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

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

DƢƠNG ĐỨC THẮNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH LIỀU CHIẾU DÂN CHÚNG DO
PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN Ở KHU VỰC HÀ NỘI (PHẦN HÀ
NỘI MỞ RỘNG)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015


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

DƢƠNG ĐỨC THẮNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH LIỀU CHIẾU DÂN CHÚNG DO
PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN Ở KHU VỰC HÀ NỘI (PHẦN HÀ
NỘI MỞ RỘNG)

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH VĂN GIÁP

Hà Nội – 2015

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 hƣớng 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 trƣờng Hà Nội (phần Hà
Nội mở rộng) và hoàn thiện bản đồ kỹ thuật số về phông phóng xạ môi trƣờng
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 Trƣờng – Viện Khoa Học và
Kỹ Thuật Hạt Nhân – Viện Năng Lƣợng 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 trƣờng 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 đƣợc 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, ngƣời thân và bạn bè,
những ngƣời 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

Dƣơng Đức Thắng

i


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ........................................... vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN ................................. 3
1.1. Phóng xạ trong đất đá(2, 3) ....................................................................... 3
1.1.1. Các họ phóng xạ(2, 3) ........................................................................ 3
1.1.2. Cân bằng và mất cân bằng phóng xạ(2, 3) ......................................... 5
1.2. Phóng xạ do tia vũ trụ(2, 3) ....................................................................... 6
1.3. Phơi nhiễm do phóng xạ tự nhiên(2, 3)..................................................... 7
1.3.1. Phơi nhiễm do chiếu ngoài từ phóng xạ tự nhiên trong đất đá(2, 3) . 8
1.3.2. Phơi nhiễm do chiếu ngoài từ tia vũ trụ(2, 3) .................................... 9
1.3.3. Phơi nhiễm do chiếu trong từ các nguồn phóng xạ tự nhiên(2, 3)..... 9
1.4. Một số đại lƣợng đo liều trong an toàn bức xạ(4) ................................. 10
1.4.1. Liều chiếu(4) ................................................................................... 10
1.4.2. Liều hấp thụ(4)................................................................................ 11
1.4.3. Liều tƣơng đƣơng(4) ....................................................................... 11
1.4.4. Liều hiệu dụng(4)............................................................................ 13
1.5. Tƣơng tác của bức xạ gamma với vật chất(5, 6) ..................................... 14
1.5.1. Hiệu ứng quang diện(5, 6) ............................................................... 15
1.5.2. Hiệu ứng Compton(5, 6) .................................................................. 17
1.5.3. Hiệu ứng tạo cặp(5, 6) ...................................................................... 19
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 21
2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu........................................................ 21

ii


2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................... 21
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu....................................................................... 21
2.2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................ 21
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu...................................................................... 21
2.4. Phƣơng pháp đo gamma hiện trƣờng ................................................... 22
2.4.1. Thiết bị sử dụng ............................................................................ 22
2.4.2. Phƣơng pháp hàm G(E) ................................................................ 25
2.4.3. Phƣơng pháp diện tích đỉnh .......................................................... 28
2.5. Phƣơng pháp đo gamma trong phòng thí nghiệm ................................ 29
2.5.1. Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe ............................................ 29
2.5.2. Tính suất liều từ hoạt độ của mẫu đất ........................................... 30
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN .................... 31
3.1. Xác định các hệ số chuyển đổi cho detector NaI(Tl) ........................... 31
3.2. Kết quả đo gamma hiện trƣờng sử dụng phƣơng pháp hàm G(E) ....... 35
3.2. Kết quả đo gamma hiện trƣờng sử dụng phƣơng pháp diện tích đỉnh. 39
3.3. So sánh phƣơng pháp phổ gamma hiện trƣờng và phòng thí nghiệm . 41
3.3.1. So sánh hoạt độ phóng xạ ............................................................. 41
3.3.2. So sánh suất liều hấp thụ của bức xạ gamma ................................ 44
3.3. Đánh giá suất liều ................................................................................. 46
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 52
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 54
Phụ lục 1: Hoạt độ riêng của các nhân phóng xạ tính bằng phƣơng pháp
diện tích đỉnh ............................................................................................... 54
Phụ lục 2: Hoạt độ riêng của các nhân phóng xạ phân tích trong phòng thí
nghiệm ......................................................................................................... 56

Phụ lục 3: Suất liều gamma môi trƣờng (nGy/h) ........................................ 58

iii


Phụ Lục 4: Suất liều tính theo phƣơng pháp hàm G(E) .............................. 60

DANH MỤC BẢNG
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........... 9
Bảng 1. 2: Trọng số bức xạ WR đối với một số loại bức xạ............................ 12
Bảng 1. 3: Trọng số mô đối với các bộ phận chính trong cơ thể .................... 13

Bảng 2. 1: Các hệ số của hàm G(E) ................................................................ 27

Bảng 3. 1: Nguồn chuẩn .................................................................................. 31
Bảng 3. 2: Đáp ứng góc của detector với nguồn 137Cs.................................... 32
Bảng 3. 3: Hiệu suất ghi N0/υ của detector ..................................................... 34
Bảng 3. 4: Hiệu suất ghi N0/υ đối với các nhân phóng xạ tự nhiên................ 34
Bảng 3. 5: Hệ số υ/A và υ/I của detector........................................................ 35
Bảng 3. 6: Các hệ số chuyển đổi đối với phóng xạ tự nhiên .......................... 35
Bảng 3. 7: Kênh trung tâm và năng lƣợng của 40K, 214Bi và 208Tl .................. 37
Bảng 3. 8: Kết quả hoạt độ và suất liều của phóng xạ tự nhiên tính theo
phƣơng pháp diện tích đỉnh ............................................................................. 40
Bảng 3. 9: Hoạt độ các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong mẫu đất ................. 41
Bảng 3. 10: Suất liều (nGy/h) thu đƣợc từ các phƣơng pháp khác nhau. ....... 45

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Sơ đồ phân rã của ba họ phóng xạ 238U, 232Th và 235U .................... 4
Hình 1. 2: Sự suy giảm của chùm gamma khi đi qua vật chất........................ 14
Hình 1. 3: Hiệu ứng quang điện ...................................................................... 16
Hình 1. 4: Tán xạ Compton ............................................................................. 17
Hình 1. 5: Hiệu ứng tạo cặp ............................................................................ 19
Hình 1. 6: Độ quan trọng tƣơng đối của ba hiệu ứng phụ thuộc vào năng
lƣợng và điện tích z của chất hấp thụ. ............................................................. 20

Hình 2. 1: Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................... 22
Hình 2. 2: Hệ phổ kế gamma hiện trƣờng....................................................... 23
Hình 2. 3: Phổ gamma hiện trƣờng ................................................................. 24
Hình 2. 4: Máy đo liều sách tay TCS-171 ...................................................... 24
Hình 2. 5: Hàm G(E) của các loại detector NaI(Tl) ........................................ 26
Hình 2. 6: Hệ detector HPGe và buồng chì..................................................... 29

Hình 3. 1: Đo đáp ứng góc Nf/N0 của detector ................................................ 31
Hình 3. 2: Đáp ứng góc tƣơng đối của detector với nguồn 137Cs ................... 32
Hình 3. 3: Xác định hiệu suất ghi của detector N0/υ ...................................... 33
Hình 3. 4: Mối liên hệ giữa năng lƣợng tia gamma và N0/υ........................... 34
Hình 3. 5: Phổ gamma hiện trƣờng đo tại thị trấn Tây Đằng - huyện Ba Vì .. 36
Hình 3. 6: Đỉnh quang điện của 40K ................................................................ 36

v


Hình 3. 7: Đỉnh quang điện của 214Bi .............................................................. 37
Hình 3. 8: Đỉnh quang điện của 208Tl .............................................................. 37
Hình 3. 9: Mối liên hệ giữa kênh và năng lƣợng ............................................ 38
Hình 3. 10: Suất liều tính theo phƣơng pháp hàm G(E) ................................. 38

Hình 3. 11: Xác định diện tích đỉnh ................................................................ 39
Hình 3. 12: Sự tƣơng quan giữa kết quả đo hoạt độ phóng xạ của 40K tại hiện
trƣờng và kết qủa phân tích trong phòng thí nghiệm. ..................................... 42
Hình 3. 13: Sự tƣơng quan giữa kết quả đo hoạt độ phóng xạ của 238U tại hiện
trƣờng và kết qủa phân tích trong phòng thí nghiệm. ..................................... 43
Hình 3. 14: Sự tƣơng quan giữa kết quả đo hoạt độ phóng xạ của

232

Th tại

hiện trƣờng và kết qủa phân tích trong phòng thí nghiệm. ............................. 43
Hình 3. 15: So sánh mối tƣơng quan của suất liều tính bằng 2 phƣơng pháp
diện tích đỉnh và PTN ..................................................................................... 45
Hình 3. 16: So sánh mối tƣơng quan của suất liều tính bằng 2 phƣơng pháp
hàm G(E) và phƣơng pháp tính trong PTN. .................................................... 46
Hình 3. 17: Phân bố suất liều tính từ các phƣơng pháp khác nhau ................. 47
Hình 3. 18: Bản đồ phân bố và sự đóng góp của các đồng vị vào suất liều tính
từ phƣơng pháp diện tích đỉnh. ....................................................................... 49
Hình 3. 19: Bản đồ phân bố và sự đóng góp của các đồng vị vào suất liều tính
từ phƣơng pháp đo mẫu đất trong PTN........................................................... 49

vi


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

PTN

Phòng Thí Nghiệm

HPGe

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

vii


MỞ ĐẦU
Để xác định liều dân chúng do các đồng vị phóng xạ tự nhiên gây ra,

phƣơng pháp phổ biến và chính xác nhất là lấy mẫu và phân tích trong phóng
thí nghiệm. Ở nƣớc ta một số tác giả nhƣ Ngô Quang Huy, Phạm Duy Hiển,
Nguyễn Hào Quang(15), Trịnh Văn Giáp(1)…đã sử dụng phƣơng pháp này để
đánh giá liều dân chúng khá chi tiết ở một số tỉnh và trên phạm vi toàn quốc.
Cùng với phƣơng pháp trên, phƣơng pháp đo phổ gamma hiện trƣờng
cũng là phƣơng pháp hiệu quả để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ
trong môi trƣờng. Phƣơng pháp này đã đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới sử dụng
để phân tích phóng xạ môi trƣờng từ những năm 1980(5). IAEA và ICRU đã
đề suất phƣơng pháp này để xác định nhanh hoạt độ của các đồng vị phóng xạ
trong môi trƣờng nói chung và cả trong trƣờng hợp khi xảy ra sự cố(9, 17).
Tuy nhiên hiện nay phƣơng pháp đo phổ gamma hiện trƣờng vẫn chƣa
đƣợc áp dụng rộng rãi ở Việt Nam. Với hƣớng nghiên cứu sử dụng phƣơng
pháp đo phổ gamma hiện trƣờng để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng
xạ và suất liều gamma trong môi trƣờng phục vụ cho việc khảo sát và quan
trắc phóng xạ môi trƣờng, 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 trƣờng sử dụng detector
NaI(Tl) hình trụ kích thƣớc 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
hƣởng của chúng đối với con ngƣời.
Luận văn đƣợc chia thành 3 chƣơng với các nội dung nhƣ sau:

1


Chƣơng 1: Tổng quan, trình bày tổng quan về phóng xạ tự nhiên và
nguồn gốc của phóng xạ tự nhiên trong môi trƣờng.
Chƣơng 2: Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu. Chƣơng này tập

chung vào cơ sở lý thuyết và xây dựng hai phƣơng pháp đo phổ gamma hiện
trƣờng là: Phƣơng pháp hàm G(E) và phƣơng pháp diện tích đỉnh.
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận. Chƣơng này so sánh các kết quả đo
hoạt độ phóng xạ và suất liều gamma môi trƣờng của phƣơng pháp phổ kế
gamma hiện trƣờng với phƣơng pháp lấy mẫu và phân tích trong phòng thí
nghiệm. Từ đó chỉ ra ƣu điểm của phƣơng pháp đo phổ gamma hiện trƣờng.

2


Chƣơng 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 trƣớc khi hệ mặt trời đƣợc 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 tƣơng
đƣơng 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

235

U có chu kỳ bán tƣơng 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

Pb và

207

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 235U, 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 (T1/2 rất
bé) so với đồng vị đứng đầu nên hàm lƣợng của chúng trong đất đá rất thấp.
Chẳng hạn,

226

Ra là một mắt xích chủ yếu trong họ

238

U có chu kỳ bán rã

1600 năm, hàng triệu lần ngắn hơn so với 238U nên hàm lƣợng 226Ra trong đất

đá cũng thấp hơn hàng triệu lần 238U. Tuy nhiên, hoạt độ riêng tính trên đơn vị
khối lƣợng lại cao hơn hàng triệu lần. Hai ông bà Curie phải miệt mài nghiền
đập, hòa tách hàng tấn quặng uranium bằng phƣơng pháp thủ công mới tách

3


đƣợc 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 lƣợng trung bình
2,6%, lớn hơn nhiều so với thorium (7,2 ppm) và uranium (1,8 ppm). Nhƣng
kali chỉ chứa 0,01% đồng vị 40K và tỷ lệ này ổn định trong mọi môi trƣờng vì
đồng vị phóng xạ này đã có từ thời nguyên khởi cách nay hàng chục tỷ năm.
Hàm lƣợng trung bình của uranium trong vỏ Trái Đất là 1,8 ppm, trong
lớp đất bề mặt hàm lƣợng thƣờng cao hơn do U dễ bị hấp thụ bởi các phần tử
sét có kích thƣớc 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” đƣợc 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
lƣợng dao động từ vài phần trăm ppm trong các đá ultrabasic đến hàng chục
ppm trong granite. Còn ở các dị thƣờng và quặng phóng xạ, hàm lƣợng U
thƣờng lên đến hàng nghìn hoặc hàng vạn ppm.

4


Hàm lƣợng trung bình của

232

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

hàm lƣợng 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. 232Th thƣờng
xuất hiện trong các khoáng zircon, ở đó

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 thƣờng
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 Ai của bất cứ thành
viên i nào cũng đều nhƣ nhau và bằng hoạt độ phóng xạ của đồng vị mẹ Ai
nhƣ 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
đƣợc bổ sung từ môi trƣờng bên ngoài vào chuỗi do các quá trình địa hóa.
Hiện tƣợng 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 trƣờng. Thí dụ uranium có độ linh động
trong nƣớc cao hơn rất nhiều so với những nguyên tố con - cháu của nó nhƣ
230

Th hoặc 226Ra. Vì thế 230Th có hàm lƣợng rất thấp trong nƣớc ngầm.

226

Ra

dễ hòa tan trong môi trƣờng nƣớc có hàm lƣợng ion Cl- cao, nhƣng rất khó

5

hòa tan trong nƣớc có nhiều ion sulphate. Ngoài ra, 226Ra, 230Th và 238U trong
nƣớc ngầm đƣợc 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 đƣờng hô hấp xâm nhập vào cơ thể và trở thành nguồn chiếu trong chủ
yếu đối với con ngƣời.
Hai đồng vị cùng nguyên tố cũng có thể mất cân bằng phóng xạ nhƣ
trƣờng hợp cặp 234U - 238U. Khi hạt nhân 238U 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

234

U

giàu hơn trong nƣớc ngầm và nghèo đi trong khoáng vật so với 238U. Hạt nhân
giật lùi trong phân rã alpha cũng có thể tạo nên những đƣờng vết sai hỏng
trong tinh thể, qua đó các nguyên tử dễ bị chiết ra nƣớc 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 đƣợc 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.
Cƣờng độ tia vũ trụ có nguồn gốc thiên hà đến Trái Đất không biến đổi
theo thời gian và đẳng hƣớng. Thành phần chính của chúng là proton năng
lƣợng cao đến 30 GeV, chiếm đến 85%, sau đó (10%) là hạt nhân của những

nguyên tố nhẹ nhƣ 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 nhƣng không kịp đến trái đất trƣớc khi
bị phân rã β- biến thành proton với chu kỳ bán rã khoảng 15 phút. Trong khi

6


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 lƣợng 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 đƣợc gọi là các tia vũ trụ thứ cấp.
Nhƣ một nam châm khổng lồ, từ trƣờng của Trái Đất đã uốn quỹ đạo
các hạt tích điện trong tia vũ trụ làm cho chúng bật trở lại hoặc lƣợn vòng
quanh trƣớc khi đâm vào khí quyển. Theo đƣờng sức của từ trƣờng các hạt
tích điện hƣớng vào xích đạo sẽ có xu hƣớng lƣợn về hai cực làm cho cƣờng
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
lƣợng cao rất hiệu quả, nhờ đó đã giảm thiểu đáng kể tác hại đối với con
ngƣời 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 nƣớc biển.
1.3. Phơi nhiễm do phóng xạ tự nhiên(2, 3)
Con ngƣời 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.

7


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 trƣờng 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 nhƣ không đóng góp gì vào
phông phóng xạ trên mặt đất, chúng chỉ gây tác dụng khi thâm nhập vào cơ
thể qua con đƣờng 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
yếu là hai đồng vị
232

214

Pb và

214

238

U (chủ

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

Th (chủ yếu là 208Tl và 228Ac)(2,3). Bức xạ gamma của những đồng vị vừa kể

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
lƣợng các nhân phóng xạ có trong đất đá xung quanh, mà hàm lƣợng 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 lƣợng radium cao gấp ba lần mức trung bình
(42,77 Bq/kg), trong khi đó vùng đất xám miền Đông Nam Bộ nhƣ Bình
Phƣớc, Tây Ninh... lại rất nghèo phóng xạ, đặc biệt là 40K (và cả tổng kali) với
hàm lƣợng 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

8


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 ngƣời 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 nƣớc trên thế giới, phông gamma bên trong nhà
thƣờng cao hơn ngoài trời đến 20%. Thống kê cũng cho thấy trung bình con
ngƣời sống trong nhà đến 80% thời gian. Cho nên suất liều chiếu ngoài hiệu
dụng mà con ngƣời nhận đƣợc 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, nƣớc
uống và đƣờng hô hấp. Riêng với 40K, đồng vị này còn tồn tại trong các mô

9


nhƣ một thành phần đồng vị của kali với hàm lƣợng 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, ngƣời nặng 70 kg có thể xem nhƣ một nguồn phóng xạ hoạt độ
4000 Bq. 40K còn thâm nhập vào cơ thể qua thửc ăn. Hàm lƣợng

40

K 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 nhƣ 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). 222Rn phân rã α với chu kỳ
bán phân rã 3,82 ngày, nhƣng 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 nhƣ 214Bi, 214Pb... Khi radon thoát vào môi trƣờng
không khí, radon phân rã thành các sản phẩm sống ngắn gắn kết với sol khí có
kích thƣớc micron, từ đó xâm nhập sâu vào phổi theo đƣờng hô hấp và gây ra
liều chiếu trong. Hàm lƣợng 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 lƣợng 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 đƣợc 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

10

hoàn toàn trong thể tích không khí đó, và dm khối lƣợng là của thể tích
nguyên tố không khí đó.
X=

dQ
dm

(1.2)

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

Liều hấp thụ là tỉ số giữa năng lƣợng trung bình dE mà bức xạ truyền
cho khối lƣợng 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 lƣợng 1 June truyền cho 1 kg vật chất. 1 Gy = 1 J/kg
Đơn vị thƣờng 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.
1.4.3. Liều tƣơng đƣơng(4)
Liều hấp thụ tƣơng đƣơng hay liều tƣơng đƣơng H là đại lƣợng để đánh
giá mức độ nguy hiểm của các loại bức xạ, bằng tích của liều hấp thụ D với

11


hệ số chất lƣợng QF (Quality Factor) hay trọng số bức xạ WR đối với các loại
bức xạ. Trọng số bức xạ WR đƣợc đƣa trong bảng 1.2.
H = D ×WR

(1.4)

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

Suất liều tƣơng đƣơng H : là liều tƣơng đƣơng trong một đơn vị thời
.

gian H =

dH
dt

. Đơn vị suất liều tƣơng đƣơng trong hệ SI là Sv/s. Đơn vị khác

là Sv/h, rem/s hay rem/h. Các đơn vị thƣờng dùng trong thực tế µSv/h và
mrem/h với 1 mrem/h =10µSv/h.
Phông bức xạ tự nhiên: Là giá trị liều tƣơng đƣơng 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, nƣớc uống và trong cơ
thể con ngƣời 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

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

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

12

WR
1
5
10
10
20
20
5
5
20


1.4.4. Liều hiệu dụng(4)
Khi định nghĩa liều tƣơng đƣơng 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 lƣợng 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 lƣợng nào đó với trọng số

bức xạ WR, gọi là bức xạ loại R, chiếu vào mô T thì liều hấp thụ tƣơng đƣơng
đối với mô này là:
HT =  WR. DT,R

(1.5)

R

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 xƣơng
Phổi
Dạ dày
Ruột non
Mặt xƣơng
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

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 tƣơng
đƣơng đối với từng loại mô với trọng số mô tƣơng ứng.

13


E =

WT.HT =  WT (  WR.DT,R )
T

T

(1.6)

R

Đơn vị đo liều hiệu dụng trong hệ SI: đơn vị đo liều hiệu dụng trong hệ
SI cũng là Sievert (kí hiệu Sv) nhƣ đối với liều tƣơng đƣơng.

1.5. Tƣơng tác của bức xạ gamma với vật chất(5, 6)
Giống nhƣ 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

(1.7)

x

0

trong đó I0 là cƣờng độ γ trong chùm ban đầu, I là cƣờng 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 lƣợng 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

14


với không khí, chiều dày lớp suy giảm một nửa bằng khoảng 83 m, còn đối
với nhôm 3,7 cm.
Nhƣ 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 cm3, σ đƣợc đo bằng
đơn vị cm2 hoặc đơn vị bam.
Sự suy giảm chùm các tia γ khi chúng đi qua vật chất đƣợc xác định
bằng tất cả các loại tƣơng tác của chúng với vật chất này. Đó là hiệu ứng
quang điện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp và hiệu ứng tƣơng tác với các
hạt nhân. Hiệu ứng cuối cùng chỉ tƣơng 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 tƣơng tác của lƣợng tử γ với electron
nguyên tử, trong đó năng lƣợng hv0 của lƣợng tử γ bị tiêu hao để thắng sự liên
kết của electron trong nguyên tử và truyền cho nó một động năng, nghĩa là:
hv0=Elk+Ek

(1.10)

Trong biểu thức (1.10) trên Elk là năng lƣợng liên kết của electron trong
nguyên tử; Ek là động năng của quang điện tử. Sơ đổ mô tả hiệu ứng quang
điện đƣợc giới thiệu trên hình 1.3. Trong hiệu ứng quang điện, khi một

15


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 đƣợc lấp đầy bởi những elcctron tự do
trong môi trƣờng 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 trƣng 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 hƣởng đến hàm đáp ứng của detector.
Ngoài ra, trong một số trƣờng hợp, tia X đặc trƣng đƣợc 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 đƣợc gọi là electron Auger. Hai quá trình phát tia X đặc
trƣng và phát electron Auger cạnh tranh lẫn nhau.

Hình 1. 3: Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra trên electron tự do vì để thoả
mãn định luật bảo toàn xung lƣợng thì ngoài lƣợng 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 lƣợng của lƣợng tử γ lớn hơn năng lƣợng liên kết của electron. Đó là

16