI(Tl) hình tr có kích th c 3”Φ×3” (~ 7,5 Φ cm x 7,5

cm) thì G(E) đ c xác đ nh là:

3 1 16

10 1

2.4.3 Ph ng pháp di n tích đ nh

Ho t độ và su t li u c a các đ ng v phóng x đ c tính toán từ đi n tích c a các đ nh ph gamma t ng ng ghi nh n đ c Theo Beck và các

cộng s (7, 8) m i liên h gi a di n tích đ nh ph , ho t độ và su t li u đ c biểu

di n theo ph ng trình 1 và 2

T c độ đ m quang đ nh trên 1 đ n v ho t độ:

0 0

0

f

N N

: H s hi u ch nh góc khi chùm tia gamma trong môi tr ng không song song v i tr c c a tinh thể detector,

: T

ỷ s gi a thông l ng tia gamma và su t li u b c x (γ.sứ1.cmứ2/(nGy.hứ1))

2.5 Ph ng pháp đo gamma trong phòng thí nghi m

2.5.1 H ph k gamma phông th p HPGe

Cùng v i vi c đo ph gamma hi n tr ng, các m u đ t t i v trí đư đo cũng đ c thu th p để phân tích trong phòng thí nghi m M u đ t đ c l y

độ sâu từ 0 đ n 10 cm bằng d ng c l y m u có đ ng kính bên trong là 5,5

cm ba v trí v i bán kính 5 m từ v trí đo ph gamma(12) M u đ t đ c lo i

b c , x y đ n khô 1050C và rây (lỗ trên rơy có đ ng kính 1 mm) để lo i

b s i vƠ đá M u đ t sau khi x lỦ đ c đóng kín trong hộp đo bằng nh a,

b o qu n nhi t độ phòng 40 ngƠy tr c khi đo(12) Ho t độ c a 238U, 232Th và

40K trong các m u đ t đ c phân tích trên ph gamma phông th p s d ng detector HPGe c a hãng ORTEC có độ phân gi i năng l ng là 2,0 keV năng l ng 1332 keV gamma từ 60Co và hi u su t ghi t ng đ i là 35% H detector và bu ng chì thể hi n hình 2.6

Hình 2 6: H detector HPGe và bu ng chì

D: Su t li u h p th c a b c x gamma trong không khí, nGy/h,

AK: Ho t độ phóng x c a 40K, Bq/kg,

AU: Ho t độ phóng x c a 238U, Bq/kg,

ATh: Ho t độ phóng x c a 232Th, Bq/kg

CH NG 3: K T QU TH C NGHI M VÀ TH O LU N 3.1 Xác đ nh các h s chuyển đ i cho detector NaI(Tl)

Để xác đ nh các h s chuẩn cho detector s d ng các ngu n chuẩn

d ng điểm là 137Cs và 60Co c a hãng Amersham có ho t độ, ngày c p ch ng

ch đ c trình bày b ng 3.1

B ng 3 1: Ngu n chuẩn Ngu n

chuẩn σăng l ng (keV) Chu kỳ bán h y

Đo từng ngu n điểm 137Cs và 60Co kho ng cách 100 cm v i từng góc

150 so v i tr c c a detector (hình 3.1), k t qu đo cho 137Cs cho trong b ng 3.2

Hình 3 1: Đo đáp ng góc Nf/N0 c a detector