Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KĨ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
------------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

PHÁT TRIỂN BỘ GIAO TIẾP ĐIỆN TỬ CHO HỆ ĐO
QUAN TRẮC PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG ONLINE

SVTH: Vương Đức Phụng
CBHD: TS. Võ Hồng Hải
CBPB: ThS. Trần Nguyễn Thùy Ngân

TP. HỒ CHÍ MINH – 2015


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận “Phát triển bộ giao tiếp điện
tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trƣờng online”, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự
quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện của quý thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:
Tiến sĩ Võ Hồng Hải đã tận tình hƣớng dẫn, quan tâm, động viên, cung cấp,
truyền đạt những kiến thức mới và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành
khóa luận này.
Thạc sĩ Nguyễn Quốc Hùng và chị Trần Kim Tuyết đã giúp đỡ, tận tình góp
ý trong suốt thời gian em thực hiện khóa luận.
Thạc sĩ Trần Nguyễn Thùy Ngân đã dành thời gian đọc và đóng góp những ý
kiến quý báu cho em trong khóa luận này.

Quý thầy, cô trong Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, Khoa Vật Lý-Vật Lý Kỹ
Thuật, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Thành phố Hồ Chí Minh, đã giảng dạy
cho chúng em những kiến thức nền tảng và chuyên môn trong quá trình học tập.
Tập thể lớp 11VLHN và các bạn trong nhóm điện tử hạt nhân đã hỗ trợ trong
quá trình làm khóa luận.
Lời cuối cùng, con xin khắc sâu công ơn ba mẹ, gia đình đã nuôi dƣỡng, dạy
dỗ và hỗ trợ để đạt đƣợc kết quả nhƣ ngày hôm nay.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2015.

Vƣơng Đức Phụng


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC .................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ...................................................................... v
LỜI MỞ ĐẦU…. ........................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG VÀ
ĐỊNH NGHĨA VỀ LIỀU LƢỢNG ................................................... 3
1.1. Phóng xạ tự nhiên................................................................................................. 3
1.1.1. Phóng xạ từ bức xạ vũ trụ ...........................................................................3
1.1.2. Phóng xạ tự nhiên trong đất ........................................................................4
1.1.3. Phóng xạ tự nhiên trong nƣớc ....................................................................6
1.1.4. Phóng xạ tự nhiên trong không khí ............................................................7
1.1.5. Phóng xạ tự nhiên trong cơ thể con ngƣời .................................................7
1.1.6. Phóng xạ tự nhiên trong thực phẩm............................................................8
1.2. Phóng xạ nhân tạo ................................................................................................ 8

1.3. Liều lƣợng và đơn vị đo liều ................................................................................ 9
1.3.1. Liều hấp thụ ................................................................................................9
1.3.2. Liều chiếu .................................................................................................10
1.3.3. Liều tƣơng đƣơng .....................................................................................11
1.3.4. Liều hiệu dụng ..........................................................................................12
1.4. Giới hạn liều ....................................................................................................... 13
1.5. Những nguy hiểm về phóng xạ .......................................................................... 14
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ ĐO QUAN TRẮC PHÓNG XẠ
MÔI TRƢỜNG ONLINE ............................................................... 16
2.1. Hệ đo quan trắc phóng xạ môi trƣờng online .................................................... 16
2.2. Đầu dò đo liều Inspector+ ................................................................................... 17
2.2.1. Độ rộng xung, phạm vi hoạt động và độ chính xác của Inspector+ ..........17

i


2.2.2. Mối liên hệ giữa tốc độ đếm và suất liều..................................................18
2.3. Xây dựng bộ giao tiếp điện tử NI myRIO.......................................................... 19
2.3.1. Sơ đồ khối giao tiếp điện tử ......................................................................19
2.3.2. Phần cứng thiết bị điện tử NI myRIO.......................................................21
2.3.3. Xây dựng chƣơng trình nhúng LabVIEW ................................................22
2.3.3.1. Khối điều khiển .............................................................................23
2.3.3.2. Khối trigger & mã hóa ..................................................................24
2.3.3.3. Khối tính toán suất liều .................................................................25
2.3.3.4. Khối bộ nhớ ..................................................................................27
2.3.3.5. Khối wifi .......................................................................................27
2.3.4. Giao diện giao tiếp LabVIEW với máy tính.............................................28
2.3.5. Giao diện hiển thị của điện thoại thông minh .......................................... 29
2.3.6. Giao diện hiển thị của máy tính bảng .......................................................30
2.3.7. Giao diện tự động cập nhật dữ liệu lên website ....................................... 31

CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HỆ ĐO VÀ KHẢO SÁT ĐO PHÓNG XẠ
MÔI TRƢỜNG ................................................................................. 32
3.1. Đánh giá ghi nhận của hệ đo .............................................................................. 32
3.1.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm .............................................................................32
3.1.2. Đánh giá tốc độ ghi nhận của hệ ..............................................................32
3.2. Khảo sát phông phóng xạ môi trƣờng ................................................................ 35
3.2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm .............................................................................35
3.2.2. Kết quả khảo sát .......................................................................................36
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 39
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 40

ii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
FPGA

Tiếng Anh
Field Programmable Gate
Array
Processor

Chip

Tiếng Việt
Vi mạch tích hợp lập trình
Bộ xử lí
Vi mạch

CPM

Count Per Minute

Số đếm trên phút

CPS

Count Per Second

Số đếm trên giây

DIO

Digital Input/OutPut
International Commission for
Radiological Protection
Laboratory Virtual
Instrumentation Engineering
Workbench
Light Emitting Diode

Đầu Vào/Ra chân kỹ thuật số
Ủy ban Quốc tế về An toàn
bức xạ

Transistor- transistor logic
NI myRIO-1900 Expansion
Port

Mạch logic gồm 2 transistor
Cổng giao tiếp mở rộng của
thiết bị NI myRIO
Cổng hệ thống giao tiếp nhỏ
của thiết bị NI myRIO
Số đếm

ICRP
LabVIEW
LED
TTL
MXP
MSP

Mini System Port

Count

Lập trình đồ họa cho các thiết
bị
Điốt phát quang

Min

Minimum

Giá trị nhỏ nhất

Max

Maximum

Giá trị lớn nhất

Mean

Giá trị trung bình

Dose

Suất liều

T

True

Đúng

F

False

Sai

PTN

Phòng thí nghiệm

BM

Bộ môn

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Những hạt nhân phóng xạ phổ biến do bức xạ vũ trụ tạo ra.......................3
Bảng 1.2. Một số hạt nhân phóng xạ có trong đất đá trong một dặm vuông ở
độ sâu 1 ft (1 ft = 0,3048 m) ...................................................................... 6
Bảng 1.3. Hoạt độ nhân phóng xạ tự nhiên trong nƣớc biển các đại dƣơng
(năm 1971) ................................................................................................. 6
Bảng 1.4. Một số hạt nhân phóng xạ tự nhiên chủ yếu có trong cơ thể ngƣời ..................7
Bảng 1.5. Hoạt độ phóng xạ của 40K và 226Ra trong một số loại thức ăn ...................8
Bảng 1.6. Trọng số phóng xạ Wr của một vài loại bức xạ (ICRP-1990) ..................11
Bảng 1.7. Trọng số mô đặc trƣng WT cho các mô trong cơ thể (1990) ....................13
Bảng 2.1. Số liệu tốc độ đếm và suất liều. ……………………………………….….18
Bảng 3.1. Kiểm tra tần số phát và tần số nhận (độ rộng xung 100 µs)………….…33
Bảng 3.2. Kiểm tra tần số phát và tần số nhận (độ rộng xung 80 ns) .......................34

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ phân rã chuỗi Thori ...........................................................................4
Hình 1.2. Sơ đồ phân rã chuỗi Urani-Actini ..............................................................5
Hình 1.3. Sơ đồ phân rã chuỗi Urani-Radi..................................................................5
Hình 1.4. Thang đo suất liều hấp thụ trên cơ thể ngƣời ............................................15
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ đo phóng xạ môi trƣờng online. ......................................... 16
Hình 2.2. Độ rộng xung của đầu dò đo liều Inspector+ .............................................17

Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn suất liều theo tốc độ đếm................................................19
Hình 2.4. Sơ đồ chi tiết hệ đo phóng xạ môi trƣờng online ......................................19
Hình 2.5. Sơ đồ thuật toán của chƣơng trình nhúng cho chip Xilinx Zynq-7010 ....20
Hình 2.6. Sơ đồ phần cứng thiết bị điện tử NI myRIO .............................................21
Hình 2.7.(a và b). Chƣơng trình nhúng LabVIEW cho chip Xilinx Zynq-7010 ......22
Hình 2.8. Hàm cài đặt thời gian (1a). ........................................................................23
Hình 2.9. Hàm cập nhật thời gian lấy mẫu (1b) ........................................................24
Hình 2.10. Sơ đồ xử lý tín hiệu thành số đếm của khối trigger & mã hóa ...............25
Hình 2.11. Sơ đồ khối tính toán suất liều ..................................................................25
Hình 2.12. Sơ đồ hàm tính giá trị lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình của suất liều ....26
Hình 2.13. Sơ đồ hàm cảnh báo suất liều ..................................................................27
Hình 2.14. Sơ đồ liên hệ giữa hệ đo và các thiết bị khác ..........................................28
Hình 2.15. Giao diện hệ đo quan trắc phóng xạ môi trƣờng online ..........................28
Hình 2.16. Giao diện hiển thị của điện thoại thông minh .........................................30
Hình 2.17. Giao diện hiển thị của máy tính bảng .....................................................30
Hình 2.18. Giao diện hiện thị suất liều trên website .................................................31
Hình 3.1. Sơ đồ hệ đánh giá hệ đo sử dụng máy phát xung...................................... 32
Hình 3.2. Đồ thị mối liên hệ giữa tần số phát và tần số đo (độ rộng xung 100 µs) ..33
Hình 3.3. Đồ thị mối liên hệ giữa tần số phát và tần số đo (độ rộng xung 80 ns) ....34
Hình 3.4. (a). Sơ đồ bố trí hệ đo và (b). Hình thực tế ...............................................35
Hình 3.5. Đồ thị phóng xạ tại PTN. Điện tử hạt nhân ..............................................36
Hình 3.6. Đồ thị phóng xạ tại PTN. Chuyên đề 2 .....................................................37

v


LỜI MỞ ĐẦU
Trái đất hình thành từ rất lâu, song song với sự hình thành đó có sự tồn tại
của những đồng vị phóng xạ với trên 60 nhân phóng xạ đƣợc tìm thấy trong tự
nhiên từ đất, đá, nƣớc, cây cỏ và không khí, cùng với bức xạ vũ trụ. Ngoài ra còn có

một lƣợng không nhỏ các phóng xạ do con ngƣời tạo ra gọi là phóng xạ nhân tạo.
Ngày nay, thế giới chúng ta càng phát triển, khoa học kỹ thuật ngày càng đƣợc ứng
dụng rộng rãi và mang tính toàn cầu. Đặc biệt là kỹ thuật phóng xạ đƣợc ứng dụng
rộng rãi hơn trong nhiều lĩnh vực nhƣ y tế, ngành công nghiệp, điện hạt nhân, vũ
khí hạt nhân, hàng không… để phục vụ đời sống, nhu cầu thiết yếu của con ngƣời.
Phóng xạ hạt nhân đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực dẫn đến rất
nguy hiểm, ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời nếu tiếp xúc mà không đảm bảo về
các điều kiện an toàn. Phông phóng xạ môi trƣờng từ đó cũng có thể tăng lên do yếu
tố khách quan cũng nhƣ chủ quan từ con ngƣời. Theo khuyến cáo của Ủy ban An
toàn Bức xạ Quốc tế ICRP tính trung bình trong khoảng thời gian 5 năm liên tục,
giới hạn liều cho nhân viên phóng xạ là 20 mSv/năm (tƣơng đƣơng 2,28 µSv/h), và
ở ngƣời dân là 1 mSv/năm (tƣơng đƣơng 0,114 µSv/h); trong đó, tính bất kỳ một
năm, giới hạn liều cho nhân viên phóng xạ là 50 mSv/năm (tƣơng đƣơng 5,7 µSv/h)
và cho ngƣời dân là 5 mSv/năm (tƣơng đƣơng 0,57 µSv/h) [9]. Vì vậy, việc nghiên
cứu, đánh giá, kiểm soát phóng xạ môi trƣờng nơi ngƣời dân sinh sống đặc biệt
những nơi làm việc có liên quan đến phóng xạ hạt nhân là hết sức cần thiết.
Vì vậy trong đề tài này, chúng tôi xây dựng một hệ đo quan trắc phóng xạ
môi trƣờng online. Hệ đo cho phép ghi nhận liều lƣợng phóng xạ theo thời gian,
biểu diễn đồ thị suất liều và cũng nhƣ lƣu dữ liệu vào máy tính. Hơn nữa, chúng tôi
muốn xây dựng một website có thể tự động cập nhật dữ liệu đo liên tục (thông qua
internet) nhằm tạo sự thuận tiện cho những ngƣời quan tâm, theo dõi kết quả về suất
liều bức xạ. Hệ đo này bao gồm đầu dò đo liều Inspector+ [7], bộ giao tiếp điện tử
NI myRIO (thiết bị NI myRIO) [12] và máy tính giao tiếp chƣơng trình LabVIEW.
Bức xạ đƣợc ghi nhận bởi đầu do đo liều Inspector+, xung tín hiệu ra đƣợc đƣa vào
thiết bị NI myRIO. Để nhận tín hiệu xung này, chúng tôi xây dựng chƣơng trình
1


nhúng LabVIEW FPGA và LabVIEW Real-Time vào thiết bị NI myRIO cho phép
ghi nhận thông tin số đếm theo thời gian, điều khiển, tính toán suất liều và truyền

các dữ liệu đến máy tính thông qua wifi. Trên máy tính sử dụng chƣơng trình giao
tiếp LabVIEW có chức năng điều khiển thiết bị NI myRIO, vẽ đồ thị tốc độ đếm và
đồ thị suất liều theo thời gian, tự động cập nhật dữ liệu về suất liều liên tục lên
website, cũng nhƣ lƣu file thành dạng ASCII (file.csv). Bên cạnh đó, chúng tôi xây
dựng biến chia sẻ cho các thiết bị ngoại vi nhƣ điện thoại thông minh, máy tính
bảng, v.v…, kết nối vào thiết bị NI myRIO để xem số liệu của hệ đo. Ứng dụng này
của hãng National Instruments viết cho hệ điều hành android, windows phone,
v.v…
Để đánh giá độ đáp ứng của hệ đo chúng tôi sử dụng máy phát xung với các
tần số phát thay đổi từ Hz đến MHz. Với hệ đo này, chúng tôi thực hiện khảo sát
phông phóng xạ tại hai phòng thí nghiệm (PTN): (1) PTN. Điện tử hạt nhân, (2)
PTN. Chuyên đề 2 thuộc Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, Khoa Vật Lý- Vật Lý Kỹ
Thuật, Trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Thành phố Hồ Chí Minh.
Nội dung khóa luận “Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo phóng xạ môi
trƣờng online” đƣợc trình bày theo 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về phóng xạ môi trƣờng và định nghĩa về liều lƣợng.
Chƣơng 2: Xây dựng hệ đo quan trắc phóng xạ môi trƣờng online.
Chƣơng 3: Đánh giá hệ đo và khảo sát đo phóng xạ môi trƣờng.

2


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG
VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ LIỀU LƢỢNG
1.1. Phóng xạ tự nhiên
Sự hình thành của Trái Đất song song cùng với sự tồn tại của các đồng vị
phóng xạ trong môi trƣờng tự nhiên, các đồng vị phóng xạ tự nhiên có trong các
bức xạ vũ trụ, đất, nƣớc, không khí, cơ thể con ngƣời cũng nhƣ trong thực phẩm
hằng ngày. Chúng tự phân rã và phát ra các tia α, β hoặc γ, các đồng vị phóng xạ tự

nhiên thƣờng có chu kì bán rã lớn.
1.1.1. Phóng xạ từ bức xạ vũ trụ
Bức xạ vũ trụ (hay còn gọi là các tia vũ trụ) là bức xạ có nguồn gốc từ ngoài
trái đất và chủ yếu đƣợc phát ra từ một số rất lớn các ngôi sao có trong vũ trụ. Có
hai loại tia vũ trụ: tia sơ cấp và tia thứ cấp.
Tia sơ cấp: là những tia vũ trụ chƣa tƣơng tác với vật chất trong bầu khí
quyển, vỏ trái đất và thủy quyển. Chúng bao gồm các photon (≈85%), các hạt alpha
(≈14%) và với một số ít hơn (<1%) các hạt nặng [4].
Tia thứ cấp: là những tia đƣợc tạo ra bởi sự tƣơng tác của các tia vũ trụ sơ
cấp trong khí quyển, bao gồm phần lớn các hạt nhƣ pion, muon và electron.
Ba hạt nhân phổ biến nhất tồn tại do tƣơng tác của bức xạ vũ trụ tạo ra là 3H,
7

Be, 14C, chúng có thời gian sống tƣơng đối dài đƣợc trình bày ở bảng 1.1.
Bảng 1.1. Những hạt nhân phóng xạ phổ biến do bức xạ vũ trụ tạo ra [13]
Hạt nhân

Chu kì bán rã

Tritium
(3H)

12,3 năm

Beryllium-7
(7Be)

53,28 ngày

Carbon-14

(14C)

5730 năm

Nguồn
Tƣơng tác bức xạ vũ trụ giữa
N và O, va chạm từ bức xạ
vũ trụ, 6Li(n,α)3H
Tƣơng tác bức xạ hạt nhân
giữa N và O
Tƣơng tác bức xạ vũ trụ,
14
N(n,p)14C

3

Hoạt độ
0,032 pCi/kg
(1,2x10-3Bq/kg)
0,27 pCi/kg
(0,01 Bq/kg)
6 pCi/g
(0,22 Bq/g)


1.1.2. Phóng xạ tự nhiên trong đất
Phóng xạ tự nhiên trong đất có ba thành phần chính là Urani gồm hai đồng vị
235

U và

238

U,

232

Th và 40K.

232

Th và 40K có chuỗi dài phân rã qua hạt nhân con rất

ngắn, chủ yếu bởi alpha hoặc beta phát ra mà không đƣợc phát hiện [6]. Tuy nhiên,
một số sản phẩm phân rã trung gian cũng là nguồn phát tia gamma ở năng lƣợng
cao. Các thành phần chính thể hiện trạng thái cân bằng cƣờng độ bức xạ của tia
gamma cho mỗi phân rã của hạt nhân mẹ [6]. Có ba chuỗi phân rã phóng xạ ứng với
các đồng vị 232Th, 235U, 238U.
Chuỗi Thori là kết quả phân rã từ 232Th, với chu kì bán rã là 1,4x1010 năm và
đƣợc tìm thấy trong hầu hết các loại đất, đá, vật liệu xây dựng cũng nhƣ bê tông và
gạch. Chúng sẽ phân rã qua quá trình biến đổi thành đồng vị khác không bền và kết
thúc ổn định bằng đồng vị bền 208Pb. Các năng lƣợng tia gamma đặc trƣng nhất của
212

Pb là 239 keV, của 208Tl là 511 keV, 583 keV và 2614 keV, của

228

Ac là 911 keV

và 969 keV [6].

Hình 1.1. Sơ đồ phân rã chuỗi Thori [4]
Chuỗi Urani-Actini là kết quả phân rã của

235

U, với chu kì bán rã là

7,47x108 năm. Chúng phân rã qua quá trình biến đổi thành đồng vị hạt nhân khác
không bền và kết thúc bằng đồng vị bền 207Pb.
4


Hình 1.2. Sơ đồ phân rã chuỗi Urani-Actini [4]
Chuỗi Urani-Radi là kết quả phân rã từ 238U, với chu kì bán rã là 4,5x109 năm,
nhƣ Thori đƣợc tìm thấy trong hầu hết các loại đá, đất và vật liệu xây dựng. Chúng
phân rã qua quá trình biến đổi thành các đồng vị hạt nhân khác và kết thúc bằng
đồng vị bền

206

Pb. Các năng lƣợng tia gamma đặc trƣng nhất của 214Bi là 609 keV,

1120 keV và 1764 keV [6].

Hình 1.3. Sơ đồ phân rã chuỗi Urani-Radi [4]
5

Đồng vị Kali-40 không có chuỗi phân rã, trong đó chu kì bán rã là 1,28x109 năm.
Năng lƣợng tia gamma đặc trƣng là 1461 keV.
Một số hạt nhân phóng xạ khác có trong đất đá đƣợc trình bày nhƣ bảng 1.2.
Bảng 1.2. Một số hạt nhân phóng xạ có trong đất đá trong một dặm vuông ở độ sâu
1 ft (1ft = 0,3048 m) [13]
Hạt nhân

Hoạt độ trung bình
(pCi/g)

Khối lƣợng hạt nhân
(kg)

Hoạt độ tìm thấy
trong đất (Ci)

U

0,7

2200

0,8

1,1

12000

1,4

K

11

2000

13

Ra

1,3

1,7x10-3

1,7

Rn

0,17

11x10-6

0,2

232

Th

40

>17

Tổng cộng
1.1.3. Phóng xạ tự nhiên trong nƣớc

Toàn bộ nƣớc trên trái đất, kể cả nƣớc biển đều chứa các nhân phóng xạ
chính. Với thể tích Thái Bình dƣơng là 6,594x1017 m3, Đại Tây dƣơng là 3,095x1017 m3,
tổng thể tích đại dƣơng khoảng 1,3x1018 m3, đƣợc tính vào năm 1990 [13]. Hoạt độ
nhân phóng xạ tự nhiên trong các đại dƣơng đƣợc hiển thị trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Hoạt độ nhân phóng xạ tự nhiên trong nƣớc biển các đại dƣơng
(năm 1971) [13]
Hạt nhân

Hoạt độ trung
bình (pCi/lít)

U

Thái Bình
dƣơng (Ci)

Đại Tây
dƣơng (Ci)

Tất cả đại
dƣơng (Ci)

0,9

6x108

3x108

1,1x109

K

300

2x1011

9x1010

3,8x1011

H

0,016

1x107

5x106

2x107

C

0,135

8x107

4x107

1,8x108

Rb

18

1,9x1010

9x109

3,6x1010

40
3

14
87

Hoạt độ trong đại dƣơng

6


1.1.4. Phóng xạ tự nhiên trong không khí
Phóng xạ trong không khí do tro bụi các hạt nhân tạo nên, gồm nguồn từ vũ
trụ, nguồn phóng xạ phát ra từ đất. Phóng xạ phát ra từ đất, đá và nƣớc trong tự
nhiên khuếch tán và lan truyền trong không khí. Các hàm lƣợng phóng xạ chủ yếu

là khí radon,

222

Rn từ sự phân rã của chuỗi Urani-Radi và

220

Rn từ sự phân rã của

chuỗi Thori.
Urani và Thori thƣờng tồn tại trong đá, đất và vật liệu xây dựng. Các hàm
lƣợng của các đồng vị Radon trong không khí sẽ phụ thuộc vào hàm lƣợng Urani và
Thori trong đất. Cả hai đồng vị 222Rn và 220Rn cũng bắt nguồn từ vật liệu xây dựng.
Liều lƣợng bức xạ này có thể khác nhau trong không khí bình thƣờng. Trong các
tòa nhà và không gian hạn chế, những nơi mà khí không thể thoát ra ngoài thì liều
lƣợng bức xạ có thể còn cao hơn.
1.1.5. Phóng xạ tự nhiên trong cơ thể con ngƣời
Cơ thể con ngƣời chứa các nguyên tố hóa học, vì vậy trong cơ thể con ngƣời
có các nhân phóng xạ khác nhau. Bảng 1.4 trình bày một số nhân phóng xạ tự nhiên
chính trong cơ thể ngƣời lớn nặng 70 kg.
Bảng 1.4. Một số hạt nhân phóng xạ tự nhiên chủ yếu có trong cơ thể ngƣời [13]
Hạt nhân

Tổng khối lƣợng đồng vị
tìm thấy trong cơ thể

Tổng hoạt độ đồng vị
tìm thấy trong cơ thể

Lƣợng hấp
thụ hằng ngày

U

90 µg

30 pCi

1,9 µg

Th

30 µg

3 pCi

3 µg

K

17 mg

120 nCi

0,39 mg

Ra

31 pg

30 pCi

2,3 pg

14

C

22 ng

0,1 µCi

1,8 ng

H

0,06 pg

0,6 nCi

3 fg

Po

0,2 pg

1 nCi

~0,6 fg

40

3

7


1.1.6. Phóng xạ tự nhiên trong thực phẩm
Do các chất phóng xạ có mặt ở khắp mọi nơi trong tự nhiên nên trong đồ ăn
thức uống hàng ngày có lƣợng phóng xạ trong đó. Các hạt nhân phóng xạ phổ biến
trong thực phẩm là Kali-40 (40K), Radi-226 (226Ra), Urani-238 (238U) và con cháu
liên quan. Bảng 1.5 trình bày hoạt độ phóng xạ của 40K và 226Ra trong một số thức ăn.
Bảng 1.5. Hoạt độ phóng xạ của 40K và 226Ra trong một số loại thức ăn [13]
Thức ăn

40

Chuối

3520

1

Đậu Brazil

5600

1000-7000

Cà rốt

3400

0,6-2

Khoai tây trắng

3400

1-2,5

Bia

390

---

Thịt đỏ

3000

0,5

Đậu Lima

4640

2 -5

Nƣớc uống

---

0-0,17

K (pCi/kg)

226

Ra (pCi/kg)

1.2. Phóng xạ nhân tạo
Các đồng vị phóng xạ nhân tạo thích hợp cho những ứng dụng đa dạng trong
thực tế. Các vụ thử vũ khí hạt nhân, trong y học hạt nhân cũng nhƣ trong công
nghiệp đã thải vào khí quyển một số các đồng vị phóng xạ. Chúng chỉ là lƣợng rất
nhỏ so với lƣợng phóng xạ có sẵn trong tự nhiên, và vì chu kì bán rã của chúng rất
ngắn nên hoạt độ của chúng đã giảm đi đáng kể từ khi ngừng thử vũ khí hạt nhân
trên trái đất.
Các vụ thử vũ khí hạt nhân: Rơi lắng sản phẩm của vũ khí hạt nhân là nguồn
phóng xạ nhân tạo lớn nhất trong môi trƣờng. Từ khí quyển, các đồng vị phóng xạ
sẽ lắng đọng xuống địa cầu dƣới dạng rơi lắng tại chỗ (12%), nằm trên tầng đối lƣu
(10%) và tầng bình lƣu (78%) [3]. Rơi lắng ở tầng bình lƣu là rơi lắng toàn cầu và

8


sẽ gây nhiễm bẩn toàn cầu với hoạt độ thấp. Trong khi hầu hết các đồng vị phóng xạ
nằm trên bề mặt Trái Đất thì 3H và 14C đi vào chu trình khí quyển, thủy quyển và
sinh quyển toàn cầu. Tổng lƣợng phóng xạ đã đƣợc đƣa vào khí quyển qua các vụ

thử vũ khí hạt nhân với 70% là

14

C, các đồng vị khác

137

Cs,

90

Sr,

95

Zr, và

106

Ru

chiếm phần còn lại .
Y học hạt nhân: Ngƣời ta sử dụng tia X và các nguồn đồng vị phóng xạ để
chẩn đoán và chữa trị.

131

I đƣợc ứng dụng sớm nhất vào y học hạt nhân. Ngoài ra

còn có các nguyên tố phóng xạ khác nhƣ 90Y, 153Sm, 89Sr, 192Ir, v.v…
Trong công nghiệp: Sử dụng các máy phát tia X và các nguồn đồng vị phóng
xạ cho việc kiểm tra các mối hàn, khoan lỗ, dò tìm nƣớc ngầm, đánh dấu đồng vị
nhân tạo để kiểm tra đập thủy điện, v.v…
1.3. Liều lƣợng và đơn vị đo liều [1]
1.3.1. Liều hấp thụ
a. Định nghĩa
Liều hấp thụ Dht là lƣợng đƣợc đo bằng tổng năng lƣợng hấp thụ trong một
đơn vị khối lƣợng và là một tham số cơ bản trong bảo vệ phóng xạ.
Dht 

E
m

(1.1)

Trong đó ΔE [J] là năng lƣợng của bức xạ mất đi do sự ion hóa trong đối
tƣợng bị chiếu xạ, Δm [kg] là khối lƣợng của đối tƣợng bị chiếu xạ.
Đơn vị của liều hấp thụ là Gray: với 1 Gray (Gy) = 100 Rad.
Đơn vị ngoại hệ là Radian: với 1 Rad = 100 erg/g.
b. Suất liều hấp thụ
Suất liều hấp thụ Pht là liều hấp thụ đƣợc tính trong một đơn vị thời gian.
Pht 

Dht
t

(1.2)

Trong đó  Dht: liều hấp thụ trong khoảng thời gian  t.

Đơn vị của suất liều hấp thụ là W/kg hoặc rad/s hoặc Gy/s.
Nếu suất liều hấp thụ là một hàm của thời gian, khi đó liều hấp thụ đƣợc tính
thông qua công thức:
9


t

Dht   Pht .dt
0

(1.3)

c. Quan hệ giữa suất liều hấp thụ trong môi trƣờng bất kỳ với suất liều
hấp thụ trong không khí
Đối với không khí liều hấp thụ Dkk=Itγkk, còn đối với môi trƣờng Z khác để
các nguồn ở đúng khoảng cách đó và chiếu trong cùng khoảng thời gian ta có
Dkk=Itγz. Khi đó ta có công thức xác định liều hấp thụ trong môi trƣờng bất kì với
bậc số nguyên tử Z, nếu biết liều hấp thụ trong không khí.
z
Dkk
 kk

Dz 

(1.4)

Trong đó γ là hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính. Nếu biểu diễn qua hệ số truyền
năng lƣợng khối thì ta có công thức (1.5) với ρz và ρkk là khối lƣợng riêng của chất
có bậc số z và của không khí.

Dz 

(  m )z .z
Dkk
(  m )kk .kk

(1.5)

1.3.2. Liều chiếu
a. Định nghĩa
Liều chiếu Dch của tia X hoặc tia gamma là phần năng lƣợng của nó bị mất đi
để biến đổi thành động năng của hạt mang điện trong một đơn vị khối lƣợng của
không khí, khí quyển ở điều kiện tiêu chuẩn (00C, 1 at).
Dch 

Q
m

(1.6)

Trong đó, ∆Q(C) là điện tích xuất hiện do sự ion hóa không khí trong một
khối thể tích và ∆m là khối lƣợng không khí của thể tích này. Đơn vị của liều chiếu
là Coulomb trên kilogam (C/kg), đơn vị ngoại hệ là Roentgen (R).
b. Suất liều chiếu
Suất liều chiếu Pch là liều chiếu đƣợc tính trong một đơn vị thời gian.
Pch 

Dch
t

(1.7)

Đơn vị của suất liều chiếu là A/kg hoặc R/s.

10


c. Mối liên hệ giữa liều chiếu và liều hấp thụ trong không khí
Chúng ta có liều hấp thụ Dht tính theo rad (1 rad = 100 erg/g) và liều chiếu
của bức xạ tia X và tia gamma Dch tính theo Roentgen (R) (1 R = 87,7 erg/g (không
khí) = 0,877 rad = 0,00877 Gy).
Đối với không khí ta có mối quan hệ giữa liều hấp thụ và liều chiếu nhƣ sau
Dch 100
(tính trong không khí)

Dht 87, 7

(1.8)

1.3.3. Liều tƣơng đƣơng
a. Trọng số phóng xạ
Khi hấp thụ bức xạ, mô sinh học bị tổn thƣơng. Sự tổn tƣơng vào số cặp ion
đƣợc tạo ra trong một đơn vị chiều dài quãng đƣờng của hạt hoặc phụ thuộc vào sự
truyền năng lƣợng tuyến tính trên một đơn vị quãng đƣờng của hạt bức xạ. Các loại
bức xạ ion hóa khác nhau gây ra những tác động sinh học khác nhau.
Năm 1990, IAEA đã sử dụng khái niệm “Trọng số phóng xạ” (Wr), nó chính
là hệ số mà liều hấp thụ phải đƣợc nhận để tính đến sự tổn hại sinh học gây ra bởi
những loại bức xạ ion hóa khác nhau. Giá tri Wr của một số bức xạ ion hóa đƣợc
cho bảng 1.6.
Bảng 1.6. Trọng số phóng xạ Wr của một vài loại bức xạ (ICRP-1990) [1]

Loại và khoảng năng lƣợng của bức xạ

Trọng số phóng xạ Wr

Photon

1

Electron and Muon

1

Neutron, năng lƣợng < 10 keV
Neutron, năng lƣợng từ 10 keV tới 100keV
Neutron, năng lƣợng từ 100 keV tới 2 MeV
Neutron, năng lƣợng từ 2 MeV tới 20 MeV
Neutron, năng lƣợng > 20 MeV

5
10
20
10
5

Những proton giật lùi, năng lƣợng >2 MeV

5

Hạt alpha, những mảnh phân hạch, hạt nhân nặng

20

11


b. Liều tƣơng đƣơng
Liều tƣơng đƣơng (ký hiệu là HT,r) là đại lƣợng dùng để đánh giá liều bức xạ
trong một tổ chức mô hoặc cơ quan của cơ thể ngƣời. Liều tƣơng đƣơng là liều hấp
thụ trung bình trong mô hoặc cơ quan T do bức xạ r, nhân với trọng số phóng xạ
tƣơng ứng Wr của bức xạ [1]. Liều tƣơng đƣơng tính theo đơn vị là rem.
1rem = 1rad.Wr
HT   Wr .DT,r
r

(1.9)
Suất liều tƣơng đƣơng: PT,r 

dH T,r
dt

(1.10)

Trong đó DT,r là liều hấp thụ trung bình của bức xạ r trong mô hoặc cơ quan
T và Wr là hệ số trọng số phóng xạ đối với bức xạ r. Đơn vị của liều tƣơng đƣơng là
J/Kg, rem hoặc Sievert (Sv) với 1 Sv = 100 rem.
1.3.4. Liều hiệu dụng
Liều hiệu dụng (ký hiệu là E) là tổng liều tƣơng đƣơng của từng mô nhân với
trọng số mô tƣơng ứng tính cho tất cả các mô và cơ quan trong cơ thể, đƣợc xác
định theo công thức sau:
ET   WT .HT

(1.11)

HT là liều tƣơng đƣơng trong mô hoặc cơ quan T và WT là trọng số mô đƣợc
cho ở bảng 1.7. Từ định nghĩa của liều tƣơng đƣơng, ta có.
E   WT ( Wr .DT,r )   Wr ( WT .DT,r )

(1.12)

Ở đây DT,r là liều hấp thụ trung bình trong mô hoặc cơ quan T, đối với bức
xạ r. Đơn vị của liều hiệu dụng là J/kg hoặc Sievert (Sv), 1 J/kg = 1 Sv.
Cơ quan ICRP đã đề nghị các hệ số trọng số mô. Các mô khác nhau nhận
cùng một liều tƣơng đƣơng nhƣ nhau thì tổn thƣơng sinh học cũng khác nhau.
Nghĩa là cùng một liều tác dụng lên các mô khác nhau, thì gây ra các tổn thƣơng
khác nhau, ngƣời ta đã đƣa vào đại lƣợng đặc trƣng của từng mô hoăc cơ quan gọi
là trọng số mô WT.

12


Bảng 1.7. Trọng số mô đặc trƣng WT cho các mô trong cơ thể (1990) [1]
Cơ quan hoặc mô
Cơ quan sinh dục
Tủy xƣơng
Ruột
Phổi
Dạ dày
Bàng quang
Vú
Gan

Thực quản
Tuyến giáp
Da
Mặt xƣơng
Các cơ quan khác

WT
0,20
0,12
0,12
0,12
0,12
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,01
0,01
0,05

W

Tổng số các trọng số mô

T

1

1.4. Giới hạn liều

Trong nhiều trƣờng hợp, kể cả bức xạ phông, cũng nhƣ trong điều kiện làm
việc ở nhà máy điện hạt nhân, liều bức xạ thƣờng đƣợc phân bố đều trên toàn cơ
thể. Chiếu xạ cũng có thể hƣớng vào một bộ phận của cơ thể (nhƣ trong xạ trị),
hoặc ở một bộ phận nào đó của cơ thể (bức xạ beta đối với da, hoặc i-ốt đối với
tuyến giáp). Bởi một số cơ quan trong cơ thể nhạy cảm hơn đối với bức xạ, trọng số
mô đƣợc sử dụng để chỉ các nguy cơ tƣơng đƣơng của chiếu xạ cục bộ và chiếu xạ
toàn thân [14].
Để nhấn mạnh khi áp dụng trọng số mô, ngƣời ta dùng thuật ngữ liều hiệu
dụng. Ví dụ: ICRP đã khuyến cáo là nên dùng trọng số mô bằng 0,05 trong trƣờng
hợp tuyến giáp. Nhƣ vậy nếu tuyến giáp nhận một liều hấp thu gamma là 1000 mSv
thì liều hiệu dụng tƣơng đƣơng là 50 mSv (0,5x1x1000).
Đối với công nhân: Theo khuyến cáo của ICRP (1991), thì mức liều đối với
công nhân không nên vƣợt quá 50 mSv/năm và liều trung bình cho 5 năm không

13


đƣợc vƣợt quá 20 mSv. Nếu một phụ nữ mang thai làm việc trong điều kiện bức xạ,
thì giới hạn liều nghiêm ngặt hơn cần đƣợc áp dụng là 2 mSv. Giới hạn liều đƣợc
chọn để bảo đảm rằng, rủi ro nghề nghiệp đối với công nhân bức xạ không cao hơn
rủi ro nghề nghiệp trong các ngành công nghiệp khác đƣợc xem là an toàn nói
chung [14].
Đối với công chúng: Giới hạn liều đối với công chúng nói chung thấp hơn
đối với công nhân. ICRP (1991) khuyến cáo rằng giới hạn liều đối với công chúng
không nên vƣợt quá 1 mSv/năm [14].
Đối với bệnh nhân: ICRP (1991) không có khuyến cáo giới hạn liều đối với
bệnh nhân. Ở nhiều cuộc chụp X quang, bệnh nhân phải chiếu liều cao hơn nhiều
lần so với giới hạn liều cho công chúng. Trong xạ trị, liều chiếu có thể tăng gấp
hàng trăm lần so với giới hạn liều đối với công nhân. Bởi vì liều xạ đƣợc dùng là để
xác định bệnh và để chữa bệnh, nên hiệu quả của điều trị đƣợc xem là cần thiết hơn

ngay cả khi phải dùng đến liều cao [14].
Nhờ có các tiêu chuẩn an toàn cao trong công nghiệp hạt nhân, những rủi ro
bức xạ đối với công nhân đƣợc giữ ở mức thấp nhất.
1.5. Những nguy hiểm về phóng xạ
Tùy theo mức độ tiếp xúc, các tia phóng xạ (alpha, beta, gamma, v.v…) có
thể làm mất sự cân bằng của các nguyên tử nhẹ trong cơ thể. Hiện tƣợng này đƣợc
gọi là sự ion hoá (ionization). Nó làm xáo trộn các phản ứng hóa học cần thiết
trong các nguyên tử của tế bào sống. Các phân tử chứa những nguyên tử bị ion hóa
sẽ phản ứng lẫn nhau để tạo ra những chất độc hại cho cơ thể. Một khi những phân
tử sống của các sinh vật (chẳng hạn nhƣ các phân tử protein hoặc amino-acid) bị tia
phóng xạ tác động vào thì cấu trúc của các phân tử này sẽ bị phá vỡ, bị biến đổi và
hoạt động bình thƣờng của chúng bị ngƣng trệ. Tế bào sống sẽ bị hủy hoại, hoạt
động xúc tác cho các phản ứng hóa học sẽ giảm hoặc mất đi, gây nên các bệnh ung
thƣ và xáo trộn sự di truyền giới tính [14].
Nếu bị tác động bởi chất phóng xạ thì hoặc các màn bao bọc tế bào sống sẽ
bị vỡ tung và tế bào sẽ chết hoặc các tế bào sẽ phát triển bất bình thƣờng, gây ra các

14


chứng bệnh liên hệ nhƣ ung thƣ da, ung thƣ gan, hoại huyết, ung thƣ não bộ,
v.v...Nếu trầm trọng, có thể đƣa đến cái chết trong vòng một hoặc hai ngày. Nhẹ
hơn thì bị nôn mửa, đau ruột, tiêu chảy hoặc xáo trộn thần kinh, hƣ hại tủy xƣơng
sống, hồng huyết cầu và bạch huyết cầu bị hủy diệt, ung thƣ tuyến giáp trạng
v.v... Những trƣờng hợp nhẹ hơn thì ăn uống không ngon, rụng tóc, xuất huyết nội,
phỏng hoặc phù thủng. Ảnh hƣởng khi tiếp xúc lâu dài với chất phóng xạ là nguyên
nhân của nhiều chứng bệnh ung thƣ. Sự xáo trộn nhiểm sắc thể (thành phần của
nhân của tế bào sống có chứa DNA) là nguyên nhân của việc sinh con bị dị tật [14].
Hình 1.4 thể hiện thang đo suất liều hấp thụ trên cơ thể con ngƣời.

Hình 1.4. Thang đo suất liều hấp thụ trên cơ thể ngƣời [11]

15


CHƢƠNG 2
XÂY DỰNG HỆ ĐO QUAN TRẮC
PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG ONLINE
Trong chƣơng này, chúng tôi trình bày xây dựng hệ quan trắc phóng xạ môi
trƣờng online. Việc xây dựng hệ đo bao gồm xây dựng bộ giao tiếp điện tử giữa đầu
dò đo liều Inspector+ với máy tính, xây dựng giao diện giao tiếp cho máy tính, điện
thoại thông minh, máy tính bảng và tự động cập nhật dữ liệu liên tục lên một
website (thông qua internet).
2.1. Hệ đo quan trắc phóng xạ môi trƣờng online

Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ đo phóng xạ môi trƣờng online.
Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối hệ đo phóng xạ môi trƣờng online. Thiết bị của
hệ đo gồm: (I) đầu dò đo liều Insepctor+, (II) bộ giao tiếp điện tử NI myRIO
(thiết bị NI myRIO) và (III) máy tính.
Khi bức xạ hạt nhân tƣơng tác với đầu dò Inspector+ [7], dạng đầu dò GeigerMuller, hình thành ra xung tín hiệu chuẩn logic TTL, có dạng xung vuông với độ
rộng xung ~100µs nhƣ hình 2.2. Xung ra từ Inspector+ đƣợc đƣa vào thiết bị giao
tiếp điện tử NI myRIO. Dữ liệu từ thiết bị NI myRIO truyền đến máy tính thông qua
đƣờng truyền wifi theo thời gian (online) và đƣợc lƣu dữ liệu trong máy tính.
Chúng tôi xây dựng chƣơng trình nhúng LabVIEW FPGA và LabVIEW
Real-Time cho bộ giao tiếp điện tử NI myRIO. Thiết bị giao tiếp này có chức năng
ghi nhận xung tín hiệu, hình thành số đếm tích lũy theo thời gian, lƣu dữ liệu ghi
nhận đƣợc và truyền lên máy tính thông qua wifi, tự động cập nhật vẽ đồ thị suất
liều lên website, cũng nhƣ chức năng thiết lập thời gian đo, tiến hành đo (start), v.v.

16

Để thiết lập các thông số điều khiển cũng nhƣ hiển thị, lƣu trữ dữ liệu, chúng tôi
xây dựng một giao diện giao tiếp LabVIEW với máy tính.
2.2. Đầu dò đo liều Inspector+
Đầu dò đo liều Inspector+ [7] đƣợc sản xuất bởi hãng S.E.Internation, Inc,
USA là thiết bị an toàn theo dõi bức xạ cầm tay, nhỏ, để phát hiện các bức xạ ở mức
thấp. Nó có thể đo đƣợc các bức xạ hạt nhân nhƣ alpha, beta, gamma và tia X. Dựa
vào tín hiệu cổng ra dạng xung vuông của Inspector+, ta sẽ xác định đƣợc số đếm
trên phút và cho phép quy đổi về suất liều mà nhà sản xuất đã đƣa ra.
Tính ứng dụng của thiết bị này dùng để:
 Phát hiện và đo nhiễm bẩn bề mặt.
 Theo dõi khả năng phơi nhiễm phóng xạ khi làm việc với nguồn phóng xạ.
 Tầm soát sự ô nhiễm môi trƣờng.
 Giúp phát hiện khí hiếm và nguồn bức xạ ở mức thấp khác.
2.2.1. Độ rộng xung, phạm vi hoạt động và độ chính xác của Inspector+
 Độ rộng xung: Xung tín hiệu ra từ Inspector+ đƣợc đƣa vào máy
oscilloscope để kiểm tra độ rộng xung. Hình 2.3 cho thấy độ rộng xung
của Inspector+ là ~100 µs, có dạng xung vuông, theo chuẩn logic TTL.

Hình 2.2. Độ rộng xung của đầu dò đo liều Inspector+

17


 Phạm vi hoạt động:
 Từ 0,001-100 mR/h.
 Từ 0,01-1000 mSv/h.
 Từ 0-350000 CPM.
 Từ 0-5000 CPS.

 Số đếm tổng từ 1-9999000.
 Độ chính xác:
 Từ 0 đến 50 mR/h (±15%) và từ 50 đến 100 mR/h (±20%).
 Từ 0 đến 130000 CPM ( ±15%) và từ 130000 đến 300000 CPM (±20%).
2.2.2. Mối liên hệ giữa tốc độ đếm và suất liều
Dựa vào bảng số liệu của thiết bị đầu dò đo liều Inspector+ [7] do nhà sản
xuất cung cấp nhƣ trong bảng 2.1, chúng tôi xây dựng đƣờng chuẩn suất liều
(µSv/h) theo tốc độ đếm (số đếm/phút) và đồ thị đƣợc biểu diễn ở hình 2.3.
Bảng 2.1. Số liệu tốc độ đếm và suất liều [6]
Tốc độ đếm (Số đếm/phút)

Suất liều (µSv/h)

33400

100

66800

200

166999

500

267200

800

334000

1000

Đƣờng chuẩn suất liều theo tốc độ đếm (CPM): y = 0,003.x + 0,0007 nhƣ hình
2.3. Suy ra, đƣờng chuẩn suất liều theo tốc độ đếm (CPS): y = 0,18.x + 0,0007.

18