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

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất
đến thầy TS. Trịnh Văn Giáp đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy và giúp đỡ em
trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn KS. Nguyễn Quang Long – Viện Khoa Học và
Kỹ Thuật Hạt Nhân đã chỉ dạy, tạo điều kiện và cho phép sử dụng số liệu của
đề tài: “Thiết lập cơ sở dữ liệu phông phóng xạ môi trường Hà Nội (phần Hà
Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trường
Hà Nội tỷ lệ : 1:100.000”.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ Trung Tâm Quan
Trắc Phóng Xạ và Đánh Giá Tác Động Môi Trường – Viện Khoa Học và
Kỹ Thuật Hạt Nhân – Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam đã giúp đỡ
và tạo điều kiện tốt nhất, giúp em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Vật Lý trường Đại
học Khoa học Tự nhiên đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt 2 năm học
vừa qua. Với vốn kiến thức mà em được tiếp thu trong quá trình học tập sẽ là
hành trang quý báu để em có thể hoàn thành tốt công việc sau này.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè,
những người đã luôn động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện về vật chất và tinh
thần cho em trong suốt thời gian học tập và làm luận văn.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Học viên

Dương Đức Thắng

1

MỤC LỤC

2


DANH MỤC BẢNG

3


DANH MỤC HÌNH VẼ

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
Chữ cái viết tắt
IAEA
ICRU
ICRP
EML
JAERI

Cụm từ đầy đủ
(International Atomic Energy Agency)
Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế
(International Commission on Radiation Units and
Measurements)

Ủy ban quốc tế về đơn vị và đo lường bức xạ
(International Commission on Radiological Protection)
Ủy ban quốc tế về bảo vệ phóng xạ
(Environmental Measurements Laboratory)
Phòng thí nghiệm đo môi trường
(Japan Atomic Energy Research Institute)
Viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Nhật Bản

PTN

Phòng Thí Nghiệm

HPGe

(High-purity Germanium Detectors)
Detector Germani siêu tinh khiết

5


MỞ ĐẦU
Để xác định liều dân chúng do các đồng vị phóng xạ tự nhiên gây ra,
phương pháp phổ biến và chính xác nhất là lấy mẫu và phân tích trong phóng
thí nghiệm. Ở nước ta một số tác giả như Ngô Quang Huy, Phạm Duy Hiển,
Nguyễn Hào Quang(15), Trịnh Văn Giáp(1)…đã sử dụng phương pháp này để
đánh giá liều dân chúng khá chi tiết ở một số tỉnh và trên phạm vi toàn quốc.
Cùng với phương pháp trên, phương pháp đo phổ gamma hiện trường
cũng là phương pháp hiệu quả để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ
trong môi trường. Phương pháp này đã được nhiều nước trên thế giới sử dụng
để phân tích phóng xạ môi trường từ những năm 1980 (5). IAEA và ICRU đã

đề suất phương pháp này để xác định nhanh hoạt độ của các đồng vị phóng xạ
trong môi trường nói chung và cả trong trường hợp khi xảy ra sự cố(9, 17).
Tuy nhiên hiện nay phương pháp đo phổ gamma hiện trường vẫn chưa
được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam. Với hướng nghiên cứu sử dụng phương
pháp đo phổ gamma hiện trường để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng
xạ và suất liều gamma trong môi trường phục vụ cho việc khảo sát và quan
trắc phóng xạ môi trường, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định liều
chiếu dân chúng do phóng xạ tự nhiên ở khu vực hà nội (phần Hà Nội mở
rộng)”. Với mục đích:
- Nghiên cứu việc sử dụng phổ kế gamma hiện trường sử dụng detector
NaI(Tl) hình trụ kích thước 3”Φ3” để xác định hoạt độ của các nhân phóng xạ
trong đất và suất liều gamma ở độ cao 1 mét so với mặt đất.
- Đánh giá suất liều do các nhân phóng xạ gây ra và khả năng ảnh
hưởng của chúng đối với con người.
Luận văn được chia thành 3 chương với các nội dung như sau:

6


Chương 1: Tổng quan, trình bày tổng quan về phóng xạ tự nhiên và
nguồn gốc của phóng xạ tự nhiên trong môi trường.
Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương này tập
chung vào cơ sở lý thuyết và xây dựng hai phương pháp đo phổ gamma hiện
trường là: Phương pháp hàm G(E) và phương pháp diện tích đỉnh.
Chương 3: Kết quả và thảo luận. Chương này so sánh các kết quả đo
hoạt độ phóng xạ và suất liều gamma môi trường của phương pháp phổ kế
gamma hiện trường với phương pháp lấy mẫu và phân tích trong phòng thí
nghiệm. Từ đó chỉ ra ưu điểm của phương pháp đo phổ gamma hiện trường.

7

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN
1.1. Phóng xạ trong đất đá(2, 3)
1.1.1. Các họ phóng xạ(2, 3)
Trong số hàng trăm nguyên tố và đồng vị cấu thành Trái Đất từ thời
nguyên khởi trước khi hệ mặt trời được hình thành có các nguyên tố phóng xạ
U, Th và K. Chúng còn tồn tại đến ngày nay nhờ có chu kỳ bán rã tương
đương với tuổi Trái Đất, khoảng 4,5 tỷ năm. Các nhân đứng đầu ba họ phóng
xạ trong đất đá là 238 U, 232Th và 235U có chu kỳ bán tương ứng là 4,5 tỷ năm, 14
tỷ năm và 700 triệu năm.
Các đồng vị trong ba họ phóng xạ nói trên phân rã alpha và beta, trong
quá trình phân rã liên tiếp này đồng vị mẹ biến thành các đồng vị “con cháu”
và quá trình cứ tiếp diễn để cuối cùng dừng lại ở ba đồng vị bền của chì:
206

Pb,

208

207

Pb và

Pb. Tất cả có 47 đồng vị khác nhau thuộc ba họ nói trên.

Không thể lẫn họ này với họ khác căn cứ trên số khối A của đồng vị trong
mỗi họ. Cụ thể A = 4n + 2 đối với họ 238U, A = 4n đối với họ 232Th và A = 4n 1 đối với họ

235

U, n là những số nguyên. Hình 1.1 trình bày đầy đủ các đồng

vị trong ba họ nói trên cùng với các kênh phân rã và chu kỳ bán rã của chúng.
Các “con cháu” trong ba họ phóng xạ nói trên phân rã rất nhanh (T 1/2 rất
bé) so với đồng vị đứng đầu nên hàm lượng của chúng trong đất đá rất thấp.
Chẳng hạn, 226Ra là một mắt xích chủ yếu trong họ 238U có chu kỳ bán rã 1600
năm, hàng triệu lần ngắn hơn so với
cũng thấp hơn hàng triệu lần

238

U nên hàm lượng

226

Ra trong đất đá

238

U. Tuy nhiên, hoạt độ riêng tính trên đơn vị

khối lượng lại cao hơn hàng triệu lần. Hai ông bà Curie phải miệt mài nghiền
đập, hòa tách hàng tấn quặng uranium bằng phương pháp thủ công mới tách

8


được vài miligam radium (Ra), một nguyên tố hoàn toàn mới lúc bấy giờ và
có hoạt độ phóng xạ riêng cao hơn uranium đến hàng triệu lần.

Hình 1. 1: Sơ đồ phân rã của ba họ phóng xạ 238U, 232Th và 235U
Ngoài uranium và thorium, phóng xạ từ đất đá còn bắt nguồn từ 40K.
Trong vỏ Trái Đất nguyên tố kali khá phổ biến, có hàm lượng trung bình
2,6%, lớn hơn nhiều so với thorium (7,2 ppm) và uranium (1,8 ppm). Nhưng
kali chỉ chứa 0,01% đồng vị 40K và tỷ lệ này ổn định trong mọi môi trường vì
đồng vị phóng xạ này đã có từ thời nguyên khởi cách nay hàng chục tỷ năm.
Hàm lượng trung bình của uranium trong vỏ Trái Đất là 1,8 ppm, trong
lớp đất bề mặt hàm lượng thường cao hơn do U dễ bị hấp thụ bởi các phần tử
sét có kích thước bé trong đất. Trong vỏ Trái Đất, 238U chiếm 99,27 %, phần ít
ỏi còn lại là

235

U (0,73%). Ngoài ra còn có

234

U (0,0058 %) là đồng vị “con

cháu” được tạo thành do phân rã phóng xạ của

238

U (hình 1.1). Tuy nhiên,

uranium phân bố không đều trong đất đá. Tùy theo loại khoáng vật, hàm
lượng dao động từ vài phần trăm ppm trong các đá ultrabasic đến hàng chục
ppm trong granite. Còn ở các dị thường và quặng phóng xạ, hàm lượng U
thường lên đến hàng nghìn hoặc hàng vạn ppm.

9


Hàm lượng trung bình của

232

Th trong vỏ Trái Đất là 7,2 ppm. Nhưng

hàm lượng biến đổi theo loại khoáng vật, từ 3 đến 50 ppm trong granite và
permatic xuống còn từ 1 đến 3 ppm trong basalt và các đá basic.
xuất hiện trong các khoáng zircon, ở đó

232

Th thường

232

Th thay thế những vị trí cùa Zr

trong tinh thể. Các sa khoáng cát đen chứa Ti và Zr dọc theo ven biền thường
là nguồn cung cấp Zr dùng làm vỏ bọc thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân.
1.1.2. Cân bằng và mất cân bằng phóng xạ(2, 3)
Do chu kỳ bán rã của các đồng vị “con cháu” trong cả ba họ phóng xạ
đều ngắn hơn rất nhiều so với đồng vị mẹ và cũng rất ngắn so với thời gian
tồn tại của Trái Đất nên về lý thuyết, có thể xảy ra cân bằng thế kỷ giữa các
đồng vị thành viên trong họ. Khi đó hoạt độ phóng xạ A i của bất cứ thành
viên i nào cũng đều như nhau và bằng hoạt độ phóng xạ của đồng vị mẹ A i

như công thức (1.1)
Ai = λiNi = λ1N1 = A1

(1.1)

trong đó λi và Ni là hằng số phân rã và số hạt nhân của thành viên thứ i.
Tuy nhiên, trên thực tế giữa các thành viên trong chuỗi có thể mất cân
bằng thế kỷ khi một thành viên nào đó bị tách ra khỏi chuỗi phóng xạ, hoặc
được bổ sung từ môi trường bên ngoài vào chuỗi do các quá trình địa hóa.
Hiện tượng đứt gãy chuỗi này có hai nguyên nhân chính liên quan đến các đặc
điểm nguyên tố và đồng vị của các thành viên trong chuỗi.
Do thuộc những nguyên tố khác nhau, những thành viên trong chuỗi có
thể có tính chất khác nhau trong môi trường. Thí dụ uranium có độ linh động
trong nước cao hơn rất nhiều so với những nguyên tố con - cháu của nó như
230

Th hoặc 226Ra. Vì thế 230Th có hàm lượng rất thấp trong nước ngầm. 226Ra dễ

hòa tan trong môi trường nước có hàm lượng ion Cl - cao, nhưng rất khó hòa

10


tan trong nước có nhiều ion sulphate. Ngoài ra, 226Ra, 230Th và 238U trong nước
ngầm được các khoáng vật hấp phụ với mức độ khác nhau cũng gây ra mất
cân bằng phóng xạ. Radon là khí trơ nên rất dễ thoát ra khỏi đất đá. Sau khi
thoát vào không khí, các “con cháu” của Radon gắn kết vào bụi khí và theo
đường hô hấp xâm nhập vào cơ thể và trở thành nguồn chiếu trong chủ yếu
đối với con người.
Hai đồng vị cùng nguyên tố cũng có thể mất cân bằng phóng xạ như

trường hợp cặp

234

U-

238

U. Khi hạt nhân

238

U phân rã alpha, hạt nhân giật lùi

234

U có động năng đủ lớn để có thể thoát ra ngoài tinh thể. Kết quả là

hơn trong nước ngầm và nghèo đi trong khoáng vật so với

234

U giàu

238

U. Hạt nhân giật

lùi trong phân rã alpha cũng có thể tạo nên những đường vết sai hỏng trong
tinh thể, qua đó các nguyên tử dễ bị chiết ra nước ngầm làm mất cân bằng

phóng xạ.
1.2. Phóng xạ do tia vũ trụ(2, 3)
Bức xạ ion hóa có nguồn gốc từ vũ trụ có thể chia ra làm ba loại gồm:
tia vũ trụ sơ cấp, tia vũ trụ thứ cấp và tia phát ra từ chất phóng xạ được hình
thành do các tia vũ trụ phản ứng với vật chất trong khí quyển. Tia vũ trụ sơ
cấp lại có hai loại, tia có nguồn gốc thiên hà và tia xuất phát từ Mặt Trời.
Cường độ tia vũ trụ có nguồn gốc thiên hà đến Trái Đất không biến đổi
theo thời gian và đẳng hướng. Thành phần chính của chúng là proton năng
lượng cao đến 30 GeV, chiếm đến 85%, sau đó (10%) là hạt nhân của những
nguyên tố nhẹ như He, Li, Be, C..., số còn lại là electron, photon, neutrino.
Chúng là sản phẩm của phản ứng hạt nhân xảy ra trong quá trình bùng nổ và
hình thành các thiên thể thuộc hệ thiên hà. Neutron có thể sinh ra đâu đó trong
vũ trụ do phản ứng tổng hợp hạt nhân nhưng không kịp đến trái đất trước khi
bị phân rã β- biến thành proton với chu kỳ bán rã khoảng 15 phút. Trong khi

11


đó, tia sơ cấp xuất phát từ Mặt Trời biến đổi theo thời gian phụ thuộc vào chu
kỳ hoạt động 11 năm của Mặt Trời.
Khi đi vào khí quyển, tia vũ trụ sơ cấp có năng lượng lớn sẽ gây ra
phản ứng hạt nhân với các nguyên tử và phân tử trong không khí tạo nên
những bức xạ ion hóa trong khí quyển bao gồm photon, electron, neutron,
proton, pion, muon..., chúng được gọi là các tia vũ trụ thứ cấp.
Như một nam châm khổng lồ, từ trường của Trái Đất đã uốn quỹ đạo
các hạt tích điện trong tia vũ trụ làm cho chúng bật trở lại hoặc lượn vòng
quanh trước khi đâm vào khí quyển. Theo đường sức của từ trường các hạt
tích điện hướng vào xích đạo sẽ có xu hướng lượn về hai cực làm cho cường
độ tia vũ trụ tăng theo vĩ độ, ở những vĩ độ trung bình của Bắc bán cầu phơi
nhiễm do tia vũ trụ cao hơn ở vùng xích đạo đến 30 - 40%.

Không khí trong khí quyển hấp thụ và giảm tốc các tia vũ trụ năng
lượng cao rất hiệu quả, nhờ đó đã giảm thiểu đáng kể tác hại đối với con
người sống trên mặt đất. Càng lên cao phơi nhiễm do tia vũ trụ càng lớn do bề
dày của lớp không khí che chắn càng giảm. Trên đỉnh Everest cao 8 850 m so
với mặt biển, phơi nhiễm do tia vũ trụ tăng lên 20 lần so với độ cao ngang
mặt nước biển.
1.3. Phơi nhiễm do phóng xạ tự nhiên(2, 3)
Con người bị phơi nhiễm do các tia phóng xạ từ những nhân phóng xạ
trong tự nhiên hoặc có nguồn gốc nhân tạo. Nói chung đối với dân chúng trên
toàn cầu, phơi nhiễm do phóng xạ tự nhiên đóng góp phần chủ yếu. Phơi
nhiễm do phóng xạ tự nhiên lại gồm có hai thành phần, do chiếu ngoài và do
chiếu trong.

12


1.3.1. Phơi nhiễm do chiếu ngoài từ phóng xạ tự nhiên trong đất đá(2, 3)
Các bức xạ ion hóa từ những nhân phóng xạ trong lớp đất bề mặt tạo
nên phông phóng xạ trên mặt đất và đóng góp chính vào liều chiếu ngoài.
Trong ba loại bức xạ alpha, beta, gamma, bức xạ gamma đóng góp lớn nhất
vào phông phóng xạ trên mặt đất do có khả năng xuyên qua lớp đất bề mặt
mạnh hơn hai loại bức xạ kia. Tuy nhiên, ngay đến bức xạ gamma phát xuất
từ những nhân phóng xạ nằm ở lớp đất sâu hơn 30 cm cũng không đóng góp
vào trường phóng xạ trên mặt đất. Tia beta xuyên sâu kém hơn nên chỉ những
nhân ở lớp đất rất mỏng trên bề mặt mới có tác dụng chiếu xạ ít nhiều. Tia
alpha từ các nhân phóng xạ trong đất đá hầu như không đóng góp gì vào
phông phóng xạ trên mặt đất, chúng chỉ gây tác dụng khi thâm nhập vào cơ
thể qua con đường hô hấp và tiêu hóa.
Trên phạm vi toàn cầu, đóng góp của phông phóng xạ vào liều chiếu
ngoài gồm có 35% từ 40K, 25% từ những nuclit phát tia γ trong họ

238

U (chủ

yếu là hai đồng vị

214

232

Tl và 228Ac)(2,3). Bức xạ gamma của những đồng vị vừa kể

Th (chủ yếu là

208

Pb và

214

Bi) và 40% từ những nuclit phát tia γ trong họ

trên đều thấy rõ trong các mẫu đất phân tích bằng phổ kế gamma dùng
detector Ge siêu tinh khiết.
Tại một địa điểm cụ thể nào đó phông phóng xạ phụ thuộc vào hàm
lượng các nhân phóng xạ có trong đất đá xung quanh, mà hàm lượng này thay
đổi khá mạnh từ vùng này sang vùng khác. Thí dụ ở Việt Nam, hai tỉnh Tuyên
Quang và Yên Bái có hàm lượng radium cao gấp ba lần mức trung bình
(42,77 Bq/kg), trong khi đó vùng đất xám miền Đông Nam Bộ như Bình

Phước, Tây Ninh... lại rất nghèo phóng xạ, đặc biệt là 40K (và cả tổng kali) với
hàm lượng vài chục lần thấp hơn mức trung bình (411,93 Bq/kg). Cát đen dọc
theo ven biển miền Trung chứa khoáng monazite, nên hoạt độ phóng xạ riêng

13


của thorium trong cát có thể cao hơn mức trung bình hàng chục lần (59,84
Bq/kg).
Các bức xạ ion hóa gamma và beta trực tiếp chiếu lên con người từ mặt
đất khi ở ngoài trời và từ những vật liệu xây dựng khi ở trong nhà. Theo các
kết quả nghiên cứu từ nhiều nước trên thế giới, phông gamma bên trong nhà
thường cao hơn ngoài trời đến 20%. Thống kê cũng cho thấy trung bình con
người sống trong nhà đến 80% thời gian. Cho nên suất liều chiếu ngoài hiệu
dụng mà con người nhận được chủ yếu là do sinh hoạt trong nhà.
Bảng 1. 1: Thành phần phông phóng xạ tự nhiên và liều hiệu dụng trung bình
năm lên cơ thể sống từ các thành phần phóng xạ tự nhiên trên thế giới.
Thành phần phông phóng xạ tự
nhiên
Tia vũ trụ (chiếu ngoài)
Tia phóng xạ từ đất (chiếu ngoài)
Radon (chiếu trong do hô hấp)
Nhân phóng xạ tự nhiên thâm
nhập vào cơ thể (chiếu trong)
Tổng cộng chiếu ngoài và chiếu
trong

Liều hiệu dụng trung
bình hàng năm trên thế
giới (mSv/năm)

0,4
0,5
1,2

Khoảng biến
thiên
(mSv/năm)
0,3 – 10
0,3 – 0,6
0,2 – 10

0,3

0,2 – 0,8

2,4

1,0 – 10

1.3.2. Phơi nhiễm do chiếu ngoài từ tia vũ trụ(2, 3)
Trên toàn cầu liều hiệu dụng trung bình do tia vũ trụ vào khoảng 0,4
mSv/năm (bảng 1.1). Tuy nhiên liều hiệu dụng tăng lên theo độ cao, cụ thể ở
độ cao 15 km có thể lên đến 20 mSv/năm ở vùng xích đạo và từ 50 đến 120
mSv/năm ở hai cực tùy theo hoạt động Mặt Trời.
1.3.3. Phơi nhiễm do chiếu trong từ các nguồn phóng xạ tự nhiên(2, 3)
Các nhân phóng xạ tự nhiên thâm nhập vào cơ thể theo thức ăn, nước
uống và đường hô hấp. Riêng với 40K, đồng vị này còn tồn tại trong các mô

14

như một thành phần đồng vị của kali với hàm lượng trong cơ thể thay đổi từ 1
đến 2,5 g/kg thể trọng, tập trung chủ yếu ở các mô cơ bắp. Quy ra hoạt độ
phóng xạ, người nặng 70 kg có thể xem như một nguồn phóng xạ hoạt độ
4000 Bq. 40K còn thâm nhập vào cơ thể qua thửc ăn. Hàm lượng 40K trong
thực phẩm nằm trong khoảng từ 20 đến 600 Bq.kg-1.
Nói chung, liều hiệu dụng trung bình do chiếu trong từ các nhân phóng
xạ có trong đất như 238U, 226Ra, 232Th và 40K là 0,3 mSv/năm (bảng 1.1).
Trong số các nhân phóng xạ tự nhiên,

222

Rn đóng góp nhiều nhất vào

liều chiếu trong. Liều hiệu dụng chiếu trong trung bình do hít thở các “con
cháu”

222

Rn là 1,2 mSv/năm gấp bốn lần phần đóng góp do tất cả các nhân

phóng xạ khác cộng lại (0,3 mSv/năm) (bảng 1.1).

222

Rn phân rã α với chu kỳ

bán phân rã 3,82 ngày, nhưng vì radon là khí trơ nên bản thân radon lại theo
hơi thở ra ngoài và chỉ gây ra rất ít hậu quả cho cơ thể. Gây ra liều chiếu trong
chủ yếu là do các con cháu của nó, những đồng vị phát bức xạ gamma với chu

kỳ bán rã ngắn hơn 30 phút như

214

Bi, 214Pb... Khi radon thoát vào môi trường

không khí, radon phân rã thành các sản phẩm sống ngắn gắn kết với sol khí có
kích thước micron, từ đó xâm nhập sâu vào phổi theo đường hô hấp và gây ra
liều chiếu trong. Hàm lượng 222Rn và con cháu trong không khí về mùa hè cao
hơn mùa đông, ban đêm cao hơn ban ngày.
1.4. Một số đại lượng đo liều trong an toàn bức xạ(4)
1.4.1. Liều chiếu(4)
Liều chiếu cho biết khả năng ion hóa không khí của bức xạ tại một vị
trí nào đó. Liều chiếu X là tỉ số giữa giá trị tuyệt đối tổng điện tích dQ của tất
cả các ion cùng dấu được tạo ra trong một thể tích nguyên tố của không khí,
khi tất cả các electron và positron thứ cấp do các bức xạ gamma tạo ra bị hãm

15


hoàn toàn trong thể tích không khí đó, và dm khối lượng là của thể tích
nguyên tố không khí đó.
dQ
dm

X=

(1.2)

Đơn vị liều chiếu trong hệ SI là C/kg. Đơn vị ngoài hệ SI thường dùng

là Roentgen (ký hiệu là R), 1 R = 2,58 ×10-4 C/kg
.

Suất liều chiếu

X

.

là liều chiếu trong một đơn vị thời gian

X

=

dX
dt

. Đơn

vị suất liều chiếu trong hệ SI là C/kg/s. Đơn vị ngoài hệ SI thường dùng là
R/h hay mR/h.
1.4.2. Liều hấp thụ(4)
−

Liều hấp thụ là tỉ số giữa năng lượng trung bình

dE

mà bức xạ truyền

cho khối lượng vật chất dm của thể tích đó:
−

dE
D=
dm

(1.3)

Đơn vị liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (ký hiệu là Gy). 1 Gy bằng
năng lượng 1 June truyền cho 1 kg vật chất. 1 Gy = 1 J/kg
Đơn vị thường dùng là rad, 1 rad = 100 erg/g = 0,01 Gy
.

Suất liều hấp thụ

D

.

là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian

D

=

dD
dt

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

16

.


1.4.3. Liều tương đương(4)
Liều hấp thụ tương đương hay liều tương đương H là đại lượng để đánh
giá mức độ nguy hiểm của các loại bức xạ, bằng tích của liều hấp thụ D với
hệ số chất lượng QF (Quality Factor) hay trọng số bức xạ W R đối với các loại
bức xạ. Trọng số bức xạ WR được đưa trong bảng 1.2.
H = D ×WR

(1.4)

Đơn vị liều tương đương trong hệ SI là Sievert (ký hiệu là Sv). Ta có:
1 Sv = 1 Gy × WR
.

H

Suất liều tương đương : là liều tương đương trong một đơn vị thời
.

gian

H

=

dH
dt

. Đơn vị suất liều tương đương trong hệ SI là Sv/s. Đơn vị khác

là Sv/h, rem/s hay rem/h. Các đơn vị thường dùng trong thực tế µSv/h và
mrem/h với 1 mrem/h =10µSv/h.
Phông bức xạ tự nhiên: Là giá trị liều tương đương bức xạ do các bức
xạ vũ trụ và bức xạ của các nhân phóng xạ phân bố một cách tự nhiên trong
các lớp đất đá bề mật trái đất, trong khí quyển, thức ăn, nước uống và trong
cơ thể con người tạo ra.
Bảng 1. 2: Trọng số bức xạ WR đối với một số loại bức xạ
Loại bức xạ
Tia X, gamma, beta
Neutron

Năng lượng
Bất kỳ
Nhiệt (0,025eV)
0,01 MeV
0,1 MeV
0,5 MeV
> 0,1 MeV - 2 MeV
> 2 MeV – 20 MeV

17

WR
1

5
10
10
20
20
5


Proton
Hạt alpha, mảnh vỡ phân
hạch, hạt nhân nặng

Năng lượng cao

5
20

1.4.4. Liều hiệu dụng(4)
Khi định nghĩa liều tương đương chúng ta đã coi tất cả các mô sinh học
hay cơ quan trong cơ thể có cùng một độ nhạy cảm bức xạ. Trên thực tế các
mô và cơ qua có độ nhạy cảm khác nhau, thể hiện bởi đại lượng gọi là trọng
số mô WT (Tisue Weighting Factor) bảng 1.3 là trọng số mô đối với các bộ
phận chính trong cơ thể và khi một bức xạ có năng lượng nào đó với trọng số
bức xạ WR, gọi là bức xạ loại R, chiếu vào mô T thì liều hấp thụ tương đương
đối với mô này là:

∑
HT =

R

WR. DT,R

(1.5)

Trong đó: DT,R là liều hấp thụ do bức xạ R chiếu vào mô (T).
Bảng 1. 3: Trọng số mô đối với các bộ phận chính trong cơ thể
Tên cơ quan

Trọng số mô WT

Thận
Tủy xương
Phổi
Dạ dày
Ruột non
Mặt xương
Thực quản
Bàng quang
Vú
Gan
Tuyến giáp
Còn lại

0,20
0,12
0,12
0,12
0,12
0,01

0,05
0.05
0,05
0,05
0,05
0,05

18


Định nghĩa liều hiệu dụng: khi bức xạ loại R chiếu vào một số mô
trong cơ thể thì liều hiệu dụng (kí hiệu là E), là tổng các tích số liều tương
đương đối với từng loại mô với trọng số mô tương ứng.

∑

E =∑
T

WT.HT =

T

∑
WT (

R

WR.DT,R )

(1.6)

Đơn vị đo liều hiệu dụng trong hệ SI: đơn vị đo liều hiệu dụng trong hệ
SI cũng là Sievert (kí hiệu Sv) như đối với liều tương đương.
1.5. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất(5, 6)
Giống như các hạt trung hoà về điện, các tia gamma không gây ra sự
ion hoá trực tiếp. Việc ghi nhận chúng chỉ khả dĩ nếu chúng tạo thành trong
detector các hạt tích điện thứ cấp. Khi đi qua vật chất, các tia γ bị suy giảm
theo định luật hàm số mũ (hình 1.2).

Hình 1. 2: Sự suy giảm của chùm gamma khi đi qua vật chất
I

=

I e

−µx

0

(1.7)

19


trong đó I0 là cường độ γ trong chùm ban đầu, I là cường độ γ đi qua
lớp vật chất chiều dày x; µ là hệ số suy giảm tuyến tính, đo bằng đơn vị cm -1.
Đối với các photon năng lượng 1 MeV, chiều dày lớp chì suy giảm một nửa
hay chiều dầy lớp chì cần thiết để hãm một nửa các phôtôn bằng 0,95 cm. Đối

với không khí, chiều dày lớp suy giảm một nửa bằng khoảng 83 m, còn đối
với nhôm 3,7 cm.
Như vậy, hệ số suy giảm tuyến tính µ liên hệ với tiết diện tán xạ hoặc
hấp thụ toàn phần σ trên một nguyên tử vật chất bằng biểu thức (1.8) sau:
n = nσ

(1.8)

trong đó n là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm 3, σ được đo bằng
đơn vị cm2 hoặc đơn vị bam.
Sự suy giảm chùm các tia γ khi chúng đi qua vật chất được xác định
bằng tất cả các loại tương tác của chúng với vật chất này. Đó là hiệu ứng
quang điện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp và hiệu ứng tương tác với các
hạt nhân. Hiệu ứng cuối cùng chỉ tương tác với xác suất rất nhỏ, do đó với
mục đích ghi nhận các bức xạ γ, chúng ta chỉ khảo sát ba hiệu ứng đầu.
Đối với hệ số suy giảm toàn phần, có thể viết biểu thức (1.9) sau:
µ= τ + σk + π

(1.9)

trong đó τ là hộ số hấp thụ quang diện; σk là hộ số tán xạ Compton; π là
hệ số hấp thụ do quá trình tạo cặp.
1.5.1. Hiệu ứng quang diện(5, 6)
Hiệu ứng quang điện là hiệu ứng tương tác của lượng tử γ với electron
nguyên tử, trong đó năng lượng hv0 của lượng tử γ bị tiêu hao để thắng sự liên
kết của electron trong nguyên tử và truyền cho nó một động năng, nghĩa là:

20

hv0=Elk+Ek

(1.10)

Trong biểu thức (1.10) trên Elk là năng lượng liên kết của electron trong
nguyên tử; Ek là động năng của quang điện tử. Sơ đổ mô tả hiệu ứng quang
điện được giới thiệu trên hình 1.3. Trong hiệu ứng quang điện, khi một
electron quang điện bị bứt ra ngoài, nó sẽ tạo ra một lỗ trống tại lớp vỏ mà nó
bứt ra. Lỗ trống này sẽ nhanh chóng được lấp đầy bởi những elcctron tự do
trong môi trường vật chất hoặc sự dịch chuyến của các elcctron ở những lớp
ngoài của nguyên tử. Kèm với sự dịch chuyến của electron giữa hai lớp trong
nguyên tử là việc phát ra tia X đặc trưng hay còn gọi là tia X huỳnh quang.
Tia X đặc trung này sẽ bị hấp thụ bởi những nguyên tử khác trong vật chất
thông qua hiệu ứng quang điện ở các lóp vỏ có liên kết yếu với nguyên tử, tuy
nhiên sự góp mặt của nó vẫn có thể ảnh hưởng đến hàm đáp ứng của detector.
Ngoài ra, trong một số trường hợp, tia X đặc trưng được hấp thụ bởi electron
ở những lớp ngoài của chính nguyên tử đó. Kết quá là electron này sẽ bị bật ra
khỏi nguyên tử và được gọi là electron Auger. Hai quá trình phát tia X đặc
trưng và phát electron Auger cạnh tranh lẫn nhau.

Hình 1. 3: Hiệu ứng quang điện

21


Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra trên electron tự do vì để thoả
mãn định luật bảo toàn xung lượng thì ngoài lượng tử γ và electron ra còn cần
thiết phải có mặt một hạt thứ ba. Hạt đó là hạt nhân nguyên tử. Electron liên
kết với hạt nhân càng mạnh thì xác suất hiệu ứng quang điện trên nó càng lớn,
nếu năng lượng của lượng tử γ lớn hơn năng lượng liên kết của electron. Đó

là đặc điểm của hiệu ứng quang điện. Nó giải thích vì sao tiết diện hiệu ứng
quang điện đối với các electron vỏ K luôn luôn lớn hơn so với tiết diện hiệu
ứng này đối với các electron ở những vỏ cao hơn. Nó cũng giải thích vì sao
tiết diện hấp thụ quang điện các tia γ tăng nhanh theo sự tăng nguyên tử số
của chất hấp thụ.
1.5.2. Hiệu ứng Compton(5, 6)
Theo sự tăng năng lượng của các tia gamma thì tiết diện của hiệu ứng
quang điện giảm và quá trình chủ yếu làm suy giảm chùm lượng tử gamma
trở thành quá trình tán xạ Compton. Hiệu ứng Compton là hiệu ứng tán xạ của
lượng tử gamma trên electron tự do. Một phần năng lượng của lượng tử
gamma được truyền cho electron giật lùi. Trong vùng năng lượng, nơi phần
chủ yếu của hệ số suy giảm µ được gây ra bời quá trình này, đó là vùng giữa
0,5 và 5MeV đối với chì và giữa 0,05 và 15MeV đối vói nhôm, năng lượng
của bức xạ tới trở nên lớn hơn so với năng lượng liên kết của electron trong
nguyên tử. Hệ số tán xạ Compton σk tỷ lệ với nguyên tử số Z.

22


Hình 1. 4: Tán xạ Compton
Như vậy có thể mô tả tán xạ của lượng tử γ trên electron năng lượng đủ
lớn như một quá trình va chạm của hai hạt. Sơ đó quá trình tán xạ Compton
được biểu diễn trên hình 1.4. Lượng tử γ tới với năng lượng hv 0 bị tán xạ trên
electron tại điểm A. Lượng tử γ bị tán xạ với năng lượng hv bay ra dưới góc
tán xạ θ so với phương chuyển động ban đầu của lượng tử tới, còn electron
giật lùi thì bay ra dưới góc giật lùi φ và năng lượng T. Từ các định luật bảo
toàn năng lượng và xung lượng suy ra rằng, với hv0 cho trước thì giữa các góc
θ và φ có mối liên hệ đơn trị, còn năng lượng của lượng tử bị tán xạ E’ γ= hv
và năng lượng của electron giạt lùi T thì hoàn toàn được xác định bằng các
đại lượng θ, φ, hv0 đã cho. Ta có những biểu thức chủ yếu sau:

Đối với năng lượng của lượng tử γ bị tán xạ:

E

'

γ

= hv =

hv0
hv0
1+
2
m0 c ( 1 − cos θ )

(1.11)

Đối với động năng T của electron giật lùi:


2hv0 cos 2 ϕ
1
T = Ek = m0 c 2 
− 1÷ = hv0 − hv = m0 c 2
 1− β 2
÷
( hv0 + m0c2 ) − hv0 cos2 ϕ



23

(1.12)


Còn hệ thức giữa các góc φ và θ thì được xác định bằng:
tgϕ =

m0c
hv sin θ
θ
=
cot g
2
hv0 − hv cos θ m0c + hv0
2

(1.13)

Công thức 1.13 chỉ ra rằng đối năng lượng đủ lớn của lượng tử tới thì
năng lượng của lượng tử bị tán xạ giảm dần từ giá trị cực đại bằng hv 0 khi θ =
0 đến giá trị cực tiểu khi θ = 180°:
hvmin =

hv0
2hv0
1+
m0 c 2

(1.14)

Khi hv0 >> m0c2 thì năng lượng của lượng tử γ bị tán xạ dưới góc θ =
180° sẽ rất gần với đại lượng m0c2 = 0,25MeV.
Các electron giạt lùi xuất hiện phân bố theo góc từ 0 đến 90o. Khi lượng
tử γ bị tán xạ trên một góc nhỏ, năng lượng của nó hầu như không thay đổi
còn electron thì bay ra với năng lượng nhỏ dưới góc gần bằng 90°. Nếu lượng
tử γ bị tán xạ một góc 180° thì electron bay ra theo hướng về phía trước với
động năng cực đại Tmax= Emax:
hv
mc
E = hv − hv = hv
1 + 2 hv
mc
2

0

2

0

max

0

min

0

0

0

2

(1.15)

1.5.3. Hiệu ứng tạo cặp(5, 6)
Quá trình tạo cặp là quá trình, trong đó lượng tử γ năng lượng đủ lớn
tương tác với vật chất làm xuất hiện một cặp electron - pôzitrôn với năng
lượng T- và T* tương ứng (hình 1.5). Nãng lượng toàn phần của cặp bằng
năng lượng hv0 của lượng tử γ tới, còn động năng Ek của nó thì bằng:

24


Ek = hv0 – 2m0c2

(1.16)

Năng lượng cực tiểu của lượng tử γ cần thiết để thực hiện quá trình tạo
cặp bằng 1,022 MeV.

Hình 1. 5: Hiệu ứng tạo cặp
Để thoả mãn các định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng thì quá
trình tạo cặp phải diễn ra trong sự có mặt của một hạt thứ ba là hạt nhân hay
điện tử. Trong trường hợp này, xung lượng của lượng tử γ được phân bố giữa
các hạt của cặp và hạt thứ ba. Tiết diện tạo cặp trong trường Coulomb tỷ lệ
với bình phương nguyên tử số Z2 của vật chất và tăng lên theo sự tăng năng

lượng của các tia γ.
Hình 1.6 thì giới thiệu vùng năng lượng mà một trong ba hiệu ứng
quang điện, Compton hay tạo cặp đóng vai trò quan trọng, phụ thuộc vào điện
tích z của chất hấp thụ...

25