Nghiên cứu đo hoạt độ các đồng vị phóng xạ trong một số loại lương thực ở vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh bằng hệ thống phổ kế gamma phân giải cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ MINH

NGHIÊN CỨU ĐO HOẠT ĐỘ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
TRONG MỘT SỐ LOẠI LƯƠNG THỰC Ở VÙNG VEN BIỂN
TỈNH QUẢNG NINH BẰNG HỆ THỐNG PHỔ KẾ GAMMA
PHÂN GIẢI CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ MINH

NGHIÊN CỨU ĐO HOẠT ĐỘ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
TRONG MỘT SỐ LOẠI LƯƠNG THỰC Ở VÙNG VEN BIỂN
TỈNH QUẢNG NINH BẰNG HỆ THỐNG PHỔ KẾ GAMMA
PHÂN GIẢI CAO

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LƯU TAM BÁT

Hà Nội – Năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nhất là thời gian làm luận văn tốt nghiệp tôi đã
nhận được nhiều sự quan tâm, động viên và giúp đỡ. Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn
tới Ts. Lưu Tam Bát, người hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn
này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô trong Hội đồng chấm luận văn đã
góp ý cho tôi để luận văn này hoàn thiện hơn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân,
Khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã
trang bị những kiến thức bổ ích và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt
thời gian học tập tại đây.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp xung
quanh tôi đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt khóa học cũng như trong cuộc sống.

Học viên
Nguyễn Thị Minh


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ
TRONG LƯƠNG THỰC .........................................................................................4
1.1. Phóng xạ trong lương thực thực phẩm ..........................................................4
1.2. Cơ sở vật lý ....................................................................................................6

1.2.1. Phân rã gamma ....................................................................................6
1.2.2. Quy luật phân rã phóng xạ ..................................................................7
1.2.3. Chuỗi phân rã phóng xạ ......................................................................9
1.2.4. Sự cân bằng phóng xạ của các chuỗi phân rã ...................................10
1.2.5. Tương tác của tia gamma với vật chất...............................................12
1.2.5.1. Hiệu ứng quang điện ................................................................12
1.2.5.2. Tán xạ Compton .......................................................................13
1.2.4.3. Hiệu ứng tạo cặp .......................................................................16
1.2.6. Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma .............17
1.2.6.1. Phương pháp phổ gamma .........................................................17
1.2.6.2. Các chuỗi phân rã phóng xạ trong tự nhiên..............................22
CHƯƠNG 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .............28
2.1. Hệ phổ kế gamma bán dẫn SEGe – Canberra .............................................28
2.1.1. Sơ đồ khối ...........................................................................................28
2.1.2. Detector ..............................................................................................29
2.1.3. Các thông số của hệ phổ kế gamma SEGe ........................................31
2.1.4. Phần mềm Genie 2000 .......................................................................32
2.1.5 Quy trình vận hành .............................................................................33
2.2. Chuẩn năng lượng........................................................................................34
2.3. Khảo sát độ phân giải năng lượng vào năng lượng bức xạ gamma ............35
2.4. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi ............................................................36


2.5. Lấy mẫu, xử lý mẫu và chuẩn bị mẫu đo ....................................................38
2.6. Phương pháp tính hoạt độ ............................................................................39
2.7. Phương pháp tính MDA ..............................................................................40
CHƯƠNG III – KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .....................................................42
3.1. Chuẩn năng lượng........................................................................................42
3.2. Xác định một số thông số của hệ phổ kế gamma ........................................44
3.2.1. Sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng lượng của bức

xạ gamma............................................................................................................44
3.2.2. Khảo sát phông của hệ đo ..................................................................46
3.3. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu lương thực...........................48
3.4. Xác định hoạt độ riêng của các mẫu ............................................................50
KẾT LUẬN ..............................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................58


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các đỉnh gamma có cường độ mạnh nhất do các đồng vị phóng xạ tự
nhiên phát ra ..............................................................................................................19
Bảng 2.1: Thông tin của các mẫu sử dụng để phân tích trên hệ phổ kế gamma .......38
Bảng 3.2: Độ phân giải năng lượng của detector SEGe – Canberra .........................44
Bảng 3.3: Số đếm tại các đỉnh năng lượng trong phổ phông của hệ phổ kế gamma
SEGe đo trong thời gian 150000 giây .......................................................................47
Bảng 3.4: Kết quả thực nghiệm xác định hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng toàn phần
của bức xạ gamma đặc trưng trong mẫu chuẩn.........................................................49
Bảng 3.5: Kết quả thực nghiệm xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ trong
mẫu gạo 1 ở Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g .....52
Bảng 3.6: Kết quả thực nghiệm xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ trong
mẫu ngô 1 ở Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g .....52
Bảng 3.7: Kết quả thực nghiệm xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ trong
mẫu khoai 1 ở Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g ..53
Bảng 3.8: Hoạt độ riêng của một số đồng vị trong các mẫu gạo đo trên hệ phổ kế
gamma bán dẫn siêu tinh khiết ..................................................................................53
Bảng 3.9: Hoạt độ riêng của một số đồng vị trong các mẫu ngô đo trên hệ phổ kế
gamma bán dẫn siêu tinh khiết ..................................................................................54
Bảng 3.10: Hoạt độ riêng của một số đồng vị trong các mẫu khoai đo trên hệ phổ kế
gamma bán dẫn siêu tinh khiết ..................................................................................54
Bảng 3.11: Hoạt độ riêng trung binh của một số đồng vị trong các mẫu gạo, ngô,

khoai ..........................................................................................................................55


MỞ ĐẦU
Lương thực là những sản phẩm thiết yếu đối với con người, trước hết giúp
nuôi sống con người và sử dụng để phát triển chăn nuôi tạo nên các loại thực phẩm
quan trọng khác. Như chúng ta đã biết trong môi trường luôn tồn tại các chất phóng
xạ có nguồn gốc tự nhiên cùng với các nhân phóng xạ nhân tạo còn sót lại từ các
hoạt động thử vũ khí hạt nhận, sự cố nhà máy điện hạt nhân trong lịch sử. Cũng như
mọi sinh vật khác, lương thực bị nhiễm phóng xạ có trong môi trường, kết quả là
con người bị nhiễm xạ khi tiêu thụ các loại thức ăn này. Liều hiệu dụng đối với con
người được xác định thông qua hoạt độ các đồng vị phóng xạ trong lương thực.
Chính vì vậy, trên thế giới và ở nước ta luôn coi trọng việc xác định nồng độ các
nhân phóng xạ trong lương thực, thực phẩm. Nhất là ở những vùng gần với các nhà
máy điện hạt nhân, thường phải xây dựng cơ sở dữ liệu về phóng xạ trong lương
thực thực phẩm phục vụ cho việc khảo sát, đánh giá và giám sát ảnh hưởng của nhà
máy điện hạt nhân khi đi vào hoạt động.
Quảng Ninh là tỉnh giáp với nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành của Trung
Quốc (cách khoảng 60km), sẽ hoàn thành và đưa vào sử dụng tổ máy đầu tiên vào
năm 2015, tổ máy thứ hai vào năm 2016. Khi hoàn thành, nhà máy sẽ có 6 tổ máy
với công suất 1.080 MW điện. Đây là một tỉnh ở địa đầu phía đông bắc Việt Nam,
có biên giới quốc gia và hải phận giáp giới nước Cộng hoà Nhân dân Trung Hoa.
Trên đất liền, phía bắc của tỉnh (có các huyện Bình Liêu, Hải Hà và thị xã Móng
Cái) giáp huyện Phòng Thành và thị trấn Đông Hưng, tỉnh Quảng Tây với 132,8 km
đường biên giới; phía đông là vịnh Bắc Bộ; phía tây giáp các tỉnh Lạng Sơn, Bắc
Giang, Hải Dương; phía nam giáp Hải Phòng; bờ biển dài 250 km.
Dựa vào các dữ liệu khí tượng có thể thấy rằng: Trong trường hợp nhà máy
điện hạt nhân Phòng Thành của Trung Quốc xảy ra sự cố thì vùng biên giới và
duyên hải Đông Bắc bị nặng nhất, trong đó có tỉnh Quảng Ninh. Hình 1.1 trình bày
tần suất hướng gió thổi đến Việt Nam. Hơn nữa, mỗi năm nước ta có từ 15-17 đợt

gió mùa Đông Bắc, và cũng gần số lượng đó các đợt gió mùa Đông Bắc bổ sung,

1


tốc độ gió có thể trên 15m/s, sự vận chuyển các chất ô nhiễm sẽ nhanh. Theo những
phân tích ở trên, khu vực nghiên cứu tập trung là tỉnh Quảng Ninh, vùng ven biển
Hải Phòng và hai huyện ven biển Thái Bình, tất nhiên cả vùng núi Đông Bắc và
Châu thổ Sông Hồng chịu ảnh hưởng ở những mức độ khác nhau khi có tai nạn hạt
nhân

Hình 1.1: Tần suất, hướng gió thổi đến Việt Nam từ nhà máy điện hạt nhân
Vì vậy việc tiến hành đề tài “Nghiên cứu đo hoạt độ các đồng vị phóng xạ
trong một số loại lương thực ở vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh bằng hệ thống phổ
kế gamma phân giải cao” nhằm khảo sát hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị
phóng xạ tự nhiên và đồng vị phóng xạ nhân tạo trong một số loại lương thực ở
vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh là rất cần thiết.
Có nhiều kỹ thuật để khảo sát hàm lượng các nhân phóng xạ trong môi
trường. Một trong những kỹ thuật được biết đến là kỹ thuật đo phổ tia gamma.
Trong môi trường có nhiều nguồn phóng xạ tạo ra tia gamma với năng lượng và

2


hiệu suất phát khác nhau, các tia gamma này được thu thập ở dạng phổ và phân tích
trên hệ phổ kế gamma. Trong khuôn khổ của luận văn tác giả đưa ra phương pháp
thực nghiệm xác định hoạt độ trên một hệ phổ kế đại diện, và đó cũng là quy trình
phân tích cơ bản trên các hệ phổ kế gamma khác. Luận văn sử dụng detector
Gecmani siêu tinh khiết SEGe-Canberra của Trung tâm Kiểm định Phóng xạ - Viện
Y học phóng xạ và U bướu quân đội để phân tích xác định hàm lượng của một số

đồng vị phóng xạ phân rã gamma trong một số mẫu lượng thực ở tỉnh Quảng Ninh.
- Về mặt lý thuyết, luận văn tìm hiểu cơ sở vật lý của kỹ thuật xác định hoạt
độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ bằng phương pháp phổ gamma.
- Về mặt thực nghiệm: Xác định một số đặc trưng của hệ phổ kế Gecmani
siêu tinh khiết SEGe; Chuẩn năng lượng; Xây dựng đường cong hiệu suất ghi với
cấu hình đo hình trụ phục vụ cho việc phân tích mẫu lương thực; Tiến hành phân
tích xác định hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị trong mẫu lương thực.
Luận văn gồm có 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về xác định hoạt độ phóng xạ trong lương thực thực
phẩm
Chương 2. Đối tượng và phương pháp thực nghiệm
Chương 3. Kết quả thực nghiệm

3


CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ
TRONG LƯƠNG THỰC
1.1. Phóng xạ trong lương thực, thực phẩm
Đồng vị phóng xạ xuất hiện tự nhiên trong môi trường, bao gồm các cơ
quan của cơ thể, lương thực thực phẩm và nước uống của con người. Chúng ta tiếp
xúc với nguồn bức xạ này hàng ngày. Bức xạ đến từ không gian (các tia vũ trụ)
cũng như các nhân phóng xạ tự nhiên có trong đất, nước, và không khí. Hoạt độ
riêng của các chất phóng xạ tự nhiên trong lương thực thực phẩm và nước thay đổi
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện thổ nhưỡng, phân bón đối với cây trồng
(địa chất), thức ăn đối với các loài nuôi thả; điều kiện khí hậu và tình hình sản xuất
nông nghiệp của khu vực. Ngoài ra, con người cũng có thể tiếp xúc với bức xạ từ
những hoạt động tạo ra chất phóng xạ của chính mình như: Tập trung nhân phóng
xạ tự nhiên, vận hành các thiết bị, các vụ vận hành hạt nhân dân sự và quân sự. Chất
phóng xạ có thể gây ô nhiễm lương thực thực phẩm sau khi được thải ra môi trường.

Cho dù có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo thì chất phóng xạ cũng đi qua
chuỗi thức ăn theo cách giống như vật chất không phóng xạ. Mức độ nguy hại tới
sức khỏe con người phụ thuộc vào loại nhân phóng xạ và khoảng thời gian con
người tiếp xúc với nó. Lượng bức xạ con người tiếp xúc thay đổi từ nơi này đến nơi
khác và giữa các cá nhân.
Các mức phông phóng xạ trong thức ăn khác nhau và phụ thuộc vào nhiều
yếu tố, bao gồm loại thức ăn và vùng địa lý sản xuất ra loại thức ăn đó. Các nhân
phóng xạ thường có trong thức ăn là: K40, Ra226, U238 và các đồng vị con cháu liên
quan. Nhìn chung, K40 thường là đồng vị phóng xạ tự nhiên. Các đồng vị phóng xạ
khác tồn tại ở nồng độ rất thấp, có nguồn gốc từ chuỗi phân rã của uran và thori.
Khi xảy ra sự cố hạt nhân, một lượng lớn chất phóng xạ được phát thải vào môi
trường, các loại rau và lương thực bị nhiễm xạ chủ yếu do tiếp xúc trực tiếp với
không khí nhiễm phóng xạ hoặc hấp thụ các nhân phóng xạ từ đất thông qua hệ
thống rễ. Trong đó chỉ một lượng nhỏ nhân phóng xạ được vận chuyển lên cây bởi

4


KẾT LUẬN
Luận văn này được thực hiện với mục đích khảo sát nồng độ của một số
đồng vị phóng xạ trong ba loại lượng thực: gạo, ngô, khoai. Luận văn đã tìm hiểu
phương pháp và kỹ thuật xác định hoạt độ phóng xạ của các đồng vị tự nhiên và
nhân tạo trong các mẫu thực vật theo phương pháp phổ gamma.
Về mặt lý thuyết
Luận văn trình bày cơ sở vật lý, cơ sở của phương pháp phổ gamma. Luận
văn cũng tìm hiểu khái quát cấu tạo của hệ phổ kế gamma bán dẫn và nguyên lý
hoạt động của detector bán dẫn siêu tinh khiết.
Về mặt thực nghiệm
Luận văn tiến hành chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế sử dụng các nguồn
phóng xạ chuẩn 60Co, 57Co, 137Cs, 131I.

Khảo sát sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng lượng tia
gamma và khảo sát phông của hệ phổ kế SEGe.
Tiến hành đo mẫu chuẩn IAEA RGU-1+IAEA 156. Từ số liệu thu được xây
dựng đường cong hiệu suất ghi phục vụ cho việc phân tích mẫu thực vật.
Xử lý mẫu và tiến hành đo mẫu. Dựa vào đường chuẩn hiệu suất ghi và phổ
gamma đo mẫu tiến hành phân tích hoạt độ phóng xạ của trong từng mẫu. Kết quả
cho thấy

40

K được phát hiện nhiều nhất trong các đồng vị phóng xạ; các đồng vị

trong chuỗi phân rã uran, thori có hoạt độ rất thấp và khác nhau đối với từng loại
lương thực. 137Cs được phát hiện trong tất cả các mẫu đo nhưng với hoạt độ rất nhỏ
so với mức chỉ dẫn của thế giới.
Như vậy, luận văn đã khảo sát nồng độ một số đồng vị phóng xạ phát
gamma trong 4 mẫu gạo, 5 mẫu ngô, 5 mẫu khoai trên địa bàn của tỉnh Quảng Ninh
tại thời điểm lấy mẫu. Tuy nhiên, ba loại lương thực trên chỉ là một trong những
thành phần chủ đạo của chế độ ăn uống và là trọng tâm trong việc khảo sát các
nguồn phát gamma. Để thu được dữ liệu thiết thực hơn, cần khảo sát nhiều mẫu hơn
nữa nhằm nâng cao độ chính xác và xác định nồng độ của các đồng vị phóng xạ
trong nhiều loại thực phẩm khác như rau, thịt, các loại thủy hải sản khác.

57


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ
thuật.

2. Lương Thị Thơm (2014), Xác định hoạt độ riêng của các nguyên tố phóng
xạ trong mẫu đất đá và thực vật bằng phương pháp phổ gamma, Khóa luận
tốt nghiệp đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia
Hà Nội.
Tiếng Anh
3. Bui Van Loat, Le Tuan Anh, Dong Van Thanh, Nguyen The Nghia, Pham
Duc Khue (2012), “Measurement of some characteristics of the BEGe
detector”, VNU Journal of Science, Mathematics - Physics 28, 19-25.
4. Canberra industries Inc (2003), Germanium Detectors User’s Manual, New
York.
5. Canberra industries Inc (2013), Genie™ 2000 Spectroscopy Software, New
York.
6. Codex Committee on Food Additives and Contaminants (2011), “Codex
Guideline Levels for Radionuclides in Foods Contaminated Following a
Nuclear or Radiological Emergenc”, General General Standarts for
Contaminants and Toxins in Food and Feeds.
7. Glenn F. Knoll (2010), Radiation Detection and Measurement, John Wiley
& Sons, New York.
8. International Atomic Energy Agency (1989), Measurement of radionuclides
in food and the environment, TRS 295, Vienna.
9. International Food Safety Authorities Network (INFOSAN) (2011),
Information on nuclear accidents and radioactive contamination of foods.
10. Winchester

Engineering

and

Analytical

Center

(2010),

FDA-

WEAC.RN.Method.3.0 (Ver 7.1), “Determination of Gamma-Ray Emitting

58


Radionuclides in Foods by High-Purity Germanium Spectrometry”,
LABORATORY PROCEDURE, FDA Office of Regulatory Affairs, pp.2-25.
11. />
59