Luận văn tốt nghiệp phân tích hoạt độ phóng xạ các đồng vị ra 226, th 232, k 40 trong mẫu đất đá

Gần 4 thập kỷ thử nghiệm ồ ạt vũ khí nguyên tử đã đi qua, nay, trên nhiều vùng của Trái đất vẫn còn tồn tại những đồng vị phóng xạ như cesium 137Cs, strongxi 90Sr, hydro nặng 3H..., chún

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

PHAN THỊ MINH TÂM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Giảng viên hướng dẫn: thầy Hoàng Đức Tâm

Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân

Khóa 31

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2009

Xin gởi lời cảm ơn đến các cán bộ, thầy cô và anh chị trong phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân – khoa Vật lý – trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình làm thực nghiệm

Cảm ơn các bạn lớp Lý cử nhân – K31 đã quan tâm chia sẻ, giúp đỡ mình trong suốt quá trình làm luận văn

Cảm ơn gia đình đã luôn sát cánh bên con trong thời gian học đại học, luôn động viên và ủng hộ

để con hoàn thành luận văn này trong điều kiện tốt nhất

Quả vậy, khắp mọi nơi đều có chất phóng xạ Các chất phóng xạ và các tia bức xạ có thể đến Trái đất từ những miền xa xôi trong vũ trụ bao la Đó là những chất phóng xạ tự nhiên Quanh chúng ta, chất phóng xạ có trong đất đá, cây cỏ, nước, không khí Ngay trong mỗi bộ phận cơ thể con người cũng chứa những hạt nhân phóng xạ Ai cũng biết, nhờ đồng vị cacbon phóng xạ 14C tồn tại trong xương người mới có phương pháp 14C để xác định tuổi người tiền sử…Tuy vậy sự phân bố không đều, nơi này và nơi khác vì hàm lượng phóng xạ trong môi trường phụ thuộc vào vị trí địa lý, kiến tạo địa chất, loại cây cỏ, tình trạng sinh sống của con người, vào cả vật liệu xây dựng và kiến trúc ngôi nhà để

ở

Ngoài ra, từ non một thế kỷ nay với sự phát triển của công nghệ hạt nhân, trong môi trường đã xuất hiện những chất phóng xạ nhân tạo Chúng sinh ra từ các công nghệ ứng dụng hạt nhân, từ vụ nổ Chernobyl và đặc biệt từ các vụ thử nguyên tử trong khí quyển Gần 4 thập kỷ thử nghiệm ồ ạt vũ khí nguyên tử đã đi qua, nay, trên nhiều vùng của Trái đất vẫn còn tồn tại những đồng vị phóng xạ như cesium (137Cs), strongxi (90Sr), hydro nặng (3H) , chúng còn lưu lại chủ yếu trong đất, bùn đáy và một

số động thực vật với hàm lượng rất thấp

Phổ biến nhất là đồng vị phóng xạ kali (40K), có thể nhận biết sự hiện diện của đồng vị phóng xạ tự nhiên 40K có nhiều trong rau, hoa quả và cơ thể con người Bên cạnh đó là các hạt nhân trong dãy phóng xạ urani và thori Riêng trong dãy phóng xạ urani, một sản phẩm rất đáng lưu ý là khí phóng xạ radon (222Rn) là một đồng vị thuộc các chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên rất nguy hiểm cho con người,

nó là tác nhân gây ung thư hang đầu trong các chất ung thư phổi

Sự có mặt của các đồng vị phóng xạ luôn ảnh hưởng dù ít hay nhiều đến tình trạng sức khỏe của con người và môi trường xung quanh bởi sự tác động của bức xạ lên vật chất sống Và con người từ lúc

ra đời đã bắt đầu sống chung với phóng xạ và chịu ảnh hưởng của mọi loại phóng xạ Không ai có thể trốn chạy, cách ly với một môi trường sống như thế Do đó, việc nghiên cứu những tác động có hại của phóng xạ đến sức khỏe con người và các ảnh hưởng của chúng lên môi trường sống là rất quan trọng

và nhận được nhiều sự quan tâm Đã đến lúc mỗi người dân cũng nên biết mức độ chiếu xạ nơi mình sinh sống để giảm thiểu những rủi ro gây ra bởi bức xạ tự nhiên

Từ những khảo sát trên, đề tài: “Phân tích hoạt độ phóng xạ các đồng vị 226 Ra, 232 Th, 40 K trong mẫu đất đá” được thực hiện nhằm mục đích xác định hoạt độ phóng xạ các đồng vị 226Ra, 232Th,

40K trong một số mẫu đất đá (được lấy ở một số địa phương), xác định liều hiệu dụng hàng năm, so sánh với tiêu chuẩn quốc tế và kết luận về nền phông phóng xạ tự nhiên một số địa điểm Từ đó đề xuất các biện pháp về an toàn bức xạ có liên quan để giảm những tác động có hại của chúng tới sức khỏe con người

Bố cục của luận văn:

Luận văn được trình bày theo 3 phần chính:

* Phần mở đầu: trình bày mục đích nghiên cứu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, đối tượng

và phương pháp nghiên cứu

* Phần nội dung: gồm 4 chương như sau:

Chương 1 trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu: nguồn gốc phóng xạ, những ảnh hưởng của phóng xạ nói chung và phông tự nhiên nói riêng tới con người và môi trường sống Đồng thời, nêu các tiêu chuẩn an toàn bức xạ trên thế giới và Việt Nam

Chương 2 là phần trình bày về phổ kế gamma nói chung và phổ kế gamma trường ĐH Sư phạm nói riêng

Chương 3 là phần thực nghiệm trình bày các quá trình thu thập, xử lý, đo mẫu và tính toán hoạt

độ các nhân phóng xạ quan tâm trong mẫu

Chương 4 là phần kết quả nghiên cứu: trình bày các kết quả định tính và định lượng của việc xử

lý phổ gamma của mẫu, đánh giá các kết quả phân tích

* Phần kết luận: đưa ra những nhận xét tổng quát rút ra từ kết quả của quá trình nghiên cứu Tác giả

cũng đưa ra một số đề xuất nhằm bảo vệ an toàn sức khỏe cho người dân

2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

* Trên thế giới:

Các nghiên cứu cho thấy, phông phóng xạ tự nhiên thay đổi theo từng nước, từng vùng Có khoảng 5% dân số thế giới sống ở các khu vực có phông phóng xạ tự nhiên cao, thuộc các nước Italia, Braxin, Pháp, Ấn Độ, Trung Quốc, Nigeria, Madagatsca

Ở Pháp, theo tài liệu chính thức của ”Tổng cục an toàn của các cơ sở hạt nhân” thuộc Bộ Công nghiệp và Bộ Môi trường [9], phông phóng xạ trung bình cho mỗi người dân trong một năm là 2.4 mSv Đây là phông phóng xạ tự nhiên cho toàn nước Pháp Còn trên vùng núi cao và vùng đá hoa cương (granit có chứa chất phóng xạ tự nhiên là uran và thori) thì phông phóng xạ tự nhiên cao hơn

Ở vùng Đông nam Ấn Độ, thuộc hai tỉnh Kerala và Tamilnaru [4] có một mỏ monazit, trải trên một khu vực rộng 500m, dài 25 km Khoảng 70 000 người sống trên dải đất đó chịu một liều bức xạ gấp hàng trăm lần so với bình thường Nguyên nhân là mỏ monazit đó có chứa thori với hàm lượng cao tới 10-3g/g (mức bình thường vào khoảng 10-4-10-6 g/g)

Ở Braxin, tại bang Espirito Santo và Rio de Janero [4] có một mỏ monazit, liều phóng xạ tự nhiên ở đó cao hơn mức bình thường tới 400 lần Gần 12 000 dân địa phương của thành phố nhỏ Guarapari và 30 000 khách du lịch vãng lai tại khu vực đó chịu một liều phóng xạ tự nhiên cao hơn mức bình thường từ 50-100 lần Tại bang Minas Gerais [4], trên núi sắt (Morro do Ferro), gần Pocos de Calclas có mỏ apatit có hàm lượng cao của uran và thori tạo nên suất liều cao hơn mức bình thường tới

1000 lần

Tại tỉnh Quảng Đông, Trung Quốc [4] cũng có mỏ monazit gây nên phông phóng xạ cao

Một số ngôi nhà ở Ramsar thuộc Iran [4], người dân nhận liều bức xạ vào cỡ 132mSv/năm Nguyên nhân là do nguồn nước ở đây rất giàu đồng vị 226Ra

Tuy nhiên, cũng có nước phông phóng xạ tự nhiên thấp như Anh [9]: 1.5 mSv/năm; Autralia [9]: 1.5 mSv/năm, Hà Lan [9]: 2 mSv/năm (theo số liệu năm 2006 do Hiệp hội hạt nhân quốc tế cung cấp)

* Ở Việt Nam:

Ở nước ta hiện có một số đề tài về xác định phông phóng xạ đã và đang thực hiện như: điều tra hiện trạng môi trường phóng xạ trên các tụ khoáng Đông Pao, Thèn Sin (Lai Châu), Mường Hum (Lào Cai), Yên Phú (Yên Bái), Thanh Sơn (Phú Thọ), do liên đoàn Địa chất Xạ - hiếm, trường Đại học Mỏ địa chất Hà Nội thực hiện Dự án xây dựng bản đồ phông phóng xạ tự nhiên tại Bình Dương, Đồng Nai sắp được tiến hành

Tuy nhiên, [9] chúng ta chưa có số liệu bình quân cho cả nước Riêng ở Hà Nội, theo số liệu đo đạc sơ bộ, có thể ước tính phông phóng xạ tự nhiên vào khoảng 2mSv/năm Trong quá trình xây dựng nhà máy điện hạt nhân sắp tới, cần thiết phải đo đạc và lập bản đồ phông tự nhiên trên phạm vi cả nước

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Luận văn được tiến hành dựa trên việc đo đạc phóng xạ trong một số mẫu đất đá của một số địa điểm ở các tỉnh khu vực phía Nam: Lâm Đồng, Bình Thuận, Tây Ninh, Long An, Đồng Nai

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Có hai phương pháp để xác định được hoạt độ phóng xạ và liều hiệu dụng do phông tự nhiên gây ra [8]:

Phương pháp thứ nhất là dùng máy đo liều đo suất liều theo đơn vị μSv/h ở độ cao 1m [8] so với mặt đất, ta sẽ nhận được kết quả là liều chiếu xạ ngoài

Phương pháp thứ hai là lấy mẫu đất, đo hoạt độ riêng theo đơn vị Bq/kg Các nhân được đo là

226Ra, 232Th, 40K Từ hoạt độ riêng này tính toán được liều chiếu ngoài thông qua hoạt độ riêng 226Ra tương đương (Raeq) Ngày nay, người ta thường sử dụng kết hợp cả hai phương pháp kể trên để đạt kết quả chính xác nhất

Luận văn này sử dụng phương pháp thứ hai với cách làm cụ thể như sau: Khảo sát thực tế, lấy mẫu đất và kết hợp sử dụng hệ phổ kế gamma phông thấp của trường ĐH Sư phạm TP Hồ Chí Minh để đo đạc, nghiên cứu

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Nguồn gốc phóng xạ

Từ tro bụi của các vụ nổ của các ngôi sao, khoảng 4.5 tỉ năm trước đây đã hình thành Hệ mặt trời và hệ thống hành tinh của chúng ta Trong đám tro bụi đó, có một lượng rất lớn các nguyên tố phóng xạ Theo thời gian, đa số các nguyên tố phóng xạ này phân rã và trở thành các nguyên tố bền, chúng là thành phần chính của hệ thống hành tinh chúng ta ngày nay Tuy nhiên, trong vỏ Trái đất vẫn còn những nguyên tố phóng xạ, đó là những nguyên tố có thời gian bán rã cỡ tuổi của Trái đất hoặc lớn hơn Các đồng vị phóng xạ này cùng với sản phẩm của chúng là nguồn gốc chính của bức xạ ion hóa tự nhiên tác dụng lên mọi sinh vật trên Trái đất Một nguồn của các bức xạ ion hóa tự nhiên khác là các tia vũ trụ khi chúng đi vào tầng khí quyển và bề mặt Trái đất

Có trên 60 nhân phóng xạ được tìm thấy trong tự nhiên Nguồn gốc của các nhân phóng xạ này

có thể phân thành ba loại chính sau:

- Các nhân phóng xạ có từ khi hình thành nên Trái đất, còn gọi là các nhân phóng xạ nguyên thủy

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

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

Các nhân phóng xạ được hình thành do hai nguồn gốc đầu được gọi là các nhân phóng xạ tự nhiên, còn các nhân phóng xạ do con người tạo ra được gọi là các nhân phóng xạ nhân tạo

1.1.1 Nguồn gốc tự nhiên

1.1.1.1 Các đồng vị phóng xạ nguyên thủy:

Phông phóng xạ trên Trái đất gồm những nhân phóng xạ tồn tại cả trước và khi Trái đất được hình thành Cho đến nay, người ta đã biết các chất phóng xạ trên Trái đất bao gồm các nguyên tố uranium, thorium và con cháu của chúng, cùng một số nguyên tố phóng xạ khác Uranium, thorium và con cháu của chúng tạo nên ba họ phóng xạ cơ bản là họ thorium (232Th), uranium (238U), và actinium (235U) Tất cả các thành viên của các dòng họ này, trừ thành viên cuối cùng, đều là các đồng vị phóng

xạ

Uranium gồm ba đồng vị khác nhau: khoảng 99,3% uranium thiên nhiên là 238U, khoảng 0,7%

là 235U, và khoảng 5.10-3% là 234U. 238Uvà 234U thuộc cùng một họ là họ uranium, còn 235U là thành viên đầu tiên của họ khác, gọi là actinium 232Th là thành viên đầu tiên của họ thorium Họ phóng xạ thứ tư là họ phóng xạ nhân tạo, gọi là Neptunium

Ba họ phóng xạ tự nhiên có các đặc điểm chung là:

- Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất

- Mỗi họ đều có một thành viên tồn tại dưới dạng khí phóng xạ, chúng là đồng vị khác nhau của nguyên tố radon: trong họ uranium là 222Rn (radon), trong họ thorium là 220Rn (thoron), trong họ actinium là 219Rn (action) Trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xạ

- Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ đều là chì: 206Pb trong họ uranium, 207Pb trong họ actinium và 208Pb trong họ thorium Trong khi đó, thành viên cuối cùng trong họ neptunium là 209Bi

Ngoài các đồng vị phóng xạ trong ba họ thorium, uranium và actinium, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Một trong số đó là đồng vị 40K, rất phổ biến trong môi trường, trong thực vật, động vật, cơ thể con người

Đồng vị phóng xạ tự nhiên khác là 14C với thời gian bán rã 5600 năm Nó không phải là đồng vị

“tự nhiên” như các đồng vị sống dài nêu trên mà là kết quả biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân 14N Cacbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí 14CO2 do đó chúng được các con vật hít vào và cây cối hấp thụ trong quá trình quang hợp

Hình 1.1 H

1.1.1.2 Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ:

* Các đồng vị phóng xạ được tạo thành từ tia vũ trụ:

Các bức xạ vũ trụ có rất nhiều trong không gian, chúng tồn tại chủ yếu ngoài hệ mặt trời của chúng ta Chúng có rất nhiều dạng khác nhau, từ những hạt nặng có vận tốc rất lớn cho đến các photon

có năng lượng cao Tầng trên của khí quyển Trái đất tác dụng với nhiều loại tia vũ trụ và làm sinh ra các nhân phóng xạ Phần lớn các nhân phóng xạ này có thời gian bán rã ngắn hơn các nhân phóng xạ tự nhiên có trên Trái đất

Dưới đây là các nhân phóng xạ chủ yếu bắt nguồn từ vũ trụ:

3H 12,3 năm Các tương tác vũ trụ với N hay O, phản

ứng tóe từ các tia vũ trụ, Li(n,α)3H

1,2.10-3Bq/kg

7Be 53,28 ngày Các tương tác vũ trụ với N và O 0.01 Bq/kg

Bảng 1.1 Các nhân phóng xạ chủ yếu bắt nguồn từ vũ trụ

Các nhân phóng xạ khác là 10Be, 26Al, 26Cl, 80Kr, 14C, 32Si, 39Ar, 22Na, 35S, 37Ar, 33P, 32P, 38Mg,

24Na, 38S, 18F, 38Cl, 34mCl

* Bức xạ vũ trụ:

Cùng với các nhân phóng xạ tạo nên khi tia vũ trụ tương tác với lớp khí quyển, bản thân các tia

vũ trụ cũng góp phần vào tổng liều hấp thụ của con người Bức xạ vũ trụ được chia làm hai loại là bức

Lớp khí quyển và từ trường Trái đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che chắn các tia vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt Trái đất Như vậy, liều bức xạ con người nhận được

sẽ phụ thuộc vào độ cao mà người ấy ở Từ bức xạ vũ trụ, hàng năm con người có thể nhận một liều

cỡ 0.27 mSv và con số này sẽ nhân lên gấp đôi cứ một lần tăng độ cao lên 2000m

Suất liều điển hình của bức xạ vũ trụ như sau:

 0.04 μGy/h trên bề mặt Trái đất

 0.2 μGy/h ở độ cao 5000m

 3 Gy/h ở độ cao 20000m

Khi đi từ cực Trái đất đến vùng xích đạo trên cùng bề mặt nước biển thì mức phóng xạ vũ trụ chỉ giảm đi 10% nhưng cũng di chuyển như vậy ở độ cao 20000m thì mức phóng xạ vũ trụ giảm đi 75% Điều này chúng tỏ có sự ảnh hưởng của địa từ trường của Trái đất và Mặt trời lên các bức xạ vũ trụ sơ cấp

1.1.2 Nguồn gốc nhân tạo

Ngay trong thời điểm đầu tiên khám phá ra các chất phóng xạ vào cuối thế kỉ 19, người ta đã nhận thấy các lợi ích cũng như tác hại của chúng Do đó, việc tìm hiểu, áp dụng và phát triển các kỹ thuật bức xạ ngày càng nhiều với quy mô rộng lớn trong hầu hết tất cả các lĩnh vực như quân sự, công nghiệp, nông nghiệp, y học, sinh học…Việc ứng dụng hạt nhân vào cuộc sống cũng bổ sung một lượng rất nhỏ lượng phóng xạ vào nguồn phóng xạ tự nhiên bằng các sản phẩm của con người

1.1.2.1 Vũ khí hạt nhân:

Nguồn phóng xạ từ các vụ thử vũ khí hạt nhân là nguồn phóng xạ lớn nhất trong môi trường Ngoài các sản phẩm phân hạch 235U và 239Pu , sản phẩm của phản ứng nhiệt hạch là triti thì một loạt các đồng vị phóng xạ khác được tạo ra do kết quả của việc bắn neutron với các vật liệu làm bom và không khí xung quanh Các đồng vị phóng xạ này phân tán trong khí quyển và thông qua bụi lắng phóng xạ trong không khí, nước mưa…sẽ gây nhiễm bẩn toàn cầu với hoạt độ thấp Liều hiệu dụng được đánh giá vào khoảng 0.1mSv/năm

1.1.2.2 Điện hạt nhân:

Khi lò phản ứng hạt nhân hoạt động sẽ xảy ra phản ứng hạt nhân dây chuyền phá vỡ hạt nhân

235U, tạo thành một lượng lớn sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ Sau mỗi năm có 25% nhiên liệu được thay bằng nhiên liệu mới, nhiên liệu được thay là nhiên liệu đã qua sử dụng Cùng với các nhiên liệu này, các nguồn chất thải phóng xạ khác nhau (từ các công trình nhiên liệu hạt nhân như khai thác

mỏ, nghiền uran, sản xuất, tái chế các thanh nhiên liệu,…) của các nhà máy điện hạt nhân và các cơ sở

xử lý nhiên liệu sẽ gây nên một liều hiệu dụng trung bình đối với một người khoảng 10-3mSv

1.1.2.3 Tai nạn hạt nhân:

Từ khi ngành hạt nhân ra đời đã có trên dưới 150 tai nạn lớn nhỏ xảy ra Lớn nhất có thể kể đến

là tai nạn Chernobyl (Ucraina 1986) gây nên sự nhiễm bẩn phóng xạ bởi các chất thải rắn và lỏng, là hỗn hợp của các chất hóa học và các đồng vị phóng xạ

1.1.2.4 Các nguồn phóng xạ nhân tạo khác:

Trong cuộc sống hiện đại, con người phải chịu một liều lượng phóng xạ nhân tạo do chụp quang (mỗi lần chụp phổi nhận 0.1mSv), xem truyền hình và đeo đồng hồ dạ quang (0.001mSv), đi máy bay trong 4 giờ (0.001mSv),…

X-1.2 Mối nguy hiểm tiềm ẩn xung quanh ta

Chúng ta đã biết các nguyên tố phóng xạ có khả năng phát ra các tia phóng xạ sau:

- Tia alpha: là các hạt mang điện tích dương, dễ dàng chặn lại bởi từ giấy hoặc da người Nếu hấp thụ vào cơ thể qua đường hô hấp hay đường tiêu hoá, những chất phát ra tia alpha sẽ gây tác hại cho cơ thể

- Tia beta: là các điện tử, sức xuyên thấu của nó mạnh hơn tia alpha, có thể chặn lại bằng tấm kính mỏng hay kim loại Sẽ nguy hiểm nếu hấp thụ vào cơ thể những chất phát ra tia beta

- Tia gama và tia X: Trong tự nhiên sóng như radio và tia sáng, nhưng là sóng điện từ có bước sóng ngắn Sức xuyên thấu của nó rất lớn nên chỉ cho thể chặn lại bằng vật liệu có nguyên tử lượng lớn hơn như chì hoặc bê tông và nước

Do đó, tất cả các nhân phóng xạ có trong tự nhiên gây ra cho con người một liều chiếu bức xạ nhất định Các nhân phóng xạ phát ra các bức xạ ion hóa và nếu chúng ở bên ngoài cơ thể của con người, chúng sẽ gây ra một liều chiếu ngoài Các nhân phóng xạ cũng có thể xâm nhập vào trong cơ thể của con người qua đường hô hấp và tiêu hóa, gây nên một liều chiếu trong Đóng góp lớn nhất vào liều chiếu phải kể đến nhân phóng xạ radon và các con cháu của nó Tổ chức UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) năm 2000 đã thống kê và cho thấy đóng góp của radon vào liều chiếu bức xạ cho con người gây bởi các bức xạ tự nhiên lên tới 50% Chính vì thế, radon có thể được xem như là một nguồn phóng xạ tự nhiên có ảnh hưởng lớn nhất đến sức khỏe của con người

Hàng năm trung bình mỗi người chúng ta nhận một liều bức xạ từ các nguồn phóng xạ tự nhiên khoảng 2 mSv Theo các nghiên cứu của tổ chức ICRP mức liều này có thể gây ra 80 trường hợp tử vong do ung thư trong số 1000 000 người (ICRP publication 60, 1990) Mức tử vong gây bởi bức xạ tăng tỷ lệ với mức liều chiếu bức xạ Mặc dù radon đóng góp tới 50% vào liều chiếu bức xạ đối với con người, song nếu chúng ta có các biện pháp phòng chống thích hợp chúng ta có thể giảm đáng kể lượng liều chiếu này

Những hiệu ứng bất lợi về sức khỏe gây bởi radon là do các hạt alpha được phát ra từ radon và các con cháu của nó Các hạt alpha này sẽ phá hủy các tế bào của cơ thể con người một khi nó được phát ra từ bên trong cơ thể của chúng ta Mối nguy hiểm chính khi bị chiếu một liều radon cao là khả năng mắc phải căn bệnh ung thư phổi Theo các đánh giá dịch tễ học nếu chúng ta sống trong môi trường có nồng độ radon là 20Bq/m3 thì có khả năng 3 trong số 1000 người sẽ mắc phải căn bệnh ung thư phổi do radon gây ra Và xác suất này tăng gấp 10 lần nếu kết hợp với việc hút thuốc lá

Đóng góp lớn nhất vào liều chiếu radon là nồng độ radon trong nhà ở (chiếm tới 95%) Trong khi đó nồng độ radon trong nhà ở lại phụ thuộc rất nhiều vào kiểu nhà, vật liệu xây dựng, cầu trúc nền móng

Ngoài radon liều bức xạ gây bởi các thành phần khác thuộc họ uran và thori có thể thay đổi mạnh theo các vị trí địa lý khác nhau, loại vật liệu xây dựng, kiểu kiến trúc …

1.3 Ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên đối với con người và môi trường

Mỗi người và sinh vật trung bình trong 1 năm nhận khoảng 2.4 mSv tia phóng xạ tự nhiên trong

đó khoảng 0.38 mSv từ không gian như các tia vũ trụ, khoảng 0.46 mSv từ đất, khoảng 0.24 mSv từ cơ thể con người thông qua ăn uống, khoảng 1.3 mSv từ khí radon trong không khí nhưng vẫn sinh sống bình thường Do cấu trúc địa chất ở mỗi nơi khác nhau, mức độ phóng xạ tự nhiên cũng khác nhau, mức độ phóng xạ tự nhiên cũng khác nhau tuỳ theo khu vực, có nơi ở Trung Quốc và Ấn Độ, giá trị

này lên tới 10mSv/năm nhưng không thấy có biểu hiện bất thường ở người và sinh vật Như vậy có thể hiểu rộng, nhiễm xạ ở mức độ lớn gấp 10 lần phóng xạ tự nhiên chưa chắc đã ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người và môi trường Điều đó có nghĩa là: đứng về quan điểm an toàn bức xạ mà nói thì không thể đặt một ngưỡng liều bức xạ để nói rằng liều trên ngưỡng đó là nguy hiểm, liều dưới ngưỡng

đó là an toàn Tuy nhiên người ta cũng định ra một ngưỡng, nếu bị chiếu xạ trên ngưỡng này thì chắc chắn hiệu ứng sẽ xảy ra đối với cơ thể Cụ thể:

Khi nhận một lượng phóng xạ trong thời gian ngắn, cơ thể con người sẽ có những biểu hiện về sức khoẻ như sau [5]:

0 ~ 250 mSv Không có tổn thương rõ ràng Không ghi được hiệu ứng

lâm sàng, có thể không có hiệu ứng muộn

250 ~ 500 mSv Có thể có thay đổi về máu nhưng không nghiêm trọng

500mSv Có thay đổi nhẹ ở máu nhưng không có hiệu ứng lâm

sàng Có thể có hiệu ứng muộn, không chắc chắn có hiệu ứng nghiêm trọng

500 ~ 1000 mSv Thay đổi về tế bào máu, có vài tổn thương nhưng không

ốm đau bệnh tật

1000 mSv Buồn nôn, mệt, có thể nôn mửa Thay đổi rõ về thành

phần máu, bình phục chậm, giảm thọ

1000 ~2000 mSv Có tổn thương, có khả năng ốm đau, bệnh tật

2000 mSv Buồn nôn, nôn mửa trong 24 giờ, rụng lông, tóc, biếng

ăn, suy yếu toàn thân, có triệu chứng đau họng, ỉa chảy

Một số cá thể có thể bị chết Nói chung có khả năng bình phục trừ trường hợp sức khoẻ vốn kém từ trước, dễ

bị bệnh truyền nhiễm, tổn thương nặng

2000 ~ 4000 mSv Tổn thương và ốm đau bệnh tật là chắc chắn, có thể chết

4000 mSv Buồn nôn, nôn mửa trong 1 ~ 2 giờ, ủ bệnh 1 tuần bắt

đầu rụng lông tóc, mất ngon miệng, suy nhược chung, sốt, khô rát mồm họng ở tuần thứ 3, các ttriệu chứng xanh xao, ỉa chảy, chảy máu, suy sụp nhanh vào tuần thứ tư Khoảng 50% cá thể bị chết

6000 mSv Buồn nôn, mửa trong 1 ~ 2 giờ, ủ bệnh ngắn, ỉa

chảy, mửa, rát mồm họng, sốt và chết sớm Chắc chắn chết 100% cá thể

Bảng 1.2 Các ngưỡng liều chiếu và các hiệu ứng do nó gây nên cho con người

1.4 Các tiêu chuẩn An toàn bức xạ quy định về phông phóng xạ tự nhiên tự nhiên

+/ Khái niệm về hoạt độ phóng xạ, liều hiệu dụng – Đơn vị:

Hoạt độ phóng xạ là khả năng phát ra tia phóng xạ của nguồn phóng xạ, đơn vị là Becquerel (Bq) Hoạt độ phóng xạ 1Bq là khả năng của nguồn phóng xạ là 1 hạt nhân nguyên tử biến đổi trong 1 giây sau đó sinh ra 1 tia phóng xạ

Đơn vị biểu thị ảnh hưởng của tia phóng xạ đối với con người là Sievert (Sv) hay mSv (1Sv = 1000mSv) Mức độ nhiễm xạ của cơ thể con người còn gọi là liều chiếu được đo bằng đơn vị mSv +/ Tiêu chuẩn thế giới: Được biết, mức phông phóng xạ thông thường gần như không đổi trên phạm vi toàn thế giới và nằm trong khoảng 2,4 mSv/năm Theo đó, mỗi người, trong một năm, nhận một liều

hiệu dụng từ các loại bức xạ tự nhiên khoảng 2.4 mSv/năm (mSv là đơn vị đo liều hiệu dụng, một đại

lượng nói lên mức độ tác động của mọi loại bức xạ lên tế bào trong cơ thể con người)

+/ Tiêu chuẩn của Việt Nam: Vấn đề nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng phóng xạ phông

tự nhiên đã được nhiều nước quan tâm từ lâu Tại Việt Nam, đến nay vẫn chưa có nghiên cứu, đánh giá đầy đủ về vấn đề này, cũng như chưa có tiêu chuẩn quy định mức độ phóng xạ tự nhiên cho phép

Vì thế, luận văn này đánh giá các số liệu dựa trên tiêu chuẩn của Uỷ ban khoa học của Liên Hiệp quốc về ảnh hưởng của phóng xạ nguyên tử UNSCEAR

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ PHỔ KẾ GAMMA 2.1 Hệ phổ kế gamma

2.1.1 Các đặc điểm của tia gamma - Đặc trưng phổ gamma

Bức xạ gamma là các lượng tử của sóng điện từ (các photon) có năng lượng cao Nó không bị lệch trong điện trường và có khả năng đâm xuyên rất lớn, thậm chí có thể đi qua lớp chì dày hàng đềximét và rất nguy hiểm cho con người

Tương tác của lượng tử gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron-positron, rồi các electron này gây ion hóa môi trường Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp

Hiệu ứng quang điện

Trong quá trình này, photon truyền toàn bộ năng lượng của mình cho một electron của nguyên

tử vật chất Electron này sẽ bị bắn ra khỏi nguyên tử (được gọi là photoelectron): photon bị hấp thụ hoàn toàn, còn nguyên tử thì bị ion hóa

Năng lượng của photon tới phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết Wi của electron trên quỹ đạo i:

Phần còn lại Te chuyển thành động năng của electron bay ra

Hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với các tia X hay tia gamma có năng lượng tương đối thấp và trong vật chất có Z lớn

Do sự ion hóa, trong vỏ nguyên tử sẽ xuất hiện một chỗ trống Chỗ trống này sẽ nhanh chóng bị lấp bởi electron từ lớp trên, và sẽ xuất hiện một tia X đặc trưng hay một electron Auger Năng lượng tia X đặc trưng xấp xỉ bằng năng lượng liên kết Wi Trong đa số trường hợp, photon ứng với tia X đặc trưng sẽ bị hấp thụ trong lân cận nguyên tử bị ion hóa do nó gây ra một hiệu ứng quang điện khác

Hình 2.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng Compton

Trong tán xạ Compton, một photon va chạm với một electron tự do ban đầu đứng yên Khi đó, photon truyền một phần năng lượng cho electron và bị lệch khỏi phương chuyển động một góc φ Động năng của electron xấp xỉ bằng độ chênh lệch năng lượng của photon trước và sau va chạm Ta có:

Góc lệch φ càng lớn thì năng lượng hv’ của photon tán xạ càng bé Hv’ có giá trị cực tiểu khi θ

= π Khi đó, electron nhận được năng lượng lớn nhất

Xác suất xảy ra tán xạ Compton phụ thuộc vào năng lượng của photon Trong vùng năng lượng 100keV-10MeV, hiệu ứng Compton đóng vai trò quan trọng nhất trong sự tương tác của photon

Hình 2.2 Hiệu ứng Compton Hiệu ứng tạo cặp electron-pozitron

Trong sự tạo cặp, một photon biến mất trong trường Coulomb của hạt nhân và một cặp positron xuất hiện Điều này chỉ xảy ra nếu năng lượng của photon vượt quá hai lần năng lượng nghỉ của electron (1.02 MeV) Khi đó, phần năng lượng vượt quá 1.02 MeV của photon được biến thành động năng của electron và positron Do positron sẽ bị hủy với một electron sau khi dừng lại, nên đi kèm với sự tạo cặp là sự hủy cặp, thể hiện ở sự phát ra hai photon

electron-Xác suất xảy ra sự hủy cặp tăng theo năng lượng của photon và gần như tỉ lệ với bình phương của số thứ tự nguyên tử của chất hấp thụ

Hình 2.3 Hiệu ứng tạo cặp

* Các quá trình tương tác nói trên dẫn đến sự hình thành các đặc trưng của phổ gamma như sau: Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng của photon tới E h trên detector, do đó trong phổ gamma xuất hiện đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với năng lượng E

Trong quá trình tán xạ Compton, photon tới chỉ mất một phần năng lượng, phần còn lại chuyển thành năng lượng của photon tán xạ Sự phân bố giữa hai phần này tùy thuộc vào góc tán xạ Do đó trên phổ gamma xuất hiện nền liên tục (nền Compton) trải dài từ giá trị E trở xuống Tia gamma sau khi tán xạ lần đầu có thể tiếp tục bị tán xạ nhiều lần, cuối cùng bị hấp thụ trong detector do hiệu ứng quang điện Quá trình tán xạ Compton nhiều lần này cũng đóng góp vào đỉnh hấp thụ toàn phần, mức

độ đóng góp tùy thuộc vào thể tích detector

Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành 2 lượng tử gamma năng lượng 511 keV Tùy theo trường hợp cả hai lượng tử này bị hấp thụ hoặc một hoặc cả hai lượng tử bay ra khỏi detector mà ta thấy xuất hiện các đỉnh sau đây:

- Cả hai lượng tử gamma hủy cặp đều bị hấp thụ hoàn toàn trong thể tích nhạy của detector, ta được đỉnh hấp thụ toàn phần E

- Một trong hai lượng tử gamma hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của detector: ta được đỉnh thoát đơn: E-

511 (keV)

- Cả hai lượng tử hủy cặp thoát khỏi detector: ta được đỉnh thoát đôi ứng với năng lượng E -1022 (keV)

2.1.2 Cấu tạo chung một hệ phổ kế gamma

Detector

bức xạ

Tiền khuếch đại

Khuếch đại

Máy tính Nguồn nuôi

cao thế

+/ Detector:

Để ghi phổ gamma hiện nay người ta thường dùng 2 loại detector:

 Detector nhấp nháy với tinh thể NaI (T1)

 Detector bán dẫn Ge (cho phổ chất lượng cao hơn nhưng giá thành cao hơn và yêu cầu cao hơn về thiết bị đi kèm)

Ở đây, ta sử dụng detector bán dẫn làm bằng Giecmani siêu tinh khiết (HP Ge)

Ta có thể phân loại detector Ge như sau :

- Về loại bán dẫn: loại p hoặc loại n

- Về mặt hình học: có thể chia ra các loại đồng trục, loại hình giếng hay loại plana (phẳng) Thông thường, ta có các loại sau đây:

 Detector HP Ge loại p, kiểu đồng trục: chất bán dẫn xuất phát là loại p Người ta tạo ra một lớp n+ dày khoảng 0.5-0.8 mm bằng phương pháp khuếch tán Li Khi sử dụng phải đặt điện áp cao, dương khoảng 2-5kV để kéo các cặp electron-lỗ trống tạo ra Loại này có hiệu suất giảm nhiều

ở năng lượng tia gamma thấp (dưới 100eV) vì sự hấp thụ trên lớp chết n+

 Detector HP Ge loại n, kiểu đồng trục: Xuất phát từ chất bán dẫn loại n, người ta tạo ra lớp bề mặt p+ dày khoảng 0.3μm bằng phương pháp cấy B Khi sử dụng cần đặt cao áp âm So với loại trên, loại này hiệu suất giảm hơn ở năng lượng thấp vì lớp chết p+ mỏng hơn

 Detector HP Ge hình giếng: loại này có hiệu suất hình học cao nên thích hợp cho các phép đo hoạt độ nhỏ Độ phân giải có kém hơn đôi chút do đặc điểm cấu tạo

 Detector phẳng (plana): có độ phân giải tốt nhưng hiệu suất giảm nhanh ở năng lượng cao nên chỉ thích hợp đo ở vùng năng lượng thấp

Hình 2.4 Cấu tạo một detector bán dẫn HP Ge

Đi kèm với detector bán dẫn là bình nitơ lỏng Vì: ngoài tính chất phụ thuộc của detector bán dẫn, để tránh các electron sinh ra do sự phát nhiệt, detector bán dẫn thường được làm lạnh ở nitơ lỏng (-196oC hay 77K)

Hình 2.5 Cấu tạo bình nitơ lỏng

+/ Hệ điện tử tuyến tính: một hệ điện tử cho phổ kế gamma thường gồm các bộ phận sau: tiền khuếch đại, cao thế nuôi detector, khuếch đại, bộ biến đổi ADC, máy phân tích biên độ đa kênh, máy

vi tính

- Cao thế nuôi detector: đặt giữa môi trường vật chất của detector hai điện cực Các electron sẽ chuyển động về cực dương và các lỗ trống sẽ chuyển động về phía cực dương, nói cách khác, các ion chuyển động thành dòng và tạo nên một dòng điện, lối ra sẽ xuất hiện một tín hiệu điện

- Tiền khuếch đại: nối trực tiếp ngay sau detector, nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ tín hiệu rất nhỏ từ detector mà vẫn đảm bảo mức “ồn” khả dĩ là nhỏ nhất (nó quyết định độ phân giải năng lượng của phổ kế) Nếu không khuếch đại tín hiệu qua tiền khuếch đại mà đưa thẳng tín hiệu vào bộ phận khuếch đại thì tín hiệu ra không chính xác, sẽ bị “méo”

- Khuếch đại: nhiệm vụ là khuếch đại tiếp xung ra từ tiền khuếch đại (thông thường nhỏ hơn 1eV) lên giá trị thích hợp để có thể xử lí tiếp một cách dễ dàng và chính xác

- Bộ biến đổi ADC: Tín hiệu tương tự từ khối khuếch đại tuyến tính có biên độ V0 sẽ được đưa vào khối biến đổi tương tự số Qua đó, thực hiện biến đổi biên độ xung thành mã số, kết quả biến đổi được ghi vào thanh ghi Trình tự biến đổi như sau:

 V0 sẽ được so sánh với một điện áp tăng tuyến tính Vr

 Khi Vr đạt đến V0 thì xuất hiện một xung mở Độ rộng xung bằng thời gian cần thiết để

Vr đạt giá trị V0

 Trong thời gian cổng được mở, các xung tần số cao được đi qua cổng và được đếm bởi máy đếm địa chỉ

 Số xung đếm này là Nc tỉ lệ với V0 sẽ xác định địa chỉ của tín hiệu: tại địa chỉ này số đếm

sẽ tăng lên một đơn vị

Với nhiều lượng tử gamma lần lượt được biến đổi như vậy, ta thu được một hình ảnh phân bố xung theo biên độ xung, tức là một phổ gamma theo năng lượng mà detector hấp thụ được

- Máy phân tích biên độ đa kênh: Các xung được tách ra thành các kênh tương ứng với năng lượng kèm theo

- Máy vi tính: lấy tín hiệu và xử lý cho ta phổ cùng các thông tin cần thiết khác

Hình 2.6 Sơ đồ hệ phổ kế gamma phông thấp

2.1.3 Các đặc trưng kỹ thuật cơ bản của hệ phổ kế gamma

+/ Độ phân giải năng lượng:

Độ phân giải năng lượng cho biết khả năng mà detector có thể phân biệt các đỉnh có năng lượng gần nhau trong phổ Đại lượng này được xác định bằng bề rộng ở 1/2 độ cao của các đỉnh hấp thụ toàn phần Độ phân giải năng lượng của detector bán dẫn HPGe còn tùy thuộc loại detector, thể tích detector và năng lượng tia gamma

Hình 2.7 Định nghĩa của độ phân giải detector Đối với những đỉnh có dạng Gauss, độ lệch

tiêu chuẩn thì FWHM là 2.35

Detector có độ phân giải năng lượng càng nhỏ thì càng có khả năng phân biệt tốt giữa hai bức

xạ có năng lượng gần nhau

Hình 2.8 Hàm đáp ứng đối với những detector có độ phân giải tương đối tốt và độ phân giải

tương đối xấu

+/ Hiệu suất ghi: Hiệu suất ghi đỉnh quang điện cũng là một chỉ tiêu quan trọng của detector, đặc biệt là trong những phép đo hoạt độ nhỏ Hiệu suất ghi này phụ thuộc loại detector, thể tích detector và năng lượng tia gamma

+/ Tỷ số đỉnh/ Compton:

Tỉ số này cho ta đánh giá khả năng của detector có thể phân biệt được các đỉnh yếu, năng lượng thấp nằm trên nền Compton của các đỉnh năng lượng cao Đó là tỉ số giữa chiều cao của đỉnh hấp thụ toàn phần với chiều cao của nền Compton tương ứng (thường lấy ở “rìa” Compton) Tỉ số này càng cao thì càng có lợi cho các phép đo hoạt độ thấp và phổ gamma phức tạp Tỉ số này phụ thuộc thể tích detector, các detector lớn có tỉ số đỉnh/Compton lớn vì đóng góp của tán xạ Compton nhiều lần vào đỉnh hấp thụ toàn phần lớn Tỉ số đỉnh/Compton theo quy định thường được tính bằng cách chia độ cao của đỉnh 1.33 MeV cho độ cao trung bình của nềnCompton trong khoảng 1040 và 1096 keV

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ phổ kế gamma bán dẫn

Chất bán dẫn hiện nay là Si hoặc Ge Để ghi các lượng tử gamma thì người ta dùng chất bán dẫn

là Ge Khi lượng tử gamma bay vào chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên electron tự do thông qua ba hiệu ứng chủ yếu như với tinh thể nhấp nháy Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại lỗ trống Như vậy, thông qua các hiệu ứng tương tác, bức xạ

gamma đã tạo nên một loạt các electron và lỗ trống trong tinh thể bán dẫn, dưới tác động của điện trường, các electron sẽ chuyển động về cực dương, các lỗ trống chuyển động về phía cực âm, kết quả

là ta có một xung dòng điện ở lối ra Năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp electron-lỗ trống trong Ge

là 2.96 eV Tín hiệu điện ở lối ra sẽ đi qua các bộ phận tiền khuếch đại, khuếch đại biến đổi thành xung, đi qua ADC, MCA, ta sẽ thu được phổ và các thông tin cần thiết khác ở máy vi tính

2.2 Hệ phổ kế gamma trường ĐH Sư phạm TP Hồ Chí Minh

Hình 2.9 Hệ phổ kế gamma phông thấp trường ĐH Sư phạm TP Hồ Chí Minh

Thông số kỹ thuật: Hệ phổ kế gamma phông thấp

- Ngày nhập: 12/12/2007

- Model detector: Gem 15 P4

- Model tiền khuếch đại: A257P

- Tỉ số S/N khối tiền khuếch đại: 7082523

- Model vỏ bọc H.V: 138 Em1

- Hiệu suất ghi: 15 %

- Độ phân giải tại 1.33 MeV của Co-60 : 1.80 keV