Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xác định suất liều chiếu riêng phần trên đầu dò nal (t1) 7,6 cm x 7,6 cm ứng dụng

Do đó việc đánh giá định tính qua việc phân tích các đồng vị có trong môi trường tại nơi cần quan tâm và xác định định lượng về hoạt độ, suất liều hấp thụ, suất liều chiếu… của các đồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Ngô Vũ Thiên Quang

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH SUẤT LIỀU CHIẾU RIÊNG PHẦN

TRÊN ĐẦU DÒ NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm -

ỨNG DỤNG KHẢO SÁT PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Ngô Vũ Thiên Quang

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH SUẤT LIỀU CHIẾU RIÊNG PHẦN

TRÊN ĐẦU DÒ NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm -

ỨNG DỤNG KHẢO SÁT PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử

Mã số : 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS VÕ HỒNG HẢI

Thành phố Hồ Chí Minh - 2019

Lời cam đoan

Học viên xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân học viên dưới sự hướng dẫn của TS Võ Hồng Hải Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất

kỳ hình thức nào Trong quá trình thực hiện, học viên có tham khảo các tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và cấp thiết của luận văn Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2019

Học viên

NGÔ VŨ THIÊN QUANG

Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã cung cấp số liệu thực nghiệm

Quý thầy cô Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh cũng như quý thầy cô Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Kỹ thuật Hạt nhân, Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện luận văn

Quý thầy cô Phòng Sau Đại học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ trong việc hoàn tất thủ tục, hồ sơ cần thiết trong khoá cao học

Các bạn trong khóa cao học 28 Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, vui buồn có nhau trải qua khoảng thời gian học tập, cùng làm việc nhóm, vượt thắng những kỳ thi hết môn và hỗ trợ lẫn nhau hoàn thành luận văn

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã ủng hộ tôi về nhiều mặt trong thời gian qua

Luận văn thạc sĩ này hoàn thành là nhờ vào sự giúp đỡ của tất cả

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2019

Học viên

NGÔ VŨ THIÊN QUANG

MỤC LỤC

Trang Lời cam đoan

Lời cám ơn

Mục lục

Danh mục các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Phóng xạ môi trường tự nhiên 4

1.1.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường tự nhiên 4

1.1.2 Chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên Actini, Urani, Thori 6

1.1.3 Phóng xạ từ khí Radon và con cháu của Radon 12

1.2 Các đại lượng vật lý mô tả liều lượng bức xạ 13

1.2.1 Kerma 13

1.2.2 Liều hấp thụ 15

1.2.3 Liều chiếu 16

1.2.4 Liều chiếu, liều hấp thụ và kerma va chạm trong không khí 18

1.2.5 Ví dụ minh họa so sánh kerma, liều chiếu, liều hấp thụ 19

1.3 Xác định suất liều chiếu trong không khí bằng đầu dò nhấp nháy 21

1.3.1 Mối tương quan giữa suất liều chiếu trong không khí và phổ năng lượng 21

1.3.3 Suất liều chiếu riêng phần đỉnh và suất liều chiếu riêng phần

tổng do năng lượng gamma gây ra trong phổ suất liều chiếu 23

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ TẢ THỰC NGHIỆM 25

2.1 Phương pháp xác định suất liều chiếu trong không khí bằng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm 25

2.1.1 Xác định hàm G(E) 25

2.1.2 Xác định hệ số DP(E) 27

2.2 Số liệu thực nghiệm 27

2.2.1 Hệ đo NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm 28

2.2.2 Các vị trí đo tại núi Châu Thới 29

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 Phổ năng lượng và phổ suất liều chiếu tại 18 vị trí của núi Châu Thới 31

3.2 Xác định suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của núi Châu Thới 34

3.3 Xác định suất liều chiếu riêng phần của một số đỉnh năng lượng tại 18 vị trí của núi Châu Thới 36

3.3.1 Đỉnh năng lượng 238,6 keV của đồng vị Pb-212 37

3.3.2 Đỉnh năng lượng 352,5 keV của đồng vị Pb-214 40

3.3.3 Đỉnh năng lượng 1460,8 keV của đồng vị K-40 42

3.3.4 Đỉnh năng lượng 2614,7 keV của đồng vị Tl-208 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC PL1

Danh mục các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Bảng 1.1 Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Actini 8

Bảng 1.2 Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Urani 10

Bảng 1.3 Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Thori 12

Bảng 2.1 Tọa độ địa lý của các vị trí khảo sát ở vùng núi Châu Thới 30

Bảng 3.1 Giá trị suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của núi Châu Thới 35

Bảng 3.2 Đồng vị phóng xạ được xác định từ phổ năng lượng đo bởi đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm trong thí nghiệm khảo sát núi Châu Thới 37

Bảng 3.3 Giá trị suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 238,6 keV của Pb-212 tại 18 vị trí của núi Châu Thới 38

Bảng 3.4 Giá trị suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 352,5 keV của Pb-214 tại 18 vị trí của núi Châu Thới 40

Bảng 3.5 Giá trị suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 1460,8 keV của K-40 tại 18 vị trí của núi Châu Thới 42

Bảng 3.6 Giá trị suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 2614,7 keV của Tl-208 tại 18 vị trí của núi Châu Thới 44

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Bức xạ trong môi trường đất và không khí 5

Hình 1.2 Sơ đồ chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Actini 7

Hình 1.3 Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Urani 9

Hình 1.4 Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Thori 11

Hình 1.5 Trường hợp cụ thể minh hoạ tính kerma, liều hấp thụ, liều chiếu trong môi trường không khí 20

Hình 1.6 Hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E) của đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm 23

Hình 1.7 Hệ số DP(E) của đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm x 7,6 cm 24

Hình 1.8 Phổ năng lượng hấp thụ (đen), phổ suất liều chiếu (xanh dương) và suất liều chiếu riêng phần tổng (đỏ) của gamma 661,7 keV đo bởi đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm x 7,6 cm 24

Hình 2.1 Hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E) của đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm được làm khớp bởi hàm đa thức bậc 9 26

Hình 2.2 Hệ số DP(E) của đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm được làm khớp bởi hàm đa thức bậc 9 27

Hình 2.3 Hệ đo đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm InSpectorTM 1000, Canberra Inc 28

Hình 2.4 Các vị trí thực hiện thí nghiệm ghi nhận phổ năng lượng phóng xạ môi trường tại núi Châu Thới 29

Hình 3.1 Phổ năng lượng (đường màu xanh) và phổ suất liều chiếu (đường màu đỏ) tại 18 vị trí của núi Châu Thới 34

Hình 3.2 So sánh suất liều chiếu tổng giữa 18 vị trí của núi Châu Thới 36

Hình 3.3 Phổ năng lượng và phổ suất liều chiếu tại vị trí 3 của núi Châu Thới với bốn đỉnh năng lượng được xác định 37

Hình 3.4 So sánh suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 238,6 keV của đồng vị Pb-212 giữa 18 vị trí của núi Châu Thới 39

Hình 3.5 Mối tương quan giữa suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 238,6

keV của Pb-212 và suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của núi Châu Thới 39Hình 3.6 So sánh suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 352,5 keV của

đồng vị Pb-214 giữa 18 vị trí của núi Châu Thới 41Hình 3.7 Mối tương quan giữa suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 352,5

keV của Pb-214 và suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của núi Châu Thới 41Hình 3.8 So sánh suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 1460,8 keV của

đồng vị K-40 giữa 18 vị trí của núi Châu Thới 43Hình 3.9 Mối tương quan giữa suất liều chiếu riêng phần của đỉnh

1460,8 keV của K-40 và suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của núi Châu Thới 43Hình 3.10 So sánh suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 2614,7 keV của

đồng vị Tl-208 giữa 18 vị trí của núi Châu Thới 45Hình 3.11 Mối tương quan giữa suất liều chiếu riêng phần của đỉnh

2614,7 keV của Tl-208 và suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của núi Châu Thới 45 Hình PL1 Suất liều chiếu riêng phần đỉnh được xác định bằng phần

mềm Colegram của 18 vị trí tại núi Châu Thới PL1

MỞ ĐẦU

Ngày nay, hướng nghiên cứu phóng xạ môi trường ngày càng được quan tâm trong ngành vật lý hạt nhân Bởi lẽ, phóng xạ môi trường có mặt hầu hết khắp mọi nơi (đất, đá, vật liệu xây dựng, không khí, từ bức xạ vũ trụ…) Do đó việc đánh giá định tính qua việc phân tích các đồng vị có trong môi trường tại nơi cần quan tâm

và xác định định lượng về hoạt độ, suất liều hấp thụ, suất liều chiếu… của các đồng

vị đó là việc cực kỳ cần thiết trong việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của phóng xạ lên con người và môi trường sinh sống

Thiết bị phổ biến nhất hiện nay sử dụng để đo suất liều chiếu trong không khí

là các đầu dò khí Vì chúng gọn nhẹ, có thể xách tay tiện lợi đến khu vực cần khảo sát Tuy nhiên các đầu dò khí có khuyết điểm chỉ có thể cung cấp thông tin về số đếm, không thể cung cấp thông tin về năng lượng bức xạ Nói cách khác, đầu dò khí không giúp chúng ta phân biệt được suất liều chiếu đo được do đồng vị nào đóng góp vào, ứng với mỗi năng lượng gamma khác nhau của đồng vị đó đóng góp suất liều chiếu bao nhiêu trong suất liều chiếu tổng (suất liều chiếu riêng phần)

Từ năm 1966 với sự ra đời của các đầu dò đo được phổ năng lượng, điển hình

là đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) Nhóm nghiên cứu của Shigeru Moriuchi và Ichiro Miyagana [1] đã đưa ra phương pháp xác định suất liều chiếu trong không khí bằng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) thông qua hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G E ( ) Ưu điểm của phương pháp này giúp xác định được suất liều chiếu từ phổ năng lượng đo được

Tiếp nối hướng nghiên cứu về suất liều chiếu sử dụng đầu dò nhấp nháy, có hai nhóm nghiên cứu (1) Young-Yong Ji ở viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Hàn Quốc (Korea Atomic Energy Research Institute) [2]–[7] và (2) nhóm của Kimiaki Saito ở viện năng lượng nguyên tử Nhật Bản (Japan Atomic Energy Agency) [8]–[11], nghiên cứu về phương pháp xác định suất liều chiếu riêng phần

và thực hiện đánh giá phóng xạ trong môi trường Đối với nhóm Young-Yong Ji và cộng sự, từ năm 1997 đến 2017, đã tiến hành nghiên cứu về phương pháp về xác

tinh thể khác nhau Đặc biệt, nhóm đã phát triển phương pháp xác định suất liều chiếu riêng phần ứng với từng đỉnh năng lượng dựa vào phổ năng lượng đo được thông qua các hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G E ( ) liên quan đến hàm đáp ứng của đầu dò nhấp nháy và DP E liên quan đến sự ảnh hưởng của suất liều chiếu do  

thành phần gamma tán xạ lên suất liều chiếu riêng phần tổng [2]–[7] Đối với nhóm của Kimiaki Sato và cộng sự, từ năm 2014 đến 2019, cũng phát triển phương pháp xác định suất liều chiếu thông qua hàm G E ( ) và áp dụng đánh giá một số vùng tại Fukushima sau sự cố Fukushima

Ngoài hai nhóm lớn trên, trên thế giới cũng có những nhóm khác nghiên cứu

và tăng độ chính xác về phương pháp này [12]–[14] Điều này chứng tỏ phương pháp này ngày càng được các nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong việc xác định suất liều chiếu một cách chính xác hơn Tuy nhiên tại Việt Nam việc xác định suất liều chiếu (suất liều chiếu tổng và suất liều chiếu riêng phần) sử dụng đầu

dò ghi nhận phổ chưa phát triển, vì thế trong luận văn thạc sĩ này chúng tôi thực hiện luận văn: Nghiên cứu xác định suất liều chiếu riêng phần trên đầu dò NaI(Tl)

Về phương pháp xác định suất liều chiếu, từ phổ năng lượng đo được, cùng với việc xác định hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G E cho đầu dò nhấp nháy  

NaI(Tl) hình trụ kích thước 7,6cm 7,6cm  , để từ đó thu được phổ suất liều chiếu Với phổ suất liều chiếu, có thể xác định được suất liều chiếu tổng thông qua tổng số liệu từ phổ suất liều chiếu Để xác định suất liều chiếu riêng phần ứng với các năng lượng gamma, hệ số chuyển đổi DP E cho đầu dò NaI(Tl) được xác định  

Về phần áp dụng vào đánh giá về phóng xạ môi trường, trong luận văn này, chúng tôi phân tích cho 18 vị trí đo tại núi Châu Thới, tỉnh Bình Dương Bộ số liệu thực nghiệm đo phổ năng lượng phóng xạ môi trường tại 18 vị trí khác nhau ở núi Châu Thới được thực hiện bởi phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [15]

Nội dung luận văn được phân bố thành 03 chương chính:

Chương 1 trình bày về phóng xạ môi trường, các định nghĩa về đơn vị phóng

xạ, phương pháp xác định suất liều chiếu cho đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)

Chương 2 trình bày về các xác định hàm chuyển đổi suất liều chiếu G E và  

 

DP E cho đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 7,6cm 7,6cm  từ bộ số liệu tham khảo, và trình bày về 18 vị trí đo phóng xạ môi trường tại ở núi Châu Thới Chương 3 trình bày các kết quả đo được và phân tích số liệu để (1) xác định phổ suất liều chiếu từ phổ năng lượng đo được, (2) xác định suất liều chiếu tổng và suất liều chiếu riêng phần cho một số đỉnh năng lượng

Chương 1 TỔNG QUAN

Trong chương này, chúng tôi trình bày nguồn gốc phóng xạ môi trường, các chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên, đại lượng vật lý mô tả liều lượng bức xạ và cách xác định suất liều chiếu của không khí bằng đầu dò nhấp nháy qua hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G E và hệ số chuyển đổi suất liều chiếu riêng phần   DP E  

1.1 Phóng xạ môi trường tự nhiên

1.1.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường tự nhiên

Phóng xạ môi trường luôn tồn tại xung quanh chúng ta, kể từ khi Trái Đất được hình thành và phát triển sự sống Mọi cá thể sống trên Trái Đất đều tiếp xúc với các nguồn phóng xạ Phóng xạ môi trường có nguồn gốc từ các nguồn phóng xạ

tự nhiên và từ nguồn phóng xạ nhân tạo Nguồn phóng xạ nhân tạo từ trong các lò phản ứng hạt nhân, các vụ thử hạt nhân, nhà máy công nghiệp chiếu xạ, y tế (xạ trị, chẩn đoán)

Nguồn phóng xạ tự nhiên là các chất đồng vị phóng xạ có trong đất, nước, không khí, và từ bức xạ vũ trụ, chúng hình thành nên nền phông phóng xạ tự nhiên Phóng xạ tự nhiên là nhân tố đóng góp chủ yếu trong phóng xạ môi trường Phông phóng xạ tự nhiên phụ thuộc vào hàm lượng chất phóng xạ tự nhiên chứa trong đất, nước, khí của từng vùng và lượng bức xạ vũ trụ tại vùng đó, vì vậy sẽ có vùng có phông phóng xạ tự nhiên cao hoặc thấp khác nhau

Bức xạ vũ trụ đến Trái Đất từ không gian bên ngoài gọi là bức xạ vũ trụ sơ cấp, bức xạ vũ trụ sơ cấp đẳng hướng trong không gian và không đổi theo thời gian Chúng thường được xem như là các hạt tích điện bao gồm khoảng 86% proton, 12% alpha, 1% electron và các hạt nhân nặng khác chiếm 1% [16], với phổ năng lượng trải dài từ 10 eV (tương đương năng lượng của proton chuyển động đạt 43% vận 9tốc ánh sáng) đến 10 eV20 Vì đa số bức xạ vũ trụ sơ cấp là những hạt tích điện nên quỹ đạo chúng rất phức tạp do ảnh hưởng của từ trường Trái Đất

Khi các bức xạ sơ cấp đến bầu khí quyển của Trái Đất, chúng tương tác với các nguyên tử và phân tử mà chủ yếu là Oxy và Nitơ hình thành các bức xạ thứ cấp

và tiếp tục hướng đến bề mặt Trái Đất Hiện tượng này gọi là mưa rào khí quyển Bức xạ thứ cấp bao gồm neutron, electron, muon, proton và các đồng vị phóng xạ H-3, Be-7, Be-10, C-14, Na-22 có mặt trong không khí Độ cao càng cao thì bức xạ

vũ trụ càng lớn

Phóng xạ tự nhiên có trong đất do sự tồn tại từ các chuỗi phóng xạ Actini 235), Urani (U-238), Thori (Th-232), Neptuni (Np-237) và đồng vị phóng xạ tự nhiên K-40 không thuộc trong bốn chuỗi này Hoạt độ của các đồng vị phóng xạ này trong đất đá có thể thay đổi khác nhau, mức phóng xạ trong đất phụ thuộc vào loại đất, sự tạo thành khoáng sản và mật độ khoáng sản Mức chiếu xạ này có liều trung bình trong một năm khoảng 0,45mSv [17] Hình 1.1 tóm lược về các bức xạ trong môi trường đất và không khí gây ảnh hưởng đến con người

(U-Hình 1.1 Bức xạ trong môi trường đất và không khí [18]

Nước biển trong các đại dương có chứa Kali, Rubidi, Urani, Thori và Radi do

trong đất từ 10 đến 100 lần Chất phóng xạ trong nước chủ yếu là do K-40 vì nồng

độ của nó cao hơn nhiều so với các đồng vị khác, chúng gây chiếu xạ lên cơ thể với suất liều trung bình trong một năm đạt 0,25mSv [17]

Trong vật liệu xây dựng cũng chứa các đồng vị phóng xạ, thông thường phần lớn là các đồng vị phóng xạ tự nhiên Thành phần phổ biến trong bê tông là K-40 và các sản phẩm của chuỗi phân rã Urani, Thori Một số vật liệu xây dựng: xi măng, bê tông, đá hoa cương, đá cẩm thạch đều có chứa một lượng Radon nhất định Các vật liệu được gia công từ phế liệu công nghiệp như xỉ lò cao, bột tro từ nhà máy nhiệt điện đều có chứa Radi, sau khi Radi phân rã sẽ sinh ra khí Radon

1.1.2 Chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên Actini, Urani, Thori

Khoảng 76 đồng vị phóng xạ tự nhiên khác nhau được biết đến ngày nay, phần lớn nằm trong bốn chuỗi phân rã tự nhiên [19], đó là chuỗi Thori (đồng vị đặc trưng

là Th-232 với chu kỳ bán rã 10

1, 405 10 năm), chuỗi Urani (đồng vị đặc trưng là

U-238 với chu kỳ bán rã 4, 468 10 9 năm), chuỗi Actini (đồng vị đặc trưng là U-235 với chu kỳ bán rã 7,038 10 8 năm), chuỗi Neptuni (đồng vị đặc trưng là Np-237 với chu kỳ bán rã 2,140 10 6 năm) Chuỗi Neptuni có thời gian sống ngắn hơn rất nhiều so với tuổi của Trái Đất, nên đến nay chuỗi Neptuni không còn tồn tại nữa Trong quá trình phân rã phóng xạ, các đồng vị phóng xạ đặc trưng nói trên phát ra (một hoặc đồng thời) ba loại phóng xạ: alpha, beta và gamma, tạo ra các đồng vị phóng xạ con cháu Một số sản phẩm phân rã trung gian trong chuỗi là nguồn phát gamma Các thành phần chính thể hiện trạng thái cân bằng cường độ bức xạ của gamma cho mỗi phân rã của hạt nhân mẹ [20]

Trong đất và thực vật, một số đồng vị phóng xạ khác có mặt với chu kỳ bán rã rất dài và không có trong bốn chuỗi phân rã tự nhiên Đồng vị quan trọng nhất là đồng vị phóng xạ K-40 (chu kỳ bán rã 9

1, 25 10 năm) trong đất và cây cối với tỷ lệ K-40

0, 012%

K  là hằng số Sự phân bố của đồng vị này khá đồng nhất

a Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Actini (U-235)

Trải qua nhiều lần phân rã, đồng vị U-235 cuối cùng thành đồng vị chì bền vững Pb-207 (có độ phổ cập là 22,1%) Hình 1.2 trình bày về sơ đồ phân rã của chuỗi Actini Trong chuỗi Actini có quá trình phân rã tạo ra khí trơ Rn-219 có chu

kỳ bán rã 3,96 giây quá ngắn để vào trong khí quyển Đây là lý do không khảo sát đồng vị này trong môi trường không khí xung quanh Bảng 1.1 trình bày chi tiết về chu kỳ bán ra từng đồng vị và các sản phẩm phân rã của chúng có trong chuỗi Actini

Hình 1.2 Sơ đồ chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Actini [21]

Bảng 1.1 Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Actini [22]

b Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Urani (U-238)

Đồng vị phóng xạ U-238 được tìm thấy trong hầu hết các loại đá, đất và vật liệu xây dựng, trải qua 14 lần dịch chuyển, thành đồng vị chì bền vững Pb-206 (có

độ phổ cập là 24,1%) Hình 1.3 là sơ đồ phân rã của chuỗi Urani Đồng vị phóng xạ

Urani thiên nhiên gồm 0,714% U-235 và 99,3% U-238, tức tỉ lệ U-235 0,72%,

U-238 

vì thế đa số các đồng vị phóng xạ được phát hiện đều bắt nguồn từ chuỗi Urani

(U-238) Bảng 1.2 trình bày chi tiết về chu kỳ bán ra từng đồng vị và các sản phẩm phân rã của chúng có trong chuỗi Urani

Chuỗi phóng xạ Urani đáng chú ý nhất là đồng vị Ra-226 và khí Rn-222 Nguyên tố Ra-226 trong môi trường không tồn tại dưới dạng khoáng chất riêng lẻ

mà tồn tại ở dạng muối clorua, bromua, nitrat dễ hoà tan trong nước hoặc một số muối ít tan kết hợp với các khoáng chất khác như canxi cacbonat, oxit sắt ngậm nước Đồng vị Ra-226 phát ra nhiều bức xạ gamma, chiếm 85,5% bức xạ gamma của cả dãy Đối với khí Rn-222, khi U-238 phân rã trong đất thì khí Rn-222 được sinh ra ngưng đọng thành chất lỏng dưới mặt đất, khi chất lỏng ở dưới mặt đất bốc hơi vào khí quyển, Rn-222 sẽ khuếch tán vào bầu khí quyển, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người

Hình 1.3 Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Urani [21]

Bảng 1.2 Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Urani [22]

c Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Thori (Th-232)

Xuất phát từ hạt nhân Th-232 (có độ phổ cập là 100%) trong tự nhiên, trải qua

10 lần dịch chuyển, trở thành đồng vị chì bền vững Pb-208 (có độ phổ cập là

Trái Đất, hàm lượng trung bình của Thori của lớp trên cùng của vỏ Trái Đất khoảng

5

1, 2 10 %.  Hàm lượng Thori có xu hướng tăng dần trong các lớp bề mặt Đó là do các khoáng chất chứa Thori có độ hoà tan cực kỳ thấp Do đó, kết quả theo sau các

quá trình phong hoá là các thành phần khác nhau của đất bị phân huỷ ở mức độ rất lớn trong khi các khoáng chất Thori phân huỷ ở mức độ thấp hơn, vì vậy Thori ở các lớp bề mặt được làm giàu Nên Thori được tìm thấy trong hầu hết các loại đất,

đá, vật liệu xây dựng, bê tông và gạch Bảng 1.3 trình bày chi tiết về chu kỳ bán ra từng đồng vị và các sản phẩm phân rã của chúng có trong chuỗi Thori

Hình 1.4 Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Thori [21]

Bảng 1.3 Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Thori [22]

1.1.3 Phóng xạ từ khí Radon và con cháu của Radon

Khí Radon (khí trơ) là sản phẩm của các chuỗi phân rã cùng với các đồng vị con cháu của nó là thành phần đóng góp vào phông nền Các thành phần đó bao gồm Rn-222 (chu kỳ bán rã là 3,8 ngày) trong dãy phân rã phóng xạ Urani, Rn-219 (chu kỳ bán rã là 3,96 giây) trong dãy phân rã phóng xạ Actini và Rn-220 (chu kỳ bán rã là 55,6 giây) trong dãy phân rã phóng xạ Thori

Trong không khí gần mặt đất, hoạt độ của khí Radon thay đổi theo gió và thời tiết Trong phòng thông hơi kém, hoạt độ khí Radon thay đổi từ 0,1 đến 10 Bq/m3[23] với hoạt độ trung bình vào khoảng 3, 7 Bq/m , chủ yếu là Rn-222 do có chu kỳ 3bán rã dài Bức xạ gamma từ phân rã của Rn-222 chủ yếu đến từ đồng vị con cháu Pb-214 (chu kỳ bán rã là 26,8 phút), Bi-214 (chu kỳ bán rã là 19,9 phút) và Pb-210 (chu kỳ bán rã là 22,3 năm)

Khí Radon khuếch tán từ đất, vật liệu xây dựng vào không khí, con cháu của Radon phóng xạ thường ở dạng rắn ở các điều kiện thông thường và bám vào các hạt bụi khí quyển, khi con người hít bụi sẽ gây ra sự chiếu trong cơ thể rất có hại Lượng Radon trong nhà ở phụ thuộc vào vùng địa lý, vào mùa trong năm và các yếu

tố địa lý, khí hậu… Trong các phòng kín lượng Radon lớn hơn rất nhiều so với ở ngoài trời, nếu vượt quá mức cho phép là một trong những nguyên nhân gây nên ung thu phổi Sống liên tục trong nhà có lượng Radon vào khoảng 150 Bq/m thì 3nguy cơ tử vong do ung thư phổi tăng thêm từ 1 đến 3% [24]

1.2 Các đại lượng vật lý mô tả liều lượng bức xạ

1.2.1 Kerma

Khi các gamma tương tác với môi trường vật chất, chúng sẽ sinh ra các hạt mang điện (electron, positron) và truyền toàn bộ năng lượng 'E  hay truyền một phần năng lượng đó cho các hạt mang điện này dưới dạng động năng Các hạt mang điện thứ cấp này có thể có các động năng khác nhau, tuỳ thuộc vào kiểu tương tác

và mức năng lượng liên kết trong nguyên tử

Gọi Etr là năng lượng trung bình mà bức xạ truyền cho các hạt mang điện trong một vùng thể tích trong một khoảng thời gian Khi đó, hệ số kerma K tại một điểm trong vùng thể tích đang xét là [25]

tr

dE K dm

trong đó dm là vi phân khối lượng vật chất tại điểm đang xét đó

Vậy kerma (kinetic energy released per mass unit) được định nghĩa là năng lượng mà chùm gamma truyền cho các hạt mang điện trong mỗi đơn vị khối lượng tại điểm đang xét Hay cụ thể hơn, kerma là tổng tất cả động năng ban đầu của các hạt mang điện được sinh ra bởi chùm gamma trong một thể tích xác định của vật chất chia cho khối lượng vật chất chứa trong thể tích đó [25] Giá trị trung bình kerma trong một vùng thể tích chứa khối lượng vật chất m là E tr

K m

 Đơn vị của kerma được quy đổi như sau

 là mật độ của môi trưởng vật chất

Nếu xét toàn bộ phổ năng lượng từ E0 đến E  Emax thì

Sau khi chùm gamma đơn năng 'E tương tác môi trường vật chất sinh ra các y

hạt mang điện có các động năng khác nhau, các hạt mang điện này sẽ mất năng lượng theo hai dạng sau [25]:

- Do va chạm với các electron khác trong nguyên tử vật chất Gọi năng lượng trung bình các hạt mang điện mất đi do va chạm là E en

- Do phát bức xạ (bức xạ hãm, huỷ cặp) Gọi năng lượng mà các hạt mang điện mất đi do phát bức xạ là Er.

Vậy động năng trung bình của các hạt mang điện có thể được tách thành hai thành phần [25]

r r

dE K dm

en c

dE K

dm

Mặt khác, Kc có thể được tính bằng thông lượng năng lượng  gây bởi chùm

gamma đơn năng thông qua hệ số hấp thụ năng lượng khối

,,

ab

dE D dm

Giá trị trung bình của liều hấp thụ trong suốt vùng thể tích chứa khối lượng vật chất m là E ab

D

m

 Đơn vị của liều hấp thụ là J/kg. Giá trị liều hấp thụ bức xạ phụ thuộc tính chất của bức xạ và môi trường Sự hấp thụ năng lượng của môi trường đối với bức xạ là do tương tác của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất Do

đó năng lượng hấp thụ trong một đơn vị khối lượng phụ thuộc vào năng lượng liên kết của các electron với hạt nhân nguyên tử và vào số nguyên tử có trong một đơn

vị khối lượng của môi trường vật chất hấp thụ, nó không phụ thuộc vào trạng thái kết tụ của vật chất [17]

Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ tính trong một đơn vị thời gian có giá trị là [25]

ab

dE

dD d D

của chùm gamma Xét một lượng không khí có khối lượng dm bị chiếu bởi một

chùm gamma, khi đó liều chiếu X là tỉ số

dQ X dm

trong đó dQ C là lượng điện tích của hạt mang điện (electron/ positron) xuất hiện

do sự ion hoá không khí bởi chùm gamma trong một thể tích xác định Điều kiện áp

dụng ở đây là mọi hạt mang điện được sinh ra đều dừng lại trong dm và toàn bộ

dQ được ghi nhận Đơn vị của liều chiếu được quy đổi như sau

Một điều cần lưu ý khi chùm gamma đi vào một vùng thể tích không khí khô,

nó sẽ sinh ra trong đó các hạt mang điện, các hạt mang điện này tiếp tục ion hoá các nguyên tử và sinh ra thêm các cặp ion – electron thứ cấp bên trong cũng như ở bên ngoài khối không khí này Do đó, khi định nghĩa liều chiếu theo Roentgen, ta phải đảm bảo điều kiện cân bằng electron, nghĩa là tổng năng lượng của các electron mang ra khỏi thể tích nghiên cứu phải bằng với tổng năng lượng của các electron mang vào thể tích này [17]

Gọi W 33,97 eV là năng lượng trung bình để tạo một cặp ion – electron trong không khí khô [26], giá trị này được xem như một hằng số với mọi chất khí

Ta lấy W chia cho e và đổi đơn vị eV thành J , khi đó

19 19

W e

 cũng là hàm phụ thuộc năng lượng

gamma, khi ấy liều chiếu X là [25]

dX X dt

1.2.4 Liều chiếu, liều hấp thụ và kerma va chạm trong không khí

a Tương quan giữa liều chiếu và kerma va chạm trong không khí

Liều chiếu trong không khí được tính thông qua thông lượng năng lượng

en

E

e X

c

K

b Tương quan giữa liều chiếu và liều hấp thụ trong không khí

Để tìm được mối tương quan giữa liều chiếu và liều hấp thụ trong không khí, chúng ta sẽ xuất phát từ định nghĩa đơn vị Roentgen của liều chiếu trong không khí

Ta có 1R là liều chiếu của gamma mà dưới tác dụng của gamma sẽ tạo ra trong

1cm không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn số cặp ion – electron là 9

2, 08 10 cặp [17] Vì khối lượng riêng của không khí khô là 1, 293 10 g/cm , 3 3 nên trong 1g

không khí khô tương ứng

9

12 3

13 eV1R 5, 47 10

g

19 13

3

1, 6022 10 J1R 5, 47 10

Từ đó ta có mối tương quan giữa liều chiếu trong không khí và liều hấp thụ trong không khí là

1.2.5 Ví dụ minh họa so sánh kerma, liều chiếu, liều hấp thụ

Xét  có năng lượng E' tới thể tích V xảy ra tương tác Compton với ,electron e , và e nhận năng lượng E và e 1 tán xạ t\át ra khỏi thể tích ,V như trình

bày như trong hình 1.5 Trong quá trình e ion hóa môi trường, e có thể tạo ra bức

xạ hãm 2tại vị trí (a) và thoát ra khỏi thể tích ,V năng lượng electron e giảm đi

còn E tại vị trí (b) e' E e' E e. Trên đường thoát khỏi thể tích V electron e tiếp ,

tục ion hóa tiếp các nguyên tử và năng lượng sau khi thoát khỏi thể tích V còn E e''

Hình 1.5 Trường hợp cụ thể minh hoạ tính kerma, liều hấp thụ, liều chiếu

trong môi trường không khí

Khi ấy năng lượng  truyền cho electron e là

33,97

c en

. . . .

. .

.

(a)

(b)

1.3 Xác định suất liều chiếu trong không khí bằng đầu dò nhấp nháy

Trong môi trường đầu dò nhấp nháy, suất liều chiếu phụ thuộc năng lượng gamma tới, vì thế khi tính ngược lại suất liều chiếu trong không khí thì phổ năng lượng cần nhân một hàm trọng số Do đó, trong mục này chúng tôi sẽ trình bày sự phụ thuộc suất liều chiếu và phổ năng lượng thông qua hàm trọng số G E hay còn  

gọi là hệ số chuyển đổi suất liều chiếu Bên cạnh đó, chúng tôi cũng trình bày hệ số

Suất liều chiếu trong không khí có thể được tính toán từ phổ năng lượng từ bất

kỳ hệ đo gamma bằng phương trình [27]

trong đó n E là phổ năng lượng   E đo được, G E là hệ số chuyển đổi suất liều  

chiếu đặc trưng cho đầu dò được sử dụng để ghi nhận phổ năng lượng n E , Emin

là biên dưới của đỉnh hay vùng phổ, Emax là biên trên của đỉnh hay vùng phổ

Trong hệ đo gamma, phổ năng lượng đo được có thể diễn tả bởi [27]

0

n E  E R E E dE (1.40) trong đó, R E E là hàm đáp ứng của đầu dò,  , ' E' là năng lượng gamma tới detector, E là năng lượng mà gamma để lại trong đầu dò,  E' là phổ năng lượng gamma tới Khi thay (1.40) vào (1.39) sẽ được

max

min

air 0

1.3.2 Hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E)

Vì năng lượng E trong hệ đo phổ năng lượng rời rạc theo từng khoảng chia năng lượng nên R E E , ' là một hàm rời rạc, nên xair E'

dữ liệu x j



có thể thu được từ những bộ dữ liệu có sẵn như [28], ta tính toán được hệ

số chuyển đổi suất liều chiếu G E  

Đối với đầu dò NaI(Tl) kích thước 7,6cm 7,6cm  , dạng hàm G(E) được xác định như ở hình 1.6

Hình 1.6 Hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E) của đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm ×

Đối với đầu dò NaI(Tl) hình trụ kích thước 7,6cm 7,6cm  , hệ số DP E  

được trình bày như ở hình 1.7 Hệ số DP E là một hàm phụ thuộc vào năng lượng  

của gamma Hình 1.8 là ví dụ về kết quả xác định suất liều chiếu riêng phần tổng

7,6cm 7,6cm  Ở đó, đường màu đen là phổ năng lượng hấp thụ được đo bởi NaI(Tl) 7,6cm 7,6cm,  đường màu xanh là phổ suất liều chiếu được xác định dựa vào hệ số G E , đường màu đỏ là suất liều chiếu riêng phần tổng được xác định dựa vào hệ số DP E  .

Hình 1.7 Hệ số DP(E) của đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm x 7,6 cm [5]

Hình 1.8 Phổ năng lượng hấp thụ (đen), phổ suất liều chiếu (xanh dương) và suất liều chiếu riêng phần tổng (đỏ) của gamma 661,7 keV đo bởi đầu dò

NaI(Tl) 7,6 cm x 7,6 cm

Phổ hấp thụ năng lượng

Phổ suất liều chiếu

Suất liều chiếu riêng phần

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ TẢ THỰC NGHIỆM

Trong chương 2, chúng tôi trình bày (1) về phương pháp xác định suất liều chiếu thông qua việc xác định hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G E  và hệ số

2.1.1 Xác định hàm G(E)

Khi sử dụng đầu dò nhấp nháy, suất liều chiếu phụ thuộc năng lượng gamma tới (ngược lại với đầu dò khí, suất liều chiếu không phụ thuộc năng lượng) Tức ứng với mỗi năng lượng gamma tới khác nhau sẽ gây ra suất liều chiếu khác nhau Để có

sự tương đồng giữa môi trường nhấp nháy và môi trường khí thì số đếm đo được cần nhân với một hàm trọng số G E  như công thức (1.39) Hệ số G E  không chỉ phụ thuộc năng lượng gamma tới, hướng tới mà còn phụ thuộc chất liệu và dạng hình học của đầu dò

Trong luận văn này, đầu dò NaI(Tl) 7,6cm 7,6cm  được sử dụng trong việc xác định suất liều chiếu Để xác định hệ số G E , chúng tôi sử dụng dữ liệu từ các nghiên cứu [4], [5] Hình 2.1 trình bày hệ số G E  của đầu dò NaI(Tl)

vuông góc (đường màu xanh) Để xác định suất liều chiếu trong môi trường, chúng tôi sử dụng giá trị trung bình (đường màu đỏ) của hai thành phần song song và

Hình 2.1 Hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E) của đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm ×

7,6 cm được làm khớp bởi hàm đa thức bậc 9 [5]

Để nội suy các giá trị G E , chúng tôi làm khớp dữ liệu thông qua hàm làm khớp đa thức bậc chín Phương trình (2.1) là kết quả làm khớp và được biểu diễn như đường màu đỏ trong hình 2.1