Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu xác định suất liều chiếu riêng phần trên đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm - Ứng dụng khảo sát phóng xạ môi trường
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.13 MB, 72 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Ngơ Vũ Thiên Quang
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH
SUẤT LIỀU CHIẾU RIÊNG PHẦN
TRÊN ĐẦU DÒ NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm ỨNG DỤNG KHẢO SÁT
PHĨNG XẠ MƠI TRƯỜNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT
Thành phố Hồ Chí Minh - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Ngơ Vũ Thiên Quang
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH
SUẤT LIỀU CHIẾU RIÊNG PHẦN
TRÊN ĐẦU DÒ NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm ỨNG DỤNG KHẢO SÁT
PHĨNG XẠ MƠI TRƯỜNG
Chun ngành: Vật lí nguyên tử
Mã số
: 60440106
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. VÕ HỒNG HẢI
Thành phố Hồ Chí Minh - 2019
Lời cam đoan
Học viên xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân học viên
dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Hồng Hải. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận
trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất
kỳ hình thức nào. Trong quá trình thực hiện, học viên có tham khảo các tài liệu liên
quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và cấp thiết của luận văn. Việc tham khảo
các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng
quy định.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2019
Học viên
NGÔ VŨ THIÊN QUANG
Lời cám ơn
Trong q trình học tập và hồn thành luận văn thạc sĩ, tôi xin gửi lời cảm ơn
chân thành đến:
TS. Võ Hồng Hải đã tận tình chỉ bảo khơng những kiến thức cần thiết hồn
thành luận văn mà còn phương pháp làm việc khoa học. Thầy đã giúp đỡ tơi rất
nhiều khi gặp những khó khăn phát sinh, cùng nhau giải quyết những vấn đề trong
quá trình thực hiện luận văn.
Phịng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên –
Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã cung cấp số liệu thực nghiệm.
Quý thầy cô Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
cũng như quý thầy cô Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Kỹ thuật Hạt nhân, Khoa Vật lý –
Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia Thành
phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện cho tơi trong suốt q trình
học tập, thực hiện luận văn.
Q thầy cơ Phịng Sau Đại học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí
Minh đã hỗ trợ trong việc hoàn tất thủ tục, hồ sơ cần thiết trong khố cao học.
Các bạn trong khóa cao học 28 Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí
Minh, vui buồn có nhau trải qua khoảng thời gian học tập, cùng làm việc nhóm,
vượt thắng những kỳ thi hết mơn và hỗ trợ lẫn nhau hồn thành luận văn.
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã ủng hộ tơi về
nhiều mặt trong thời gian qua.
Luận văn thạc sĩ này hoàn thành là nhờ vào sự giúp đỡ của tất cả.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2019
Học viên
NGÔ VŨ THIÊN QUANG
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Lời cám ơn
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN .............................................................................. 4
1.1. Phóng xạ mơi trường tự nhiên .............................................................. 4
1.1.1. Nguồn gốc phóng xạ môi trường tự nhiên ..................................... 4
1.1.2. Chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên Actini, Urani, Thori ................. 6
1.1.3. Phóng xạ từ khí Radon và con cháu của Radon .......................... 12
1.2. Các đại lượng vật lý mô tả liều lượng bức xạ ..................................... 13
1.2.1. Kerma........................................................................................... 13
1.2.2. Liều hấp thụ ................................................................................. 15
1.2.3. Liều chiếu .................................................................................... 16
1.2.4. Liều chiếu, liều hấp thụ và kerma va chạm trong khơng khí ...... 18
1.2.5. Ví dụ minh họa so sánh kerma, liều chiếu, liều hấp thụ .............. 19
1.3. Xác định suất liều chiếu trong không khí bằng đầu dị nhấp nháy ..... 21
1.3.1. Mối tương quan giữa suất liều chiếu trong khơng khí và phổ
năng lượng .................................................................................... 21
1.3.2. Hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E) ........................................ 22
1.3.3. Suất liều chiếu riêng phần đỉnh và suất liều chiếu riêng phần
tổng do năng lượng gamma gây ra trong phổ suất liều chiếu ...... 23
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ TẢ THỰC NGHIỆM .................. 25
2.1. Phương pháp xác định suất liều chiếu trong khơng khí bằng đầu
dị nhấp nháy NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm............................................... 25
2.1.1. Xác định hàm G(E) ...................................................................... 25
2.1.2. Xác định hệ số DP(E) .................................................................. 27
2.2. Số liệu thực nghiệm ............................................................................ 27
2.2.1. Hệ đo NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm ................................................... 28
2.2.2. Các vị trí đo tại núi Châu Thới .................................................... 29
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 31
3.1. Phổ năng lượng và phổ suất liều chiếu tại 18 vị trí của núi Châu
Thới ..................................................................................................... 31
3.2. Xác định suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của núi Châu Thới ............ 34
3.3. Xác định suất liều chiếu riêng phần của một số đỉnh năng lượng
tại 18 vị trí của núi Châu Thới ............................................................ 36
3.3.1. Đỉnh năng lượng 238,6 keV của đồng vị Pb-212 ........................ 37
3.3.2. Đỉnh năng lượng 352,5 keV của đồng vị Pb-214 ........................ 40
3.3.3. Đỉnh năng lượng 1460,8 keV của đồng vị K-40 ......................... 42
3.3.4. Đỉnh năng lượng 2614,7 keV của đồng vị Tl-208 ....................... 44
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 48
PHỤ LỤC....................................................................................................PL1
Danh mục các chữ viết tắt
Chữ viết tắt
Tiếng Việt
VT
Vị trí
Danh mục các bảng
Bảng 1.1. Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Actini ...................... 8
Bảng 1.2. Một số thơng tin của chuỗi phân rã phóng xạ Urani ..................... 10
Bảng 1.3. Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Thori .................... 12
Bảng 2.1. Tọa độ địa lý của các vị trí khảo sát ở vùng núi Châu Thới ......... 30
Bảng 3.1. Giá trị suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của núi Châu Thới ........... 35
Bảng 3.2. Đồng vị phóng xạ được xác định từ phổ năng lượng đo bởi đầu
dò nhấp nháy NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm trong thí nghiệm khảo sát
núi Châu Thới ................................................................................. 37
Bảng 3.3. Giá trị suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 238,6 keV của Pb212 tại 18 vị trí của núi Châu Thới................................................. 38
Bảng 3.4. Giá trị suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 352,5 keV của Pb214 tại 18 vị trí của núi Châu Thới................................................. 40
Bảng 3.5. Giá trị suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 1460,8 keV của K-40
tại 18 vị trí của núi Châu Thới........................................................ 42
Bảng 3.6. Giá trị suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 2614,7 keV của Tl208 tại 18 vị trí của núi Châu Thới................................................. 44
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1. Bức xạ trong mơi trường đất và khơng khí ...................................... 5
Hình 1.2. Sơ đồ chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Actini ................................ 7
Hình 1.3. Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Urani........................................... 9
Hình 1.4. Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Thori ......................................... 11
Hình 1.5. Trường hợp cụ thể minh hoạ tính kerma, liều hấp thụ, liều
chiếu trong mơi trường khơng khí .................................................. 20
Hình 1.6. Hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E) của đầu dị NaI(Tl) 7,6
cm × 7,6 cm .................................................................................... 23
Hình 1.7. Hệ số DP(E) của đầu dị NaI(Tl) 7,6 cm x 7,6 cm ........................ 24
Hình 1.8. Phổ năng lượng hấp thụ (đen), phổ suất liều chiếu (xanh
dương) và suất liều chiếu riêng phần tổng (đỏ) của gamma
661,7 keV đo bởi đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm x 7,6 cm ........................ 24
Hình 2.1. Hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G(E) của đầu dị NaI(Tl) 7,6
cm × 7,6 cm được làm khớp bởi hàm đa thức bậc 9 ...................... 26
Hình 2.2. Hệ số DP(E) của đầu dò NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm được làm
khớp bởi hàm đa thức bậc 9 ........................................................... 27
Hình 2.3. Hệ đo đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm InSpectorTM
1000, Canberra Inc. ........................................................................ 28
Hình 2.4. Các vị trí thực hiện thí nghiệm ghi nhận phổ năng lượng phóng
xạ mơi trường tại núi Châu Thới .................................................... 29
Hình 3.1. Phổ năng lượng (đường màu xanh) và phổ suất liều chiếu
(đường màu đỏ) tại 18 vị trí của núi Châu Thới ............................. 34
Hình 3.2. So sánh suất liều chiếu tổng giữa 18 vị trí của núi Châu Thới ...... 36
Hình 3.3. Phổ năng lượng và phổ suất liều chiếu tại vị trí 3 của núi Châu
Thới với bốn đỉnh năng lượng được xác định ................................ 37
Hình 3.4. So sánh suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 238,6 keV của
đồng vị Pb-212 giữa 18 vị trí của núi Châu Thới ........................... 39
Hình 3.5. Mối tương quan giữa suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 238,6
keV của Pb-212 và suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của núi
Châu Thới ....................................................................................... 39
Hình 3.6. So sánh suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 352,5 keV của
đồng vị Pb-214 giữa 18 vị trí của núi Châu Thới ........................... 41
Hình 3.7. Mối tương quan giữa suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 352,5
keV của Pb-214 và suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của núi
Châu Thới ....................................................................................... 41
Hình 3.8. So sánh suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 1460,8 keV của
đồng vị K-40 giữa 18 vị trí của núi Châu Thới .............................. 43
Hình 3.9. Mối tương quan giữa suất liều chiếu riêng phần của đỉnh
1460,8 keV của K-40 và suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của
núi Châu Thới ................................................................................. 43
Hình 3.10. So sánh suất liều chiếu riêng phần của đỉnh 2614,7 keV của
đồng vị Tl-208 giữa 18 vị trí của núi Châu Thới ........................... 45
Hình 3.11. Mối tương quan giữa suất liều chiếu riêng phần của đỉnh
2614,7 keV của Tl-208 và suất liều chiếu tổng tại 18 vị trí của
núi Châu Thới ................................................................................. 45
Hình PL1. Suất liều chiếu riêng phần đỉnh được xác định bằng phần
mềm Colegram của 18 vị trí tại núi Châu Thới. ...........................PL1
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, hướng nghiên cứu phóng xạ mơi trường ngày càng được quan tâm
trong ngành vật lý hạt nhân. Bởi lẽ, phóng xạ mơi trường có mặt hầu hết khắp mọi
nơi (đất, đá, vật liệu xây dựng, khơng khí, từ bức xạ vũ trụ…). Do đó việc đánh giá
định tính qua việc phân tích các đồng vị có trong môi trường tại nơi cần quan tâm
và xác định định lượng về hoạt độ, suất liều hấp thụ, suất liều chiếu… của các đồng
vị đó là việc cực kỳ cần thiết trong việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của phóng xạ
lên con người và mơi trường sinh sống.
Thiết bị phổ biến nhất hiện nay sử dụng để đo suất liều chiếu trong khơng khí
là các đầu dị khí. Vì chúng gọn nhẹ, có thể xách tay tiện lợi đến khu vực cần khảo
sát. Tuy nhiên các đầu dị khí có khuyết điểm chỉ có thể cung cấp thơng tin về số
đếm, không thể cung cấp thông tin về năng lượng bức xạ. Nói cách khác, đầu dị khí
khơng giúp chúng ta phân biệt được suất liều chiếu đo được do đồng vị nào đóng
góp vào, ứng với mỗi năng lượng gamma khác nhau của đồng vị đó đóng góp suất
liều chiếu bao nhiêu trong suất liều chiếu tổng (suất liều chiếu riêng phần).
Từ năm 1966 với sự ra đời của các đầu dò đo được phổ năng lượng, điển hình
là đầu dị nhấp nháy NaI(Tl). Nhóm nghiên cứu của Shigeru Moriuchi và Ichiro
Miyagana [1] đã đưa ra phương pháp xác định suất liều chiếu trong khơng khí bằng
đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) thông qua hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G( E ) . Ưu
điểm của phương pháp này giúp xác định được suất liều chiếu từ phổ năng lượng đo
được.
Tiếp nối hướng nghiên cứu về suất liều chiếu sử dụng đầu dị nhấp nháy, có
hai nhóm nghiên cứu (1) Young-Yong Ji ở viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử
Hàn Quốc (Korea Atomic Energy Research Institute) [2]–[7] và (2) nhóm của
Kimiaki Saito ở viện năng lượng nguyên tử Nhật Bản (Japan Atomic Energy
Agency) [8]–[11], nghiên cứu về phương pháp xác định suất liều chiếu riêng phần
và thực hiện đánh giá phóng xạ trong mơi trường. Đối với nhóm Young-Yong Ji và
cộng sự, từ năm 1997 đến 2017, đã tiến hành nghiên cứu về phương pháp về xác
định suất liều chiếu cho các loại đầu dò nhấp nháy khác nhau với các kích thước
2
tinh thể khác nhau. Đặc biệt, nhóm đã phát triển phương pháp xác định suất liều
chiếu riêng phần ứng với từng đỉnh năng lượng dựa vào phổ năng lượng đo được
thông qua các hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G( E ) liên quan đến hàm đáp ứng
của đầu dò nhấp nháy và DP E liên quan đến sự ảnh hưởng của suất liều chiếu do
thành phần gamma tán xạ lên suất liều chiếu riêng phần tổng [2]–[7]. Đối với nhóm
của Kimiaki Sato và cộng sự, từ năm 2014 đến 2019, cũng phát triển phương pháp
xác định suất liều chiếu thông qua hàm G( E ) và áp dụng đánh giá một số vùng tại
Fukushima sau sự cố Fukushima.
Ngồi hai nhóm lớn trên, trên thế giới cũng có những nhóm khác nghiên cứu
và tăng độ chính xác về phương pháp này [12]–[14]. Điều này chứng tỏ phương
pháp này ngày càng được các nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong việc
xác định suất liều chiếu một cách chính xác hơn. Tuy nhiên tại Việt Nam việc xác
định suất liều chiếu (suất liều chiếu tổng và suất liều chiếu riêng phần) sử dụng đầu
dò ghi nhận phổ chưa phát triển, vì thế trong luận văn thạc sĩ này chúng tôi thực
hiện luận văn: Nghiên cứu xác định suất liều chiếu riêng phần trên đầu dò NaI(Tl)
7,6cm 7,6cm - Ứng dụng khảo sát phóng xạ mơi trường.
Về phương pháp xác định suất liều chiếu, từ phổ năng lượng đo được, cùng
với việc xác định hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G E cho đầu dị nhấp nháy
NaI(Tl) hình trụ kích thước 7,6cm 7,6cm , để từ đó thu được phổ suất liều chiếu.
Với phổ suất liều chiếu, có thể xác định được suất liều chiếu tổng thông qua tổng số
liệu từ phổ suất liều chiếu. Để xác định suất liều chiếu riêng phần ứng với các năng
lượng gamma, hệ số chuyển đổi DP E cho đầu dò NaI(Tl) được xác định.
Về phần áp dụng vào đánh giá về phóng xạ mơi trường, trong luận văn này,
chúng tơi phân tích cho 18 vị trí đo tại núi Châu Thới, tỉnh Bình Dương. Bộ số liệu
thực nghiệm đo phổ năng lượng phóng xạ mơi trường tại 18 vị trí khác nhau ở núi
Châu Thới được thực hiện bởi phịng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại
học Khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [15].
Nội dung luận văn được phân bố thành 03 chương chính:
3
Chương 1 trình bày về phóng xạ mơi trường, các định nghĩa về đơn vị phóng
xạ, phương pháp xác định suất liều chiếu cho đầu dò nhấp nháy NaI(Tl).
Chương 2 trình bày về các xác định hàm chuyển đổi suất liều chiếu G E và
DP E cho đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 7,6cm 7,6cm từ bộ số liệu
tham khảo, và trình bày về 18 vị trí đo phóng xạ mơi trường tại ở núi Châu Thới.
Chương 3 trình bày các kết quả đo được và phân tích số liệu để (1) xác định
phổ suất liều chiếu từ phổ năng lượng đo được, (2) xác định suất liều chiếu tổng và
suất liều chiếu riêng phần cho một số đỉnh năng lượng.
4
Chương 1
TỔNG QUAN
Trong chương này, chúng tơi trình bày nguồn gốc phóng xạ mơi trường, các
chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên, đại lượng vật lý mô tả liều lượng bức xạ và cách
xác định suất liều chiếu của không khí bằng đầu dị nhấp nháy qua hệ số chuyển đổi
suất liều chiếu G E và hệ số chuyển đổi suất liều chiếu riêng phần DP E .
1.1. Phóng xạ mơi trường tự nhiên
1.1.1. Nguồn gốc phóng xạ mơi trường tự nhiên
Phóng xạ mơi trường ln tồn tại xung quanh chúng ta, kể từ khi Trái Đất
được hình thành và phát triển sự sống. Mọi cá thể sống trên Trái Đất đều tiếp xúc
với các nguồn phóng xạ. Phóng xạ mơi trường có nguồn gốc từ các nguồn phóng xạ
tự nhiên và từ nguồn phóng xạ nhân tạo. Nguồn phóng xạ nhân tạo từ trong các lò
phản ứng hạt nhân, các vụ thử hạt nhân, nhà máy cơng nghiệp chiếu xạ, y tế (xạ trị,
chẩn đốn).
Nguồn phóng xạ tự nhiên là các chất đồng vị phóng xạ có trong đất, nước,
khơng khí, và từ bức xạ vũ trụ, chúng hình thành nên nền phơng phóng xạ tự nhiên.
Phóng xạ tự nhiên là nhân tố đóng góp chủ yếu trong phóng xạ mơi trường. Phơng
phóng xạ tự nhiên phụ thuộc vào hàm lượng chất phóng xạ tự nhiên chứa trong đất,
nước, khí của từng vùng và lượng bức xạ vũ trụ tại vùng đó, vì vậy sẽ có vùng có
phơng phóng xạ tự nhiên cao hoặc thấp khác nhau.
Bức xạ vũ trụ đến Trái Đất từ không gian bên ngoài gọi là bức xạ vũ trụ sơ
cấp, bức xạ vũ trụ sơ cấp đẳng hướng trong không gian và không đổi theo thời gian.
Chúng thường được xem như là các hạt tích điện bao gồm khoảng 86% proton, 12%
alpha, 1% electron và các hạt nhân nặng khác chiếm 1% [16], với phổ năng lượng
trải dài từ 109 eV (tương đương năng lượng của proton chuyển động đạt 43% vận
tốc ánh sáng) đến 1020 eV . Vì đa số bức xạ vũ trụ sơ cấp là những hạt tích điện nên
quỹ đạo chúng rất phức tạp do ảnh hưởng của từ trường Trái Đất.
Khi các bức xạ sơ cấp đến bầu khí quyển của Trái Đất, chúng tương tác với
các nguyên tử và phân tử mà chủ yếu là Oxy và Nitơ hình thành các bức xạ thứ cấp
5
và tiếp tục hướng đến bề mặt Trái Đất. Hiện tượng này gọi là mưa rào khí quyển.
Bức xạ thứ cấp bao gồm neutron, electron, muon, proton và các đồng vị phóng xạ
H-3, Be-7, Be-10, C-14, Na-22 có mặt trong khơng khí. Độ cao càng cao thì bức xạ
vũ trụ càng lớn.
Phóng xạ tự nhiên có trong đất do sự tồn tại từ các chuỗi phóng xạ Actini (U235), Urani (U-238), Thori (Th-232), Neptuni (Np-237) và đồng vị phóng xạ tự
nhiên K-40 không thuộc trong bốn chuỗi này. Hoạt độ của các đồng vị phóng xạ
này trong đất đá có thể thay đổi khác nhau, mức phóng xạ trong đất phụ thuộc vào
loại đất, sự tạo thành khoáng sản và mật độ khống sản. Mức chiếu xạ này có liều
trung bình trong một năm khoảng 0,45mSv [17]. Hình 1.1 tóm lược về các bức xạ
trong môi trường đất và không khí gây ảnh hưởng đến con người.
Hình 1.1. Bức xạ trong mơi trường đất và khơng khí [18]
Nước biển trong các đại dương có chứa Kali, Rubidi, Urani, Thori và Radi do
tách ra từ đất, đá rồi trơi theo dịng nước, hàm lượng của chúng trong nước nhỏ hơn
6
trong đất từ 10 đến 100 lần. Chất phóng xạ trong nước chủ yếu là do K-40 vì nồng
độ của nó cao hơn nhiều so với các đồng vị khác, chúng gây chiếu xạ lên cơ thể với
suất liều trung bình trong một năm đạt 0,25mSv [17].
Trong vật liệu xây dựng cũng chứa các đồng vị phóng xạ, thơng thường phần
lớn là các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Thành phần phổ biến trong bê tông là K-40 và
các sản phẩm của chuỗi phân rã Urani, Thori. Một số vật liệu xây dựng: xi măng, bê
tông, đá hoa cương, đá cẩm thạch đều có chứa một lượng Radon nhất định. Các vật
liệu được gia công từ phế liệu công nghiệp như xỉ lò cao, bột tro từ nhà máy nhiệt
điện đều có chứa Radi, sau khi Radi phân rã sẽ sinh ra khí Radon.
1.1.2. Chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên Actini, Urani, Thori
Khoảng 76 đồng vị phóng xạ tự nhiên khác nhau được biết đến ngày nay, phần
lớn nằm trong bốn chuỗi phân rã tự nhiên [19], đó là chuỗi Thori (đồng vị đặc trưng
là Th-232 với chu kỳ bán rã 1, 405 1010 năm), chuỗi Urani (đồng vị đặc trưng là U238 với chu kỳ bán rã 4, 468 109 năm), chuỗi Actini (đồng vị đặc trưng là U-235
với chu kỳ bán rã 7,038 108 năm), chuỗi Neptuni (đồng vị đặc trưng là Np-237
với chu kỳ bán rã 2,140 106 năm). Chuỗi Neptuni có thời gian sống ngắn hơn rất
nhiều so với tuổi của Trái Đất, nên đến nay chuỗi Neptuni khơng cịn tồn tại nữa.
Trong q trình phân rã phóng xạ, các đồng vị phóng xạ đặc trưng nói trên
phát ra (một hoặc đồng thời) ba loại phóng xạ: alpha, beta và gamma, tạo ra các
đồng vị phóng xạ con cháu. Một số sản phẩm phân rã trung gian trong chuỗi là
nguồn phát gamma. Các thành phần chính thể hiện trạng thái cân bằng cường độ
bức xạ của gamma cho mỗi phân rã của hạt nhân mẹ [20].
Trong đất và thực vật, một số đồng vị phóng xạ khác có mặt với chu kỳ bán rã
rất dài và khơng có trong bốn chuỗi phân rã tự nhiên. Đồng vị quan trọng nhất là
đồng vị phóng xạ K-40 (chu kỳ bán rã 1, 25 109 năm) trong đất và cây cối với tỷ lệ
K-40
0,012% là hằng số. Sự phân bố của đồng vị này khá đồng nhất.
K
7
a. Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Actini (U-235)
Trải qua nhiều lần phân rã, đồng vị U-235 cuối cùng thành đồng vị chì bền
vững Pb-207 (có độ phổ cập là 22,1% ). Hình 1.2 trình bày về sơ đồ phân rã của
chuỗi Actini. Trong chuỗi Actini có q trình phân rã tạo ra khí trơ Rn-219 có chu
kỳ bán rã 3,96 giây quá ngắn để vào trong khí quyển. Đây là lý do không khảo sát
đồng vị này trong mơi trường khơng khí xung quanh. Bảng 1.1 trình bày chi tiết về
chu kỳ bán ra từng đồng vị và các sản phẩm phân rã của chúng có trong chuỗi
Actini.
Hình 1.2. Sơ đồ chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Actini [21]
8
Bảng 1.1. Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Actini [22]
Đồng vị
phóng xạ
U-235
Th-231
Pa-231
Ac-227
Th-227
Phân rã
Chu kỳ bán rã
α
β
α
7,04×108 năm
25,52 giờ
32673 năm
α 1,38%
21772 năm
α
18,72 ngày
β 98,62%
β 99,98%
α 0,02%
α
β 97%
Năng lượng
Sản phẩm
(MeV)
4,678
Th-231
0,391
Pa-231
5,150
Ac-227
0,045
Th-227
Fr-223
Ra-223
At-219
Rn-219
Bi-215
Po-215
Pb-211
At-215
Bi-211
Po-211
Tl-207
Pb-207
22,0 phút
11,43 ngày
α 3%
56 s
α
β
α 99,99977%
3,98 giây
7,62 phút
β 0,00023%
1,78×10-3 giây
β
α
α 99,72%
36,1 phút
10-4 giây
β 0,28%
α
β
2,15 phút
0,52 giây
4,77 phút
bền
5,042
6,146
1,149
Fr-223
Ra-223
Ra-223
5,562
5,979
1,566
At-219
Rn-219
Rn-219
6,324
6,946
2,189
Bi-215
Po-215
Po-215
7,526
Pb-211
0,721
At-215
1,367
8,178
0,574
Bi-211
Bi-211
Po-211
6,750
7,594
1,418
Tl-207
Pb-207
Pb-207
b. Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Urani (U-238)
Đồng vị phóng xạ U-238 được tìm thấy trong hầu hết các loại đá, đất và vật
liệu xây dựng, trải qua 14 lần dịch chuyển, thành đồng vị chì bền vững Pb-206 (có
độ phổ cập là 24,1% ). Hình 1.3 là sơ đồ phân rã của chuỗi Urani. Đồng vị phóng xạ
Urani thiên nhiên gồm 0,714% U-235 và 99,3% U-238, tức tỉ lệ
U-235
0,72%,
U-238
vì thế đa số các đồng vị phóng xạ được phát hiện đều bắt nguồn từ chuỗi Urani (U-
9
238). Bảng 1.2 trình bày chi tiết về chu kỳ bán ra từng đồng vị và các sản phẩm
phân rã của chúng có trong chuỗi Urani.
Chuỗi phóng xạ Urani đáng chú ý nhất là đồng vị Ra-226 và khí Rn-222.
Nguyên tố Ra-226 trong môi trường không tồn tại dưới dạng khoáng chất riêng lẻ
mà tồn tại ở dạng muối clorua, bromua, nitrat dễ hoà tan trong nước hoặc một số
muối ít tan kết hợp với các khoáng chất khác như canxi cacbonat, oxit sắt ngậm
nước. Đồng vị Ra-226 phát ra nhiều bức xạ gamma, chiếm 85,5% bức xạ gamma
của cả dãy. Đối với khí Rn-222, khi U-238 phân rã trong đất thì khí Rn-222 được
sinh ra ngưng đọng thành chất lỏng dưới mặt đất, khi chất lỏng ở dưới mặt đất bốc
hơi vào khí quyển, Rn-222 sẽ khuếch tán vào bầu khí quyển, gây ảnh hưởng đến
sức khoẻ của con người.
Hình 1.3. Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Urani [21]
10
Bảng 1.2. Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Urani [22]
Đồng vị
phóng xạ
U-238
Th-234
Pa-234
U-234
Th-230
Ra-226
Rn-222
Phân rã
Chu kỳ bán rã
α
β
4,47×109 năm
24,10 ngày
β
α
β
α
α
α 99,98%
6,70 giờ
245500 năm
75380 năm
1601 năm
3,82 ngày
Po-218
β 0,02%
3,07 phút
Pb-214
β
α 99,90%
26,92 phút
At-218
β 0,10%
1,42 giây
Rn-218
α
36×10 giây
Năng lượng
Sản phẩm
(MeV)
4,270
Th-234
0,272
Pa-234
-3
2,195
4,858
4,770
4,871
5,590
6,615
U-234
Th-230
Ra-226
Rn-222
Po-218
Pb-214
0,260
At-218
1,019
Bi-214
6,874
Bi-214
2,881
7,263
3,270
Rn-218
Po-214
Po-214
Tl-210
Pb-210
Pb-210
Bi-214
β 99,979%
α 0,021%
Po-214
Tl-210
α
β
16,23×10-5 giây
1,30 phút
5,621
7,833
5,482
Pb-210
β
22,23 năm
0,063
Bi-210
Bi-210
β 99,99986%
5,011 ngày
1,162
Po-210
5,037
5,407
1,532
Tl-206
Pb-206
Pb-206
19,8 phút
α 0,00014%
Po-210
Tl-206
Pb-206
α
β
138,376 ngày
4,20 phút
bền
c. Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Thori (Th-232)
Xuất phát từ hạt nhân Th-232 (có độ phổ cập là 100%) trong tự nhiên, trải qua
10 lần dịch chuyển, trở thành đồng vị chì bền vững Pb-208 (có độ phổ cập là
52,4%). Hình 1.4 là sơ đồ chuỗi phân rã của Th-232. Thori phân tán rộng trên vỏ
Trái Đất, hàm lượng trung bình của Thori của lớp trên cùng của vỏ Trái Đất khoảng
1,2 105%. Hàm lượng Thori có xu hướng tăng dần trong các lớp bề mặt. Đó là do
các khống chất chứa Thori có độ hồ tan cực kỳ thấp. Do đó, kết quả theo sau các
11
q trình phong hố là các thành phần khác nhau của đất bị phân huỷ ở mức độ rất
lớn trong khi các khoáng chất Thori phân huỷ ở mức độ thấp hơn, vì vậy Thori ở
các lớp bề mặt được làm giàu. Nên Thori được tìm thấy trong hầu hết các loại đất,
đá, vật liệu xây dựng, bê tông và gạch. Bảng 1.3 trình bày chi tiết về chu kỳ bán ra
từng đồng vị và các sản phẩm phân rã của chúng có trong chuỗi Thori.
Hình 1.4. Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Thori [21]
12
Bảng 1.3. Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Thori [22]
Đồng vị
phóng xạ
Th-232
Ra-228
Ac-228
Th-228
Ra-224
Rn-220
Po-216
Pb-212
Bi-212
Po-212
Tl-208
Pb-208
Phân rã
Chu kỳ bán rã
α
β
1,41×1010 năm
5,75 năm
β
α
α
α
α
β
6,15 giờ
1,91 năm
3,63 ngày
55,8 giây
0,148 giây
10,64 giờ
β 64,07%
α 35,93%
α
β
Năng lượng
Sản phẩm
(MeV)
4,082
Ra-228
0,458
Ac-228
60,55 phút
2,99×10-9 giây
3,058 phút
bền
2,124
5,520
5,789
6,405
6,906
0,570
Th-228
Ra-224
Rn-220
Po-216
Pb-212
Bi-212
2,252
Po-212
6,207
8,954
4,999
Tl-208
Pb-208
Pb-208
1.1.3. Phóng xạ từ khí Radon và con cháu của Radon
Khí Radon (khí trơ) là sản phẩm của các chuỗi phân rã cùng với các đồng vị
con cháu của nó là thành phần đóng góp vào phơng nền. Các thành phần đó bao
gồm Rn-222 (chu kỳ bán rã là 3,8 ngày) trong dãy phân rã phóng xạ Urani, Rn-219
(chu kỳ bán rã là 3,96 giây) trong dãy phân rã phóng xạ Actini và Rn-220 (chu kỳ
bán rã là 55,6 giây) trong dãy phân rã phóng xạ Thori.
Trong khơng khí gần mặt đất, hoạt độ của khí Radon thay đổi theo gió và thời
tiết. Trong phịng thơng hơi kém, hoạt độ khí Radon thay đổi từ 0,1 đến 10 Bq/m 3
[23] với hoạt độ trung bình vào khoảng 3,7 Bq/m 3 , chủ yếu là Rn-222 do có chu kỳ
bán rã dài. Bức xạ gamma từ phân rã của Rn-222 chủ yếu đến từ đồng vị con cháu
Pb-214 (chu kỳ bán rã là 26,8 phút), Bi-214 (chu kỳ bán rã là 19,9 phút) và Pb-210
(chu kỳ bán rã là 22,3 năm).
Khí Radon khuếch tán từ đất, vật liệu xây dựng vào khơng khí, con cháu của
Radon phóng xạ thường ở dạng rắn ở các điều kiện thông thường và bám vào các
hạt bụi khí quyển, khi con người hít bụi sẽ gây ra sự chiếu trong cơ thể rất có hại.
Lượng Radon trong nhà ở phụ thuộc vào vùng địa lý, vào mùa trong năm và các yếu
13
tố địa lý, khí hậu… Trong các phịng kín lượng Radon lớn hơn rất nhiều so với ở
ngoài trời, nếu vượt quá mức cho phép là một trong những nguyên nhân gây nên
ung thu phổi. Sống liên tục trong nhà có lượng Radon vào khoảng 150 Bq/m3 thì
nguy cơ tử vong do ung thư phổi tăng thêm từ 1 đến 3% [24].
1.2. Các đại lượng vật lý mô tả liều lượng bức xạ
1.2.1. Kerma
Khi các gamma tương tác với môi trường vật chất, chúng sẽ sinh ra các hạt
mang điện (electron, positron) và truyền toàn bộ năng lượng E ' hay truyền một
phần năng lượng đó cho các hạt mang điện này dưới dạng động năng. Các hạt mang
điện thứ cấp này có thể có các động năng khác nhau, tuỳ thuộc vào kiểu tương tác
và mức năng lượng liên kết trong nguyên tử.
Gọi Etr là năng lượng trung bình mà bức xạ truyền cho các hạt mang điện
trong một vùng thể tích trong một khoảng thời gian. Khi đó, hệ số kerma K tại một
điểm trong vùng thể tích đang xét là [25]
K
dEtr
dm
(1.1)
trong đó dm là vi phân khối lượng vật chất tại điểm đang xét đó.
Vậy kerma (kinetic energy released per mass unit) được định nghĩa là năng
lượng mà chùm gamma truyền cho các hạt mang điện trong mỗi đơn vị khối lượng
tại điểm đang xét. Hay cụ thể hơn, kerma là tổng tất cả động năng ban đầu của các
hạt mang điện được sinh ra bởi chùm gamma trong một thể tích xác định của vật
chất chia cho khối lượng vật chất chứa trong thể tích đó [25]. Giá trị trung bình
kerma trong một vùng thể tích chứa khối lượng vật chất m là K
Etr
. Đơn vị của
m
kerma được quy đổi như sau
1Gy 1J/kg 102 rad 104 erg/g
(1.2)
2
Nếu biết thông lượng năng lượng J/m gây bởi nguồn gamma đơn năng
tại một điểm thì có thể tính kerma thơng qua hệ số suy giảm truyền năng lượng khối
14
tr
, hệ số này đặc trưng cho năng lượng của gamma và số nguyên tử Z của vật
E ,Z
chất. Khi đó
K tr
E ,Z
(1.3)
1
ở đây tr m được gọi là hệ số truyền năng lượng và thường được xác định bằng
3
thực nghiệm, kg/m là mật độ của mơi trưởng vật chất.
Nếu xét tồn bộ phổ năng lượng từ
' E
E 0
đến
E Emax
thì
d
J.m 2 .keV 1 là hàm vi phân theo năng lượng dE keV mà chùm
dE
gamma để lại, khi ấy
K
Emax
tr
dE
E ,Z
' E
0
(1.4)
Sau khi chùm gamma đơn năng E ' y tương tác môi trường vật chất sinh ra các
hạt mang điện có các động năng khác nhau, các hạt mang điện này sẽ mất năng
lượng theo hai dạng sau [25]:
-
Do va chạm với các electron khác trong nguyên tử vật chất. Gọi năng
lượng trung bình các hạt mang điện mất đi do va chạm là Een .
-
Do phát bức xạ (bức xạ hãm, huỷ cặp). Gọi năng lượng mà các hạt mang
điện mất đi do phát bức xạ là Er .
Vậy động năng trung bình của các hạt mang điện có thể được tách thành hai
thành phần [25]
Etr Een Er
(1.5)
Kerma K tỉ lệ với Etr nên kerma K cũng được chia thành kerma va chạm K c
và kerma phát bức xạ K r [25]
K Kc K r
và K r và K c được tính tương tự như K
(1.6)
15
Kr
dEr
dm
(1.7)
Kc
dEen
dm
(1.8)
Mặt khác, K c có thể được tính bằng thông lượng năng lượng gây bởi chùm
gamma đơn năng thông qua hệ số hấp thụ năng lượng khối en , khi đó
E ,Z
K c en
E ,Z
(1.9)
Ngồi ra ta có thể tính được suất kerma là kerma tính trong một đơn vị thời
gian trong vùng thể tích xác định của vật chất [25]
K
dK d dEtr
dt dt dm
(1.10)
Giá trị kerma trong khoảng thời gian từ t0 đến t1 là [25]
t1
K t0 , t1 K t dt
(1.11)
t0
Giả sử suất kerma là hằng số thì [25]
K t0 , t1 K t1 t0
(1.12)
đây cũng là giá trị trung bình của kerma trong khoảng thời gian t1 t0 .
1.2.2. Liều hấp thụ
Liều hấp thụ là năng lượng trung bình nhận được trên một đơn vị khối lượng
của vật chất từ bức xạ [17]. Gọi Eab là năng lượng của bức xạ để lại do sự ion hoá
trong đối tượng bị chiếu xạ, thì liều hấp thụ tại một điểm trong vùng thể tích đang
xét là
D
dEab
dm
(1.13)
