xây dựng quy trình phân tích hoạt độ 238u, 232th, 40k của mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế gamma gmx 35p470

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Đống Thị Như Ý

XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH HOẠT
ĐỘ 238U, 232Th, 40K CỦA MẪU MÔI TRƯỜNG ĐẤT
TRÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA GMX-35P470

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Thành phố Hồ Chí Minh – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Đống Thị Như Ý
XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH HOẠT
ĐỘ 238U, 232Th, 40K CỦA MẪU MÔI TRƯỜNG ĐẤT
TRÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA GMX-35P470
Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử
Mã số: 60 44 01 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN

Thành phố Hồ Chí Minh – 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và Cô hướng dẫn. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Đống Thị Như Ý


LỜI CẢM ƠN
Cách đây hai năm, khi còn là cô sinh viên năm cuối, tôi còn nhớ như in cảm giác
vui mừng và đầy tự hào sau khi bảo vệ thành công luận văn tốt nghiệp đại học. Những
kỉ niệm trong ngày tốt nghiệp, những đóa hoa, lời chúc, ánh mắt, nụ cười đầy tình cảm
mà ba mẹ, những người yêu thương và bạn bè dành cho tôi sẽ theo tôi đến suốt cuộc
đời. Thời gian thấm thoát trôi, giờ đây, tôi lại bảo vệ luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của
mình. Không còn cái thời chỉ ăn, chơi và học, bây giờ tôi lại phải đi dạy suốt tuần, đi
làm thêm buổi tối vì cuộc sống nên thời gian eo hẹp dần, tôi gặp rất nhiều khó khăn
trong quá trình đi học và làm luận văn cả về mặt tư duy, thời gian và tinh thần. Để có
thể hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ. Nay, tôi xin gửi lời
cảm ơn chân thành nhất từ tận đáy lòng đến:
 Toàn thể thầy cô khoa Vật lý trường Đại học Sư Phạm TPHCM. Thầy cô,
những người đưa đò cần mẫn đã truyền đạt những kiến thức bổ ích cho tôi.
 Đặc biệt, Cô TS. Trương Thị Hồng Loan - người Cô hướng dẫn ý tưởng luận
văn, giải đáp thắc mắc của tôi và chỉnh sửa để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Em
xin chân thành cảm ơn Cô!
 Thầy ThS. Hoàng Đức Tâm đã tạo điều kiện cho tôi xay đất trong quá trình làm
luận văn.
 Xin cảm ơn ba mẹ đã hỗ trợ mọi mặt từ vật chất đến tinh thần cho tôi.
 Cuối cùng, tôi gửi lời cảm ơn đến các bạn trong nhóm gamma và đến bạn Vũ

Ngọc Ba đã nhiệt tình giúp đỡ. Dù có thế nào đi nữa thì bạn vẫn rất đặc biệt với tôi.
Chân thành cảm ơn.
Đống Thị Như Ý


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT .................................................. 6
1.1. Nguồn gốc phóng xạ môi trường................................................................ 6
1.1.1. Đồng vị phóng xạ nhân tạo .................................................................. 6
1.1.2. Đồng vị phóng xạ tự nhiên .................................................................. 6
1.1.3. Phông bức xạ gamma ......................................................................... 10
1.2. Hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường đất ........................................... 11
1.2.1. Sơ lược về đất .................................................................................... 11
1.2.2. Nguồn gốc của hoạt độ phóng xạ trong đất ....................................... 12
1.2.3. Mục đích của việc nghiên cứu hoạt độ phóng xạ trong đất ............... 13
1.3. Các đặc trưng hệ phổ kế ........................................................................... 14
1.3.1. Độ phân giải năng lượng ................................................................... 14
1.3.2. Hiệu suất ghi nhận của đầu dò ........................................................... 15
1.3.3. Những ảnh hưởng lên hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ............. 18
1.3.4. Chuẩn năng lượng .............................................................................. 21
1.3.5. Giới hạn tới hạn L C (số đếm)............................................................. 21
1.3.6. Giới hạn phát hiện L D (số đếm) ......................................................... 22
1.3.7. Giới hạn phát hiện hoạt độ MDA (Bq) .............................................. 24
1.3.8. Giới hạn phát hiện nồng độ MDC (Bq/ kg) [19] ............................... 25
1.3.9. Hiệu chỉnh phân rã ............................................................................. 25
1.3.10. Hiệu chỉnh tự hấp thụ....................................................................... 26
1.3.11. Hệ số hiệu chỉnh trùng phùng .......................................................... 26
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU MÔI TRƯỜNG ĐẤT .... 28
2.1. Nguyên tắc ................................................................................................ 28

2.2. Phương pháp lấy mẫu ............................................................................... 30
2.2.1. Khảo sát ban đầu ở một vùng đất ...................................................... 30
2.2.2. Các phương pháp lấy mẫu ................................................................. 30


2.3. Kế hoạch lấy mẫu ..................................................................................... 32
2.3.1. Lựa chọn khu vực và đơn vị lấy mẫu ................................................ 33
2.3.2. Phương pháp lấy mẫu theo xác suất .................................................. 33
2.3.3. Phương pháp lấy mẫu phi xác suất .................................................... 34
2.4. Quy trình lấy mẫu ..................................................................................... 34
2.5. Cách lấy mẫu đất ...................................................................................... 37
2.5.1. Lấy mẫu đất hình trụ .......................................................................... 37
2.5.2. Lấy mẫu đất theo khung vuông hoặc khung tròn .............................. 37
2.5.3. Lấy mẫu ở các tầng đất ...................................................................... 38
2.5.4. Lấy mẫu đất từ các mương rãnh ........................................................ 38
2.5.5. Lấy mẫu từ độ sâu của các lõi khoan................................................. 39
2.6. Xác định hoạt độ phóng xạ trên mặt đất................................................... 39
2.6.1. Xác định hoạt độ phóng xạ sử dụng dữ liệu trên mặt đất .................. 39
2.6.2. Xác định hoạt độ phóng xạ sử dụng dữ liệu ở tất cả các tầng đất ..... 40
2.7. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................ 41
2.7.1. Phân loại và đóng gói mẫu................................................................. 41
2.7.2. Vận chuyển và lưu trữ mẫu................................................................ 41
2.7. 3. Xử lý mẫu ......................................................................................... 42
2.8. Sơ lược các bước phân tích hoạt độ phóng xạ.......................................... 43
2.8.1. Đóng gói mẫu cho các mục tiêu đo khác nhau. ................................. 43
2.8.2. Phông nền phòng thí nghiệm ............................................................. 44
2.9. Phân tích các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong mẫu môi trường đất trên hệ
phổ kế gamma .......................................................................................... 44
2.9.1. Phát hiện 238U ..................................................................................... 44
2.9.2. Phát hiện 232Th ................................................................................... 45

2.9.3. Phát hiện 40K ...................................................................................... 45
2.9.4. Một số phương pháp xác định hàm lượng 238U, 40K, 232Th trong mẫu
môi trường đất .................................................................................... 45


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 48
3.1. Sơ lược về hệ phổ kế gamma GMX-35P470 ........................................... 48
3.1.1. DSP .................................................................................................... 49
3.1.2. Đầu dò GMX-35P470 [8] .................................................................. 49
3.1.3. Buồng chì giảm phông ....................................................................... 50
3.1.4. Thiết bị X- Cooler ............................................................................. 50
3.2. Hiệu chuẩn đầu dò GMX-35P470 ............................................................ 51
3.2.1. Bố trí thí nghiệm ................................................................................ 51
3.2.2. Chuẩn năng lượng .............................................................................. 52
3.2.3. Chuẩn độ rộng đỉnh phổ .................................................................... 54
3.2.4. Chuẩn hiệu suất ghi của detector đối với nguồn điểm ...................... 54
3.2.5. So sánh hiệu suất thực nghiệm và hiệu suất mô phỏng bằng phần
mềm Angle đối với nguồn điểm ......................................................... 57
3.2.6. Hiệu suất ghi nhận của đầu dò GMX-35P470 đối với nguồn
Marinelli ............................................................................................ 59
3.3. Quy trình phân tích hoạt độ cụ thể trên hệ phổ kế GMX-35P470 ........... 61
3.3.1. Quy trình phân tích mẫu đất .............................................................. 62
3.3.2. Kết quả phân tích hoạt độ của 238U, 232Th, 40K trong mẫu môi trường
đất trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470........................................... 67
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 75
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................ 77
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 79


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Bq

Becquerel

Phân rã/giây
Thành phố Hồ Chí Minh

TPHCM
ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ biến đổi tương tự - số

MCA

Multi Channel Analyzer

Máy phân tích đa kênh

FWHM

Full Width Half Maximum

Độ rộng nửa chiều cao đỉnh phổ

HPGe

Hyper pure Germanium

Germanium siêu tinh khiết

MDA

Minimum Detectable Activity

Giới hạn phát hiện hoạt độ

LD

Detection Limit

Giới hạn phát hiện

LC

Critical Limit

Giới hạn tới hạn

MDC

Minium Detectable Concentration

Giới hạn phát hiện nồng độ.
Thể dục thể thao.

TDTT
DSP

Digital signal Processing

Bộ xử lý tín hiệu kĩ thuật số.

PTN

Phòng Thí Nghiệm

TN

Thí Nghiệm


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Nồng độ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất .............................. 12
Bảng 3.1. Bảng các đồng vị chuẩn đã biết năng lượng gamma và số kênh .............. 58
Bảng 3.2. Hiệu suất ghi nhận của detector GMX-35P470 ở các vị trí khác nhau so với
nguồn. ....................................................................................................... 61
Bảng 3.3. So sánh hiệu suất thực nghiệm và mô phỏng nguồn điểm. ....................... 64
Bảng 3.4. Hiệu suất ghi nhận của đầu dò GMX-35P470 đối với nguồn chuẩn
dạng Marinelli ............................................................................................ 66
Bảng 3.5. Hiệu suất của đầu dò GMX-35P470 đối với mẫu chuẩn dạng Marinelli .. 67
Bảng 3.6. Giới hạn phát hiện MDA (Bq) và MDC (Bq/kg) trong mẫu BC-20 ......... 75
Bảng 3.7. Kết quả phân tích hoạt độ trong mẫu đất BC-20. ...................................... 76
Bảng 3.8. Kết quả phân tích hoạt độ 238U, 232Th, 40K trong mẫu BC-20 ................... 77
Bảng 3.9. Bảng kết quả hoạt độ 238U, 232Th, 40K trong mẫu môi trường đất (Bq/kg) trên
hệ phổ kế gamma GMX-35P470 ............................................................... 78


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Họ Uranium (4n+2) ................................................................................... 9
Hình 1.2. Họ actinium (4n+3).................................................................................... 9
Hình 1.3. Họ Thorium (4n) ........................................................................................ 10
Hình 1.4. Các tầng đất ............................................................................................... 11
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tạo mẫu để phân tích hoạt độ phóng xạ trong đất. ............ 31
Hình 2.2. Sơ đồ lựa chọn phương pháp lấy mẫu ....................................................... 35
Hình 2.3. Các khu vực lấy mẫu ................................................................................. 47
Hình 3.1. Sơ đồ hệ phổ kế gamma ............................................................................. 54
Hình 3.2. Thiết bị xử lý tín hiệu kĩ thuật số (DSP) (ORTEC) ................................... 54
Hình 3.3 Cấu trúc đầu dò GMX-35P470 ................................................................... 55
Hình 3.4. Thiết bị X-Cooler III của hệ phổ kế GMX-35P470................................... 56
Hình 3.5. Phổ phông môi trường và phổ thực nghiệm 54Mn ..................................... 57
Hình 3.6. Đồ thị đường chuẩn năng lượng theo số kênh ........................................... 59
Hình 3.7. Đồ thị đường chuẩn FWHM theo năng lượng ........................................... 60
Hình 3.8. Đồ thị đường cong hiệu suất chuẩn đối với nguồn điểm ........................... 62
Hình 3.9. Đồ thị so sánh hiệu suất ghi nhận của detector GMX-35P470 giữa
thực nghiệm và mô phỏng bằng Angle ...................................................... 65
Hình 3.10. Hiệu suất ghi nhận của đầu dò GMX-35P470 đối với nguồn chuẩn
dạng Marinelli ........................................................................................... 68
Hình 3.11. Sơ đồ lấy mẫu. ......................................................................................... 70
Hình 3.12. Bộ dụng cụ lấy đất ở các độ sâu khác nhau ............................................. 71
Hình 3.13. Phơi đất đến khi đất khô tại trường Đại học Khoa học Tự Nhiên
TPHCM, quận Thủ Đức .......................................................................... 72
Hình 3.14. Đóng mẫu đất ........................................................................................... 73
Hình 3.15. Kích thước hộp Marinelli tính theo cm.................................................... 73
Hình 3.16. Tiến hành đo phân tích hoạt độ 238U, 232Th, 40K trên hệ phổ kế
gamma GMX-35P470 ............................................................................. 74


Hình 3.17. Đồ thị hoạt độ của 238U, 232Th, 40K trong mẫu môi trường đất ở các

độ sâu khác nhau tại 5 vị trí trong khuôn viên trường Đại học Khoa
học Tự nhiên TPHCM, cơ sở Linh Trung,Thủ Đức ................................ 79


1

MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài
Các đồng vị phóng xạ tồn tại khắp nơi trong môi trường xung quanh chúng ta gồm
đồng vị phóng xạ nhân tạo (chiếm 15% sự đóng góp vào phông phóng xạ) và đồng vị
phóng xạ tự nhiên. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên được tìm thấy trong nước, không
khí, đất và cả trong cơ thể người. Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta đưa đồng vị
phóng xạ tự nhiên vào cơ thể thông qua việc hít thở, ăn uống và các đồng vị này tồn tại
khắp nơi trên Trái Đất ngay từ khi Trái Đất được hình thành. Sự tồn tại của các đồng
vị phóng xạ tự nhiên trong đất dẫn đến việc chiếu xạ trong và ngoài của con người.
Các nguyên tố phóng xạ tìm thấy trong tự nhiên được chia thành hai loại. Một loại
được hình thành từ bức xạ vũ trụ, loại còn lại là đồng vị phóng xạ nguyên thủy tồn tại
trong vỏ Trái Đất. Các đồng vị phóng xạ đóng góp chủ yếu vào phông phóng xạ
gamma và

gây ra liều chiếu xạ ngoài ảnh hưởng nhiều nhất đến con người

là 238U, 232Th và 40K. Việc đo lường hoạt độ của 238U, 232Th, 40K cho ta các số liệu cần
thiết để đánh giá ảnh hưởng của các đồng vị này đến môi trường sống ta quan tâm.
Nguy hiểm do bức xạ phát ra từ các đồng vị phóng xạ tự nhiên đã được chú trọng lần
đầu tiên trong chỉ thị hội đồng Châu Âu 96/29 EURATOM (European Council
Directive 96/29 EURATOM) [6], đưa ra tiêu chuẩn an toàn để bảo vệ sức khỏe của
công nhân và cộng đồng khỏi sự nguy hiểm của bức xạ ion hóa. Tuy nhiên vẫn còn
một số thiếu sót về an toàn bức xạ, cũng như ảnh hưởng của phông phóng xạ gamma
tác động ít nhiều đến sức khỏe con người. Xu hướng nghiên cứu hoạt độ của các đồng

vị phóng xạ trong mẫu môi trường đang được xúc tiến để bảo vệ chúng ta khỏi những
ảnh hưởng của bức xạ. Hoạt độ phóng xạ tự nhiên và liều chiếu ngoài do bức xạ
gamma gây ra phụ thuộc vào địa chất, các điều kiện địa lí và mức độ của chúng trong
đất khác nhau ở mỗi vùng khác nhau trên thế giới.Việc nghiên cứu về sự phân bố của
các đồng vị phóng xạ khác nhau trong đất và các yếu tố đưa các đồng vị xâm nhập từ
đất vào chuỗi thức ăn đến cơ thể người là rất quan trọng. Có rất nhiều công trình
nghiên cứu phân tích hoạt độ đồng vị phóng xạ

238

U,

Th, 40K trong các mẫu môi

232

trường đất. Có thể liệt kê như: “Phân tích nguy hiểm bức xạ trong đất ở khu vực


2

Chittagong, Bangladesh” của trường đại học Chittagong [13], “Xác định hoạt độ
phóng xạ tự nhiên tại bang Qatar sử dụng hệ phổ kế gamma có độ phân giải năng
lượng cao” của tác giả Huda Abdulrahman Al-Sulaiti, trường Đại học Surrey [12],
giáo trình “Đo hoạt độ phóng xạ trong thực phẩm và môi trường” - Viện năng lượng
nguyên tử quốc tế Vienna, 1989 [14], “Hệ HPGe để đo hoạt độ phóng xạ trong đất và
vật liệu xây dựng” của Richard Hagenauer [15], “Sử dụng hệ gamma HPGe đo đồng
vị phóng xạ uranium trong đất” của nhóm tác giả Phòng Thí Nghiệm Vật lý Hạt nhân
– Đại học Ioannina, Greece [13], công trình “Áp dụng phương pháp FSA vào phân tích
phổ gamma thu được từ hệ phổ kế HPGe” của Katse Piet Maphoto [11] đã xác định

hoạt độ của các đồng vị phóng xạ nguyên thủy

238

U,

232

Th và 40K trong các mẫu

cát, đất quặng bằng phương pháp toàn phổ và nhiều công trình khác nữa. Ngoài các
công trình nước ngoài, trong nước cũng có các đề tài nghiên cứu khoa học, cụ thể là đề
tài “Nghiên cứu khảo sát môi trường, hoạt độ đồng vị phóng xạ tự nhiên họ Uranium,
Thorium lưu vực sông Ba và sông Đồng Nai khu vực Tây Nguyên” của Nguyễn Trung
Minh [3], “Phân tích hoạt độ phóng xạ các đồng vị 226Ra, 232Th, 40K trong mẫu đất đá”
- Phan Thị Minh Tâm [6]. Tham gia đóng góp vào các đề tài nghiên cứu trên nhằm
góp phần mang lại lợi ích thực tiễn trong việc đo hoạt độ phóng xạ trong môi trường
đất xung quanh chúng ta, Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt Nhân Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên vừa nhập về hệ phổ kế gamma GMX- 35P470 có thể đo hoạt độ phóng
xạ của đồng vị

238

U,

Th, 40K trong đất. So với hệ phổ kế gamma đã có sẵn ở Bộ

232

môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, hệ phổ kế GMX-35P470

có thể đo khá chính xác bức xạ gamma có năng lượng thấp từ 8 keV trở lên, trong khi
hệ đo HPGe GC2018 chỉ có thể đo tốt được bức xạ gamma nằm trong vùng năng
lượng 50 keV. Đây là hệ phổ kế hoàn toàn mới, trước khi đưa vào sử dụng cần đánh
giá các đặc trưng của hệ phổ kế, cũng như hiệu chuẩn năng lượng và hiệu suất ghi của
đầu dò. Để đáp ứng nhu cầu thực tế về phân tích dịch vụ một cách nhanh chóng và
thuận lợi cần xây dựng quy trình phân tích dựa trên điều kiện hiện có của phòng thí
nghiệm. Xuất phát từ yêu cầu đó bước đầu chúng tôi thực hiện luận văn “Xây dựng
quy trình phân tích hoạt độ
gamma GMX-35P470”.

238

U,

232

Th,

K của mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế

40


3

*Cơ sở khoa học: Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất gồm các họ phóng xạ
uranium, thorium và các hạt nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, 87Rb… Năm 1896, nhà
bác học người Anh Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium và
con cháu của nó. Đến nay người ta biết ba họ phóng xạ tự nhiên là họ Thorium (232Th),
uranium (238U) và actinium (235U). Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau:

(99,3%),

235

U (0,7%) và

234

U ( 5.10-3 %). Trong đó,

238

U và

238

U

234

U thuộc cùng họ

unranium, 235U là thành viên của họ actinium, 232Th là thành viên của họ Thorium.
Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời
gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. Điều này dễ hiểu vì nếu xét thời gian từ
khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối ngắn bị phân rã trong một vài tỉ
năm tồn tại của Trái Đất.
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 các đồng
vị phóng xạ tự nhiên là 40K rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng potassium trung

bình trong đất đá là 27 g/ kg và trong đại dương là khoảng 380 mg/ L), trong thực vật,
động vật và cơ thể con người (Hàm lượng potassium trung bình trong cơ thể người vào
khoảng 1,7 g/ kg).
Trong tất cả các loại đất đá thuộc vỏ Trái Đất đều chứa các nguyên tố phóng xạ tự
nhiên 238U, 232Th, 40K và 87Rb với hàm lượng khác nhau. Bức xạ do 87Rb phát ra không
đóng góp vào phông phóng xạ chung trên mặt đất. Các nguyên tố phóng xạ trong đất
đá và trong vật liệu xây dựng đều nằm trong 3 họ phóng xạ 238U, 232Th, 40K với 40K là
nguyên tố phóng xạ kèm theo bức xạ gamma có năng lượng 1,46 MeV. Các hạt nhân
con cháu của

238

U,

232

Th phân rã alpha hoặc beta thường được tạo thành ở trạng thái

kích thích, chúng phát ra các bức xạ gamma đặc trưng để trở về trạng thái cơ bản.
Các bức xạ gamma, đặc biệt là các bức xạ có năng lượng cao, có hệ số suy giảm
trong đất đá rất nhỏ. Quãng chạy của các bức xạ gamma trong đất đá rất lớn. Khi được
sinh ra từ các lớp đất đá gần mặt đất, các bức xạ gamma có thể bay ra khỏi mặt đất tạo
thành phông phóng xạ gamma trên mặt đất. Ngoài ra phông bức xạ trên mặt đất còn do
bức xạ vũ trụ gây ra. Thành phần phông phóng xạ gamma do tia vũ trụ gây ra phụ
thuộc vào chiều cao so với mực nước biển. Thành phần này thường rất nhỏ so với các


4

bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ dưới mặt đất và vật liệu xây dựng xung

quanh gây nên. Như vậy, khi nói đến phông phóng xạ có nghĩa là nó được tạo thành từ
các nguyên tố có trong đất.
*Cơ sở thực tiễn: Ngày nay, nhiều vụ thử nghiệm hạt nhân đang diễn ra hằng ngày
và bụi phóng xạ xâm nhập đến bề mặt Trái Đất từ khí quyển. Nguồn gốc của loại bụi
này là những vụ thử vũ khí hạt nhân. Bụi phóng xạ khi rơi xuống sẽ gây tác động có
hại, xâm nhập qua chuỗi thức ăn, bụi này từ lá cây, qua động vật rồi đến người. Lượng
bụi phóng xạ mà mặt đất thu nhận, phụ thuộc vào bản chất của đất, địa hình và loại
thảm thực vật. Nguyên nhân ô nhiễm phóng xạ trong đất là do chất thải phóng xạ từ
các nhà máy điện hay các trung tâm nghiên cứu khoa học và các đồng vị phóng
xạ

238

U,

Th, 40K có sẵn trong lòng đất. Trong điều kiện môi trường thuận lợi, các

232

nguyên tố này phân rã và gây phóng xạ nồng độ cao, gây hại môi trường đất. Điều này
xảy ra ở những vùng mỏ phóng xạ, tập trung lượng phóng xạ cao. Mức độ phóng xạ
rất đa dạng phụ thuộc vào loại đất, sự hình thành của các chất phóng xạ và nồng độ
của chúng. Chất phóng xạ ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường đất, từ đó gây tác hại
đến sức khỏe con người.Việc nghiên cứu hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong đất
giúp chúng ta biết được đặc điểm của hoạt độ phóng xạ trong môi trường sống của
mình, theo dõi hằng ngày ảnh hưởng của phóng xạ đến khu vực xung quanh. Ngoài ra,
khi có tai nạn và thử nghiệm hạt nhân thì việc đo được hoạt độ phóng xạ của các đồng
vị trong đất cao, giúp chúng ta phát hiện được sự cố và lên kế hoạch, giám sát việc cải
tạo môi trường đất kịp thời. Hơn nữa, biết được hoạt độ phóng xạ trong đất giúp chúng
ta đưa ra quyết định tái sử dụng hoặc tái chế các vật liệu đất, rác.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng quy trình phân tích hoạt độ 238U, 232Th và 40K của mẫu môi trường đất.

1.3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thực nghiệm
Thực hiện việc lấy mẫu đất, xử lý mẫu, chuẩn bị mẫu đo đạc theo tiêu chuẩn BSISO-18589.
Khảo sát đặc trưng của hệ phổ kế sử dụng nguồn và mẫu chuẩn.


5

Đo hoạt độ các mẫu đất bằng hệ phổ kế gamma GMX-35P470.
Xử lý số liệu: Dùng phần mềm Genie -2000, Gamma Vision để xử lý phổ, tính
toán số liệu đo đạc và biểu diễn số liệu đo đạc bằng phần mềm Origin.
Phương pháp mô phỏng
Sử dụng phần mềm Angle để mô phỏng hiệu suất từ nguồn điểm đến nguồn thể
tích. Từ đó, suy ra được hoạt độ mẫu đất.

1.4. Nội dung nghiên cứu
Khảo sát các đặc trưng hệ phổ kế gamma GMX-35P470 trên thực tế tại phòng thí
nghiệm kĩ thuật hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM (Độ phân giải
năng lượng FWHM, hiệu suất, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất).
Bằng thực nghiệm, đo đạc mẫu đất chuẩn trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470 để
thiết lập được phương trình đường chuẩn năng lượng, đường cong hiệu suất chuẩn. Từ
đó ta có thể xác định được hoạt độ của các đồng vị phóng xạ 238U, 232Th, 40K trong đất
khi đo một mẫu đất bất kì.
Nghiên cứu, xây dựng quy trình lấy mẫu, gói mẫu, làm mẫu, tạo mẫu phân tích
gần giống mẫu chuẩn để phân tích hoạt độ 238U, 232Th, 40K.
Do mẫu đất được đóng vào hộp đựng mẫu có dạng hình trụ hoặc hộp có hình dạng

Marinelli nên sẽ có hiệu ứng tự hấp thụ và hiệu chỉnh tự trùng phùng xảy ra trong mẫu.
Các hiện ứng này được đánh giá và hiệu chỉnh bằng phần mềm Angle.
Xác định MDA, MDC của mẫu môi trường và phân tích hoạt độ một số mẫu đất
sau khi xây dựng được quy trình phân tích hoạt độ
trường đất trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470.

238

U,

232

Th,

40

K trong mẫu môi


6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
1.1. Nguồn gốc phóng xạ môi trường
Nguồn phóng xạ môi trường được chia làm hai loại: Thứ nhất là nguồn phóng xạ
nhân tạo do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay
tạo ra bằng các máy gia tốc hoặc từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Thứ hai là nguồn
phóng xạ tự nhiên. Nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: Nhóm các đồng vị phóng xạ
nguyên thủy (có từ khi tạo thành Trái Đất) và nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc
vũ trụ (được tia vũ trụ tạo ra).

1.1.1. Đồng vị phóng xạ nhân tạo
Phát minh của Frederic Joliot và Irene Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo của
phốt-pho và ni-tơ năm 1934 đã mở ra kỉ nguyên của phóng xạ nhân tạo. Ngày nay con
người đã tạo được rất nhiều đồng vị phóng xạ. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo có chu kì
bán rã khác nhau trong một dãy rất rộng, chúng có chu kì bán rã ngắn hơn nhiều so với
các đồng vị phóng xạ nguyên thủy. Việc gia tăng nhanh chóng các ứng dụng công nghệ
hạt nhân và sự tăng đột biến các vụ thử vũ khí hạt nhân trong thời chiến tranh lạnh đã
khiến cho thế giới lo ngại về sự quản lí các nguồn đồng vị phóng xạ mà nguồn phóng xạ
nhân tạo được quan tâm hàng đầu. Phóng xạ nhân tạo chiếm 15% sự đóng góp vào phông
phóng xạ, phóng xạ nhân tạo đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên ít nhất, kế đến là các
hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ và chiếm phần lớn lượng phóng xạ là các hạt
nhân phóng xạ tự nhiên. Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên
là 3H,121I, 129T,137Cs, 90Sr,

99

Tc, 239 Pu…[9],[10].

1.1.2. Đồng vị phóng xạ tự nhiên
Nguồn phóng xạ tự nhiên gồm các chất phóng xạ có nguồn gốc bên ngoài Trái Đất
như các tia vũ trụ và các chất phóng xạ có nguồn gốc từ Trái Đất.
1.1.2.1. Đồng vị phóng xạ tạo ra từ tia vũ trụ
Các đồng vị phóng xạ tự nhiên sinh ra do những nguyên nhân ngoài Trái Đất như do
tương tác của các tia vũ trụ có năng lượng cao với khí quyển, đó là các nguyên tố
như 3H, 7Be, 10Be,14C… và một số nguyên tố sinh ra do sự bắt neutron hay có nguồn gốc

từ các thiên thạch trong vũ trụ đi vào Trái Đất. Cụ thể là khi đi vào khí quyển của Trái
Đất, tia vũ trụ sơ cấp (86% proton, 13% alpha, còn lại là các hạt có số khối A>4)

7

tương tác với các nguyên tử vật chất trong khí quyển tầng cao sinh ra tia vũ trụ thứ
cấp. Quá trình tương tác thường gồm hai giai đoạn. Các hạt sơ cấp bị hấp thụ và sinh
ra các hạt thứ cấp, sau đó các hạt thứ cấp ion hóa môi trường khí quyển. Tia vũ trụ thứ
cấp gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron…), các hạt muon, electron và photon.
Ngoài các hạt sơ cấp và thứ cấp, tại lớp trên của khí quyển xảy ra các phản ứng hạt
nhân giữa các hạt hadron với các hạt nhân khí quyển, sinh ra các hạt nhân phóng xạ và
các hạt nhân bền [9].
1.1.2.2. Đồng vị phóng xạ trong vỏ Trái Đất

Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất gồm các họ phóng xạ uranium, thorium và
các hạt nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, 87Rb… Năm 1896, nhà bác học người Anh
Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium và con cháu của nó. Đến
nay người ta biết ba họ phóng xạ tự nhiên là họ Thorium (232Th), uranium (238U) và
actinium (235U).Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau:
U ( 5.10-3%). Trong đó,

234

238

U và

238

235

U (99,3%),

234

U thuộc cùng họ unranium,

U (0,7%) và

235

U là thành viên

đầu tiên sống dài của họ actinium.232Th là thành viên đầu tiên sống dài của họ
Thorium.
Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là thành viên thứ nhất là đồng vị
phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. Điều này dễ
hiểu vì nếu xét thời gian từ khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối ngắn
bị phân rã trong một vài tỉ năm tồn tại của Trái Đất.
Đặc điểm chung thứ hai là mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng chất khí
phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon.
Đặc điểm thứ ba của ba họ phóng xạ tự nhiên là sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ
đều là chì (Pb).


8

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 các đồng
vị phóng xạ tự nhiên là 40K rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng potassium trung

bình trong đất đá là 27 g/kg và trong đại dương là khoảng 380 mg/L), trong thực vật,
động vật và cơ thể con người. Hàm lượng potassium trung bình trong cơ thể người vào

khoảng 1,7 g/kg [9].
Hình 1.1. Họ Uranium (4n+2) [12]


9

Hình 1.2. Họ actinium (4n+3) [12]


10

1.1. Hình 1.3. Họ Thorium (4n) [12]
1.1.3. Phông bức xạ gamma

Trong tất cả các loại đất đá thuộc vỏ Trái Đất đều chứa các nguyên tố phóng xạ tự
nhiên

238

U,

232

Th,

40

K và

Rb với hàm lượng khác nhau.Trong đó

87

87

Rb là hạt nhân

phân rã beta mềm thuần túy, có chu kì rất lớn. Hàm lượng của nó trong đất đá rất nhỏ.
Vì vậy, 87Rb ít được quan tâm trong địa vật lý hạt nhân. Bức xạ do 87Rb phát ra không
đóng góp vào phông phóng xạ chung trên mặt đất.
Các nguyên tố phóng xạ trong đất đá và trong vật liệu xây dựng đều nằm trong ba
họ phóng xạ 238U, 232Th, 40K, với 40K là nguyên tố phóng xạ kèm theo bức xạ gamma
có năng lượng 1,46 MeV. Các hạt nhân con cháu của

238

U,

232

Th, 40K phân rã alpha

hoặc beta thường được tạo thành ở trạng thái kích thích, chúng phát ra các bức xạ
gamma đặc trưng để trở về trạng thái cơ bản.
Các bức xạ gamma, đặc biệt là các bức xạ có năng lượng cao, có hệ số suy giảm
trong đất đá rất nhỏ. Quãng chạy của các bức xạ gamma trong đất đá rất lớn. Khi được
sinh ra từ các lớp đất đá gần mặt đất, các bức xạ gamma có thể bay ra khỏi mặt đất tạo
thành phông phóng xạ gamma trên mặt đất. Ngoài ra phông bức xạ trên mặt đất còn
do bức xạ vũ trụ gây ra. Thành phần phông phóng xạ gamma do tia vũ trụ gây ra phụ
thuộc vào chiều cao so với mực nước biển. Thành phần này thường rất nhỏ so với các

11

bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ dưới mặt đất và vật liệu xây dựng xung
quanh gây nên. Như vậy, khi nói đến phông phóng xạ có nghĩa là nó được tạo thành từ
các nguyên tố có trong đất [9].

1.2. Hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường đất
Như đã trình bày ở 1.1.3, các nguyên tố phóng xạ trong đất đá và trong vật liệu
xây dựng đều nằm trong ba họ phóng xạ 238U, 232Th, 40K và bức xạ gamma phát ra từ
các đồng vị phóng xạ tự nhiên này đóng góp chủ yếu vào phông bức xạ gamma trên
mặt đất gây ảnh hưởng ít nhiều đến sức khỏe con người. Vì vậy, việc nghiên cứu hoạt
độ phóng xạ của 238U, 232Th, 40K trong mẫu mỗi trường đất là quan trọng.
Trong mục này trình bày các thuật ngữ liên quan đến đất, nguồn gốc của hoạt độ
phóng xạ trong đất và mục đích việc nghiên cứu hoạt độ phóng xạ trong đất.
1.2.1. Sơ lược về đất

Đất được định nghĩa là lớp trên cùng của
vỏ Trái Đất. Đất được hình thành bởi các chất
vô cơ, chất hữu cơ, nước, không khí và các sinh
vật sống. Trong thực tế, đất là lớp vật chất phức
tạp và không đồng nhất (đất ở mỗi nơi đều khác
nhau về loại đất, độ phì nhiêu… Đặc biệt là các
đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất). Đất là
nguồn tài nguyên không tái tạo và thực hiện
nhiều chức năng quan trọng như sản xuất thực
phẩm, lưu trữ, lọc và chuyển đổi nhiều chất bao
gồm nước, cacbon, nitơ. Đất là môi trường sống
của các loại sinh vật, đóng vai trò quan trọng

trong

các

hoạt

động

của

con

người.

Hình 1.4. Các tầng đất [16]
Thảm thực vật bao phủ được cấu tạo bởi các loại cây thân thảo khác nhau được
tìm thấy trong các đồng cỏ, vùng đất bỏ hoang.
Đất được chia thành nhiều tầng đất. Một tầng đất là một lớp địa chất song song
nhiều hoặc ít với bề mặt của đất, có các đặc tính vật lý khác với lớp đất bề mặt và các


12

tầng đất khác bên dưới. Mỗi loại đất thường có từ 3 đến 4 tầng đất. Người ta xác định
được các tầng đất khác nhau dựa trên các đặc điểm vật lý, màu sắc và kết cấu của mỗi
tầng đất. Tính chất của các tầng đất tạo nên đặc điểm riêng của một loại đất [16].
1.2.2. Nguồn gốc của hoạt độ phóng xạ trong đất
1.2.2.1. Hoạt độ phóng xạ tự nhiên

Như đã trình bày ở mục 1.1.3, các bức xạ gamma có thể thoát ra khỏi mặt đất tạo

thành phông phóng xạ gamma trên mặt đất. Nguyên nhân chủ yếu là do thành phần vô
cơ của đất như các đồng vị phóng xạ tự nhiên chủ yếu trong đất là 40K và chuỗi phân
rã phóng xạ của 238U và 232Th. Các loại đất khác nhau có hoạt độ phóng xạ khác nhau.
Bảng 1.1 cho thấy sự khác nhau về độ lớn nồng độ phóng xạ của các nguyên tố có
trong đất ở một số khu vực lớn trên thế giới.
Bảng 1.1. Nồng độ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất [12]
Nồng độ phóng xạ
(Bq.kg-1)
40

Khu vực /Quốc gia

238

K

Trung
bình

232

U

Khoảng

Trung
bình

Th

Khoảng

Trung
bình

Khoảng

Bắc Mỹ (USA)

370

100-700

35

4-140

35

4-130

Nam Mỹ (Argentina)

650

540-750

_

_

_

_

Quốc )

440

9-1800

33

2-690

41

1-360

Tây Á (Armenia)

360

310-420

46

20-78

30

29-60

Bắc Âu (Lithuania)

600

350-850

16

3-30

25

9-46

Tây Âu (Ireland)

350

40-800

37

8-120

26

3-60

Nga)

520

100-1400

19

0-67

30

2-79

Nam Âu (Hy Lạp)

360

12-1570

25

1-240

21

1-190

Đông Á (Trung

Đông Âu ( Liên đoàn

1.2.2.2. Các nguồn phóng xạ khác trong đất


13

Ngoài các đồng vị phóng xạ tự nhiên, trong đất còn có các nguồn phóng xạ khác,
chủ yếu là do:
Bụi phóng xạ từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân hoặc tai nạn hạt nhân trong
quá khứ.
Sự rò rĩ phóng xạ từ các vụ thử nghiệm hạt nhân hay các ngành công nghiệp khai
thác khoáng sản,các ngành công nghiệp khác sử dụng các vật liệu làm giàu các nguyên
tố phóng xạ tự nhiên (ví dụ các nhà máy sản xuất phân bón hoặc đất hiếm), và các yếu
tố kinh tế khác trong đó có sử dụng đồng vị phóng xạ tự nhiên hoặc nhân tạo.
Việc sử dụng rộng rãi và quá mức các loại phân bón giàu chất hóa học cho mục
đích nông nghiệp.
Nói chung, ngoài các khu vực có hoạt độ phóng xạ cao, hoạt độ phóng xạ nhân tạo
có giá trị nhỏ hơn nhiều so với hoạt độ phóng xạ tự nhiên. Vì vậy, trước khi thực hiện
phép đo hoạt độ của một mẫu đất thì mục đích chính là phải nghiên cứu xác định cách
lấy và tạo mẫu đất, cũng như là các phương pháp phân tích hoạt độ [12].
1.2.3. Mục đích của việc nghiên cứu hoạt độ phóng xạ trong đất

Mục đích chính của việc phân tích hoạt độ phóng xạ trong đất là để đánh giá ảnh
hưởng của phông phóng xạ môi trường đối với con người thông qua việc chiếu xạ trực
tiếp hoặc gián tiếp. Bất cứ phương án nào được đề xuất để bảo vệ môi trường và con
người khỏi ảnh hưởng của bức xạ đều phải dựa trên kiến thức về nồng độ phóng xạ,
cũng như sự phân bố của các đồng vị phóng xạ trong đất. Người ta đo hoạt độ phóng
xạ với nhiều mục đích khác nhau.

1.2.3.1. Giám sát đặc điểm của hoạt độ phóng xạ trong môi trường

Theo dõi hoạt độ phóng xạ trong môi trường tại các địa điểm khác nhau giúp
chúng ta biết được các bức xạ trong khu vực đang xét có nguồn gốc tự nhiên hay do
các hoạt động sản xuất hằng ngày của con người.
Việc giám sát phải được diễn ra thường xuyên, định kì và có hệ thống đối với một
địa điểm đặc biệt, ví dụ như khu dân cư xung quanh nơi diễn ra thí nghiệm hạt nhân.
Các khu vực cần thiết có sự theo dõi hoạt độ phóng xạ là nơi khai thác và nghiền
Uranium, cơ sở làm giàu đồng vị, nhà máy điện hạt nhân, nhà máy tái chế, nhà chứa
chất thải hạt nhân cũng như là các phòng thí nghiệm hoặc y học hạt nhân. Việc giám


14

sát giúp xác định tác động của rò rĩ phóng xạ từ các thí nghiệm hạt nhân vào môi
trường. Ngoài ra, kiểm tra định kì giúp đảm bảo rằng các thí nghiệm vẫn còn phù hợp
với các yêu cầu pháp lý.
Đặc điểm của hoạt độ phóng xạ trong môi trường được thể hiện rất rõ ở các khu
vực đặc biệt – nơi diễn ra các thí nghiệm hạt nhân. So sánh các dữ liệu thu được từ
trước khi chuẩn bị các thí nghiệm hạt nhân và các dữ liệu sau khi diễn ra các thí
nghiệm hạt nhân trong điều kiện lấy mẫu giống hệt nhau.Từ đó, xác định được tác
động của phóng xạ đến môi trường.
Đo lường hoạt độ phóng xạ trong đất giúp phát hiện kịp thời các sự cố và tai nạn
hạt nhân, đồng thời còn biết được nơi nào có sự ô nhiễm phóng xạ đề kịp thời xử lí,
đưa ra các biện pháp bảo vệ người dân và việc sử dụng đất trong tương lai [13].
1.2.3.2. Lập kế hoạch giám sát và khắc phục hậu quả

Lập kế hoạch giám sát và khắc phục hậu quả tại những vùng đất hoặc khu vực đặc
biệt bị ô nhiễm do các hoạt động trong quá khứ liên quan đến phóng xạ. Những phép
đo này giúp biết được đặc điểm của sự ô nhiễm (ví dụ: hoạt độ phóng xạ còn tồn tại

trong đất).Từ đó, lựa chọn những biện pháp thích hợp để kiểm soát ảnh hưởng của sự
ô nhiễm đến con người.
Đo lường hoạt độ của các nguyên vật liệu, đất bị ô nhiễm nhẹ hoặc các đống đổ
nát để có thể đưa ra quyết định về việc tái sử dụng, tái chế hoặc xử lý như chất thải
không phóng xạ [13].

1.3. Các đặc trưng hệ phổ kế
Trên thực tế có nhiều phương pháp khác nhau để đo được hoạt độ phóng xạ trong
môi trường như phương pháp huỳnh quang tia X hoặc dùng các hệ phổ kế….Trong đó,
việc dùng hệ phổ kế gamma là phổ biến và có độ chính xác cao. Mỗi hệ phổ kế gamma
có các đặc trưng khác nhau. Mục 1.3 sẽ trình bày các đặc trưng quan trọng của một hệ
phổ kế gamma.
1.3.1. Độ phân giải năng lượng

Độ phân giải năng lượng của detector được định nghĩa là tỉ số giữa FWHM và vị
trí đỉnh hấp thụ toàn phần H o , trong đó FWHM là bề rộng của phân bố tại tọa độ bằng
một nửa độ cao cực đại của đỉnh.