Đề tài Vật lý: Xác định nồng độ phóng xạ trong đá grant

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài Vật lý: Xác định nồng độ phóng xạ trong đá grant trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu; đối tượng và phương pháp nghiên cứu; thực nghiệm về việc xác định nồng độ phóng xạ trong đá grant. Với các bạn chuyên ngành Vật lý thì đây là tài liệu hữu ích.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài Vật lý: Xác định nồng độ phóng xạ trong đá grant

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM TP. HOÀ CHÍ MINH Khoa Vaät Lyù  Leâ Thò Luïa Ñeà taøi: Người hướng dẫn: TS. TRẦN VĂN LUYẾN  Thaønh phoá Hoà Chí Minh, thaùng 5 naêm 2008
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này, ngoài những nỗ lực của bản thân, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ và động viên của quý thầy cô, gia đình và bè bạn. Xin cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình tới : TS. Trần Văn Luyến –Người thầy đã truyền cho em nhiệt tình nghiên cứu khoa học, kiến thức chuyên môn, đóng góp những ý kiến và kinh nghiệm quý báu, những động viên và chỉ bảo tận tình. TS. Thái Khắc Định, người thầy đã định hướng, chỉ bảo và tạo cho em lòng tự tin trong thời gian thực hiện luận văn. Quý thầy, cô khoa Vật Lý trường ĐH Sư phạm TP HCM đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích, để mai đây em vững bước vào đời. Các thầy và các anh chị phòng An toàn bức xạ và môi trường – Trung tâm hạt nhân TP HCM đã chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình thực nghiệm tại Trung tâm. Các bạn lớp Lý K30, đặc biệt là bạn Nguyễn Thị Yến Duyên, Lê Bá Mạnh Hùng, Dương Thế Cường đã tận tình giúp đỡ, động viên mình trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Xin gửi lời tri ân đến bố mẹ và gia đình vì tình yêu thương và những hi sinh mà mọi người đã dành cho con. Lê Thị Lụa
PHẦN NỘI DUNG Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Vài nét về hiện tượng phóng xạ Phóng xạ là một hiện tượng tự nhiên xuất hiện từ thuở khai thiên lập địa, nhưng đã bị bỏ quên cho đến năm 1896 khi Henri Becquerel tình cờ phát hiện các bức xạ từ muối của uranium. Sau đó, năm 1899 Pierre và Marrie Curie tìm ra hai chất phóng xạ mới là polonium và radium. Năm 1934, Frederic Jiolot và Iren Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo của phospho và nitrogen. Phát minh này đã mở ra một kỷ nguyên của phóng xạ nhân tạo. Theo định nghĩa [2], phóng xạ là biến đổi tự xảy ra của hạt nhân nguyên tử, đưa đến sự thay đổi trạng thái hoặc bậc số nguyên tử hoặc số khối của hạt nhân. Khi chỉ có sự thay đổi trạng thái xảy ra, hạt nhân sẽ phát ra tia gamma mà không biến đổi thành hạt nhân khác, khi bậc số nguyên tử thay đổi sẽ biến hạt nhân này thành hạt nhân của nguyên tử khác, khi chỉ có số khối thay đổi hạt nhân sẽ biến thành đồng vị khác của nó. Các công trình nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng phóng xạ đã xác nhận sản phẩm phân rã phóng xạ của hạt nhân gồm: + Tia alpha: là chùm các hạt tích điện dương, bị lệch trong điện trường và từ trường, dễ bị các lớp vật chất mỏng hấp thụ. Về bản chất, tia alpha là chùm các hạt nhân của nguyên tử Helium ( 42 He ). + Tia beta: cũng bị lệch trong điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu hơn tia alpha. Về bản chất, tia beta là các electron (   ) hoặc các positron (   ). + Tia gamma: không chịu tác dụng của điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu vào vật chất. Về bản chất, tia gamma là các photon có năng lượng cao. 1.2. Nguồn gốc phóng xạ Phóng xạ có ở khắp mọi nơi: trong đất, nước, không khí, thực phẩm, vật liệu xây dựng, kể cả con người - một sản phẩm của môi trường. Nguồn phóng xạ được chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo. 3
Nguồn phóng xạ tự nhiên là các chất đồng vị phóng xạ có mặt trên trái đất, trong nước hay trong bầu khí quyển. Nguồn phóng xạ nhân tạo do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc. Hình 1 [23]: Nền phóng xạ 1.2.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên Các nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy - có từ khi tạo thành trái đất và vũ trụ - nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ - được tia vũ trụ tạo ra. 1.2.1.1 Nhóm đồng vị phóng xạ nguyên thủy Phông phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và khi trái đất được hình thành. Chúng có chu kỳ bán rã ít nhất khoảng vài triệu năm, gồm có uranium, thorium và con cháu của chúng, cùng với một số nguyên tố phóng xạ khác tạo thành bốn họ phóng xạ cơ bản: họ Thorium 232Th (4n); họ Uranium 238U (4n+2); họ Actinium 235 U (4n+3) và họ phóng xạ nhân tạo 241 Neptunium Pu (4n+1). Các đặc điểm của 3 họ phóng xạ tự nhiên: + Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu với thời gian bán rã được dùng để tính tuổi mẫu vật địa chất. + Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các 222 đồng vị khác nhau của nguyên tố Radon: trong họ Uranium là 86 Ra (radon); trong họ Thorium là 220 86 Rn (thoron); trong họ Actinium là 219 86 Rn (actinon). Trong họ phóng xạ nhân tạo Neptunium không có thành viên khí phóng xạ. + Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ tự nhiên đều là chì: 206 Pb 207 208 trong họ Uranium, Pb trong họ Actinium và Pb trong họ Thorium. Trong 4
209 Bi Ngoài các đồng vị phóng xạ trong 4 họ phóng xạ cơ bản trên, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp. Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là 40 K , rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng K trong đất đá là 27 g/kg và trong đại dương ~380 mg/lít), trong thực vật, động vật và cơ thể người (hàm lượng K trung bình trong cơ thể người khoảng 1,7 g/kg). 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 232 230 228 226 224 222 220 218 216 214 212 210 208 Hình 2: Họ Thorium (4n) Ký hiệu: Phân rã Beta Phân rã Alpha 5
92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 235 233 231 229 227 225 223 221 219 217 215 213 211 209 207 Hình 3: Họ Actinium (4n+3) 6
92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 238 236 234 232 230 228 226 224 222 220 218 216 214 212 210 208 206 Hình 4: Họ Uranium (4n+2) Một đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là 14 C với chu kỳ bán rã 5600 năm. 14 C là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân 14 N . Trước khi xuất hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của 14 C trong khí quyển khoảng 1,5.1011 MBq (4MCi), trong thực vật khoảng 4,8.1011 MBq (13MCi), trong đại dương khoảng 9.1012 MBq (240 MCi). Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng 14 C . Cho đến năm 1960, tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.1011 MBq (3MCi). Cacbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí CO2 , đi vào cơ thể động 7
vật qua quá trình hô hấp và vào thực vật qua quá trình quang hợp nên được sử dụng để đánh giá tuổi các mẫu khảo cổ vật liệu hữu cơ thông qua các số liệu hoạt độ riêng 14 C của chúng. Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên quan trọng nhất được dẫn ra trong bảng dưới đây. Bảng 1: Đặc trưng của 40K và các nhân chính của 3 họ phóng xạ.[1] Nhân Chu kỳ bán hủy Hàm lượng/ Hoạt độ tự nhiên 235 U 7,04.108 năm 0,72% uran tự nhiên 238 U 4,47.109 năm 99,2745% uran tự nhiên, 0,5-0,7 ppm uran trong đá 232 Th 1,41.1010 năm 1,6-20 ppm trong đá vôi, trung bình 10,7 ppm 226 Ra 1,6.103 năm 16 Bq/kg trong đá vôi, 48 Bq/kg trong đá nóng chảy 222 Rn 3,82 ngày 0,6-28 Bq/m3 trong không khí 40 K 1,28.1010 năm 37-1000 Bq/kg trong đất 1.2.1.2 Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ  Các đồng vị phóng xạ được tạo thành từ tia vũ trụ: Bức xạ vũ trụ lan khắp không gian, chúng tồn tại chủ yếu ngoài hệ Mặt trời của chúng ta. Bức xạ có nhiều dạng, từ những hạt nặng có vận tốc rất lớn đến các photon năng lượng cao và các hạt muyon. Tầng trên của khí quyển trái đất tác dụng với nhiều loại tia vũ trụ và làm sinh ra các nhân phóng xạ. Phần lớn các nhân phóng xạ này có thời gian bán rã ngắn hơn các nhân phóng xạ tự nhiên có trên trái đất. Bảng 2 trình bày các nhân phóng xạ chính có nguồn gốc từ vũ trụ. Bảng 2: Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ[1] Nhân T 1/2 Nguồn Hoạt độ 14 C 5730 năm Ttvt 14N(n,p)14C 220 Bq/kg trong vật liệu hữu cơ 3 H 12,3 năm Ttvt N và O 6Li(n,  )3H 1,2.10-3 Bq/kg 7 Be 53,28 ngày Ttvt với N và O 0,01 Bq/kg Ttvt: tương tác vũ trụ 10 26 26 80 Các nhân phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ khác là Be , Al , Cl , Kr , 14 32 39 22 35 37 32 33 38 24 38 18 38 34 m C, Si , Ar , Na , S, Ar , P, P, Mg , Na , S, F, Cl , Cl . 8
 Bức xạ vũ trụ: Cùng với các nhân phóng xạ tạo nên khi tia vũ trụ tương tác với lớp khí quyển, bản thân các tia vũ trụ cũng góp phần vào tổng liều hấp thụ của con người. Bức xạ vũ trụ được chia làm hai loại là bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp. Bức xạ vũ trụ sơ cấp được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kỳ cao (lên đến 108 eV), đa phần là proton cùng với một số hạt khác nặng hơn. Phần lớn các tia vũ trụ sơ cấp đến từ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta và chúng cũng đã được tìm thấy trong không gian vũ trụ. Một số ít bắt nguồn từ mặt trời do quá trình cháy sáng của mặt trời. Một số nhỏ bức xạ vũ trụ sơ cấp xuyên xuống bề mặt trái đất còn phần lớn chúng tương tác với khí quyển. Khi tương tác với khí quyển, chúng sinh ra các bức xạ vũ trụ thứ cấp hoặc ánh sáng mà ta có thể nhìn thấy trên mặt đất. Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ có năng lượng thấp hơn, bao gồm việc hình thành các photon ánh sáng, các electron, các neutron và các hạt muyon rơi xuống mặt đất. Lớp khí quyển và từ trường trái đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che chắn các tia vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt của trái đất. Như vậy, liều bức xạ con người nhận được sẽ phụ thuộc vào độ cao mà người ấy đang ở: từ bức xạ vũ trụ, hàng năm con người có thể nhận một liều cỡ 0,27mSv và sẽ tăng lên gấp đôi nếu độ cao tăng 2000 m. Lượng bức xạ vũ trụ trên mặt biển chỉ giảm 10% từ vùng cực tới xích đạo nhưng tại độ cao khoảng 20000 m thì mức giảm này là 75%. Rõ ràng là có sự ảnh hưởng của địa từ trường của trái đất và từ trường của mặt trời lên các bức xạ vũ trụ sơ cấp. 1.2.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo Loài người đã sử dụng phóng xạ trong 100 năm trở lại đây và qua đó bổ sung vào nguồn phóng xạ tự nhiên những sản phẩm của con người. Chúng chỉ là một lượng rất nhỏ so với lượng phóng xạ có sẵn trong tự nhiên, và vì chu kỳ bán rã của chúng ngắn nên hoạt độ của chúng đã giảm đáng kể từ khi ngừng thử vũ khí hạt nhân trên trái đất. 9
1.2.2.1 Vũ khí hạt nhân Rơi lắng từ các vụ thử vũ khí hạt nhân là nguồn phóng xạ nhân tạo lớn nhất trong môi trường. Dấu hiệu của bom hạt nhân là các sản phẩm phân hạch 235 của U và 239 Pu . Dấu hiệu của phản ứng nhiệt hạch là Triti đi kèm các phản ứng phân hạch thứ cấp khi neutron nhanh tương tác với U ở lớp vỏ bọc ngoài. Các 238 đồng vị phóng xạ khác cũng được tạo ra do kết quả của việc bắt neutron với các vật liệu làm bom và không khí xung quanh. Một trong những sản phẩm quan trọng nhất là 14 C được tạo ra do phản ứng sau 14 N (n,p) 14 C làm cho hàm lượng 14 C trong khí quyển tăng gấp đôi vào giữa những năm 1960. Từ khí quyển, các đồng vị phóng xạ sẽ lắng đọng trên địa cầu dưới dạng rơi lắng tại chỗ (12%), nằm trên tầng đối lưu (10%) và tầng bình lưu (78%). Rơi lắng ở tầng bình lưu là rơi lắng toàn cầu và 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 3 H và 14 C đi vào các chu trình khí quyển, thủy quyển và sinh quyển toàn cầu. Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào khí quyển qua các vụ thử vũ khí hạt nhân là 3.107 Sv/người với 70% là 14 C ; các đồng vị khác như 137 Cs , 90 Sr , 95 Zr và 106 Ru chiếm phần còn lại. 1.2.2.2 Điện hạt nhân Chương trình hạt nhân dân sự bắt đầu từ lò phản ứng Calder Hall ở tây bắc nước Anh năm 1956. Số các lò phản ứng hạt nhân tăng nhanh, cho đến cuối năm 2002, theo thống kê của IAEA, điện hạt nhân đã chiếm 16% sản lượng điện toàn thế giới và đang có chiều hướng gia tăng. Các đồng vị phóng xạ thải vào môi trường đều từ các chu trình nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ, nghiền Uran, sản xuất và tái chế các thanh nhiên liệu. Việc thải các chất phóng xạ từ các nhà máy điện có thể lên đến cỡ TBq/năm hoặc nhỏ hơn. 1.2.2.3 Tai nạn hạt nhân Khoảng 150 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân đã xảy ra, lớn nhất là tai nạn Chernobyl xảy ra ở Ucraina 1986 gây nên sự nhiễm bẩn phóng xạ bởi các chất thải rắn và lỏng - là hỗn hợp các hợp chất hóa học và các đồng vị phóng xạ. Ngoài ra, một số nhân phóng xạ nhân tạo còn được tạo thành từ các khu chứa chất thải phóng xạ, các chất thải rắn hay đồng vị phóng xạ nhân tạo đánh dấu. 10
1.3 Radon- đồng vị phóng xạ dạng khí trơ, rất nguy hiểm Radon là một đồng vị phóng xạ thuộc các chuỗi phóng xạ tự nhiên. Radon-222 của chuỗi uranium-238, radon-220 của chuỗi thorium-232 và radon- 119 của chuỗi uranium-235, thường được gọi là các radon và các thoron. Radon và thoron là các khí trơ, chúng không tham gia bất kỳ hợp chất hóa học nào. So với radon-220 và radon-119, độ nguy hiểm phóng xạ của radon-222 rất cao do chu kỳ bán hủy bởi phân rã phóng xạ là 3,5 ngày trong khi chu trình bán hủy của thoron là 55 giây và của radon-119 là 4 giây. Radon là tác nhân gây nguy cơ ung thư hàng đầu trong các chất gây ung thư phổi. Trong không khí, radon và thoron ở dạng nguyên tử tự do, sau khi thoát ra từ vật liệu xây dựng, đất, đá và những khoáng vật khác, chúng phân rã thành chuỗi các đồng vị phóng xạ con cháu mà nguy Hình 5: Radon phát ra tia hiểm nhất là polonium-218. Polonium-218 phân rã phóng xạ [22] alpha với chu kỳ bán hủy 3,05 phút, đủ cho một vài chu trình thở trong hệ thống hô hấp của con người. Polonium-218 bay trà trộn cùng với các hạt bụi có kích cỡ nanomet và micromet tạo thành các sol khí phóng xạ. Các sol khí phóng xạ này có kích thước khoảng vài chục micromet nên có thể được hít vào qua đường thở và tai hại hơn, chúng có thể bị lưu giữ tại phế nang. Tại phế nang, polonium-218 phân rã alpha phát ra các hạt nhân heli - hạt alpha có điện tích 2e-, khối lượng nguyên tử là 4. Các hạt alpha có năng lượng rất cao sẽ bắn phá nhân tế bào phế nang gây ra các sai hỏng nhiễm sắc thể, tác động tiêu cực đến cơ chế phân chia tế bào. Một phần năng lượng phân rã hạt nhân truyền cho hạt nhân phân rã, làm các hạt nhân này bị giật lùi. Năng lượng giật lùi của các hạt nhân radon có thể đủ để phá vỡ các phân tử protein trong tế bào phế nang. Kết quả là xác suất gây ung thư do radon khá cao. Như vậy việc xác định hàm lượng sol khí phóng xạ gây ra bởi radon - tức xác định radon rất quan trọng với mục đích giám sát cảnh báo nguy cơ ung thư phổi trong đời sống cộng đồng, trong các khu hầm mỏ, trong nhà ở và đặc biệt trong phòng ngủ và phòng làm việc. Theo luật môi trường Mỹ, mức cho phép khí radon trong nhà ở là < 4pCi/l/năm tương đương 0,148 Bq/l/năm hay 148 Bq/m3/năm. Theo tiêu chuẩn an toàn bức xạ của cơ quan năng lượng nguyên tử 11
quốc tế (IAEA) nồng độ khí radon trong nhà ở của dân chúng không được vượt quá dải từ 200 đến 600 Bq/m3/năm nghĩa là từ 0,6 đến 1,7 Bq/m3/ngày.  Radon trong vật liệu xây dựng Tất cả các loại vật liệu xây dựng đều chứa một lượng lớn các nhân phóng xạ tự nhiên, chủ yếu là urani, thori và các đồng vị phóng xạ của kali. Sự chiếu xạ từ vật liệu xây dựng có thể chia làm 2 loại: chiếu ngoài và chiếu trong. Nguyên nhân của sự chiếu ngoài là do các tia gamma trực tiếp. Sự chiếu trong là kết quả của việc hít thở khí radon (222Rn), thoron (220Rn) và những sản phẩm phân rã có thời gian sống ngắn của chúng. 222 Rn là một phần của chuỗi phân rã của uranium- nhân phóng xạ có trong các loại vật liệu xây dựng. Vì là một khí trơ nên radon có thể dễ dàng di chuyển trong khoảng không gian rất nhỏ hẹp giữa những phân tử của đất, đá…đi đến bề mặt và thâm nhập vào không khí, gây đến 50% liều hấp thụ hàng năm của chúng ta.[10] Mặc dù hầu như tất cả các loại đất, đá đều chứa một lượng uranium nhất định nhưng lượng trung bình cao hơn cả được tìm thấy trong các mẫu đất, đá có nguồn gốc granite, phốt phát và những loại đá phiến sét. Vì thế hàm lượng radon phụ thuộc rất mạnh vào vật liệu: những vật liệu xây dựng có nguồn gốc granite sẽ cho hàm lượng radon cao nhất, các vật liệu gốm sét, gạch xỉ than cũng là vật liệu chứa nhiều radon. Các loại khoáng sản có nguồn gốc trầm tích như ilmenhite, rutile, zircon, monazite rất giàu phóng xạ và cũng là các nguồn phát radon. Đối với các phần nhà ở tiếp xúc trực tiếp với mặt đất, một lượng lớn khí radon trong nhà có nguồn gốc từ lớp đất nằm bên dưới ngôi nhà bên cạnh lượng radon phát ra từ vật liệu xây dựng. Đối với những căn hộ ở tầng cao thì lượng khí radon trong nhà có nguồn gốc chủ yếu từ vật liệu xây dựng. Vật liệu xây dựng cũng là nguồn quan trọng nhất của khí thoron (220Rn) trong nhà. Tuy nhiên, do thời gian bán huỷ ngắn (55 giây) nên chúng không quan trọng bằng Rn-222 về mặt an toàn phóng xạ. Khí thoron trong nhà có thể là một nguồn quan trọng của sự chiếu trong trong một vài điều kiện hiếm hoi khi mà có một lượng lớn thorium tập trung trong vật liệu xây dựng. 12
Vì những lí do này mà trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về phóng xạ trong vật liệu xây dựng: - A.F. Hafez, A.S. Hussein và N.M. Rasheed (Ai Cập) [16] đo tốc độ xạ khí radon và thoron, hoạt độ riêng của Ra-226, Ra-224, các thuộc tính vật lý: hệ số phát xạ, hệ số khuếch tán khí radon của một số mẫu vật liệu xây dựng bằng các đầu dò vết hạt nhân bằng polime LR-115, CR-39. Và xác định hàm lượng Ra thu được bởi phương pháp tự chụp bằng tia phóng xạ alpha. - M.I.Al-Jarallah, F.Abu-Jarad và Fazal-ur-Rehman (Ả rập Xê Út) [17], đo tốc độ xả khí radon bằng phương pháp chủ động và thụ động, trong những mẫu granit, marble, gạch men. Trong phương pháp chủ động, dùng một máy tính nối với một máy phân tích nguồn phóng xạ chứa trong bình kín. Còn trong phương pháp thụ động dùng một detecter vết hạt nhân PM-355 với kỹ thuật hàn kín container nhốt mẫu trong 180 ngày. So sánh tốc độ xạ khí đo bằng hai phương pháp trên thấy có một mối liên quan tuyến tính với hệ số là 0,7. Vận tốc xạ khí radon trong mẫu granit là 0,7 Bqm-2h-1 cao hơn gấp đôi so với marble và gạch men. - Lubomir Zikovsky (Canada) [18] đã đo tốc độ xạ khí radon trong 11 loại vật liệu xây dựng (55 mẫu khác nhau) phổ biến, thu được kết quả như sau: tốc độ xạ khí từ < 0,1 nBqg-1s-1 tới 19 nBq g-1s-1 (hay từ < 0,1 nBq cm-2 s-1 tới 22 nBq cm-2 s-1). - Xinwei Lu và Xiaolan Zhang (Trung Quốc) [19] đã xác định hoạt độ phóng xạ của Ra-226, K-40, Th-232 của 7 loại vật liệu xây dựng phổ biến và những sản phẩm của nhà máy nhiệt điện từ Baoji, phía tây Trung Quốc bằng hệ phổ kế gamma với detector NaI(Tl). Giá trị hoạt độ riêng thay đổi từ 23,0 tới 112,2; 20,2 tới 147,5; từ 113,2 tới 890,8 Bq/kg đối với Ra-226, Th-232, K-40. - Phóng xạ tự nhiên mà nguyên nhân do sự có mặt của Ra-226, Th-232, K- 40 trong vật liệu xây dựng ở Jordan được J.Al-Jundi, W.Salah,M.S.Bawa’aneh và F. Afaneh[20] đo bằng hệ phổ kế gamma với detector gemani siêu tinh khiết. Hoạt độ trung bình của trong các mẫu vật liệu khác nhau thay đổi từ 27,7 ±7,5 tới 70,4±2,8; 5,9±0,67 tới 32,9±3,9 và 30,8 ±0,87 tới 58,5±1,5 của Ra-226, Th-232, K-40. Hoạt độ Ra tương đương nhỏ hơn giới hạn tiêu chuẩn 370 Bq/kg [14]. 13
- Lu X (Lu, Xinwei) (Trung Quốc)[21] phân tích phóng xạ trong đá marble bằng hệ phổ kế gamma với detector NaI(TI) thu được hoạt độ của Ra-226, Th- 232, K-40 tương ứng là 8,4 tới 157,4; từ 5,6 tới 165,5 và 44,1 tới 1352,7 Bq/kg. Hàm lượng nhân phóng xạ còn thay đổi theo màu sắc và vị trí của marble: hoạt độ của Ra-226, Th-232, K-40 trong đá marble màu trắng, xám, đen, xanh và vàng nhỏ hơn trong đá marble nâu và đỏ. Hoạt độ Ra tương đương, liều chiếu trong và liều chiếu ngoài trung bình hằng năm cũng được tính toán và so sánh với giá trị quốc tế. Tuy Việt Nam chưa thực hiện nghiên cứu một cách có hệ thống để xác định hàm lượng của các nhân phóng xạ trong vật liệu xây dựng và đánh giá những ảnh hưởng của chúng đến sức khỏe của con người nhưng đã có một số công trình nghiên cứu xác định hàm lượng phóng xạ lấy đối tượng là các loại đất, đá… [5], [1], [6], [7]. Đến năm 2006, một nghiên cứu đầu tiên mở đầu cho việc nghiên cứu phóng xạ trong vật liệu xây dựng là luận án tốt nghiệp của Phùng Thị Cẩm Tú [4], đã xác định hoạt độ phóng xạ trong một số vật liệu xây dựng thông dụng. Tuy những phát hiện ban đầu có tính cảnh báo nhưng đó mới chỉ là những số liệu sơ bộ cho nhiều loại vật liệu xây dựng khác nhau. Để nghiên cứu một cách bài bản và chi tiết hơn cần có những dự án và đề tài khoa học nghiêm túc. Sau một loạt bài báo tranh luận về vấn đề này, bộ Khoa Học và Công Nghệ cùng bộ xây dựng bắt tay vào nghiên cứu dự thảo tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN397/2007 về độ phóng xạ trong vật liệu xây dựng ban hành ngày 06/07/2007 đúng một năm sau khi công bố bài báo “Trong gạch có phóng xạ” trên Việt Nam net (04/06/2006). Cũng trong năm 2007, viện năng lượng nguyên tử Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu vấn đề này: đánh giá độ phóng xạ trong vật liệu xây dựng trên địa bàn Tp HCM theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCXDVN 397/2007). Luận văn này thực hiện một phần nhỏ công việc của đề tài: “ Xác định độ phóng xạ trong đá granit” 14
Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng của luận văn là đá ốp lát granit, sử dụng phương pháp đo bằng hệ phổ kế gamma phông thấp của trung tâm hạt nhân Tp. HCM 2.1. Đá granit granit là loại đá lửa xâm nhập (được kết tinh ở sâu dưới mặt đất), với thành phần đá felsic (giàu silica và chứa hơn 10% khoáng chất felsic) và phanerit, kết cấu subeuhedral (khoáng chất mà tinh thể có thể nhìn thấy bằng mắt thường và một trong số chúng vẫn giữ nguyên được hình dáng tinh thể nguyên thủy). Granit là loại đá xâm nhập phổ biến nhất có thể tìm thấy ở các châu lục. Đá granit là loại đá đa công dụng vì nó có thể dùng để lát tường phía ngoài của căn nhà, làm bậc tam cấp, cầu thang, mặt kệ bếp, phòng tắm…thậm chí xây tường tạo sự sang trọng cho ngôi nhà. Đá granit có thành phần chủ yếu là thạch anh, fenfat và một ít mica, khối lượng riêng 2600 – 2700 kg/m3, cường độ nén 1200 – 2500 kg/cm2. Đá granit được xẻ trên dây chuyền hiện đại, qua nhiều công đoạn cắt gọt và mài dũa nhiều lần để lộ vân đá và độ bóng của sản phẩm, độ dày chuẩn của granit ốp lát từ 2~3 cm. [26] 2.1.1. Giả thuyết về sự thành tạo granit Tất cả các giả thuyết về nguồn gốc đá granit có thể nhóm thành hai hướng sau: 2.1.1.1. Nguồn gốc macma của granit: + Macma granit nguyên sinh + Macma granit là kết quả phân dị macma bazơ + Macma granit tái nóng chảy [9] 2.1.1.2. Sự thành tạo granit bằng con đường trao đổi biến chất Thuyết biến chất (học thuyết Transformist), tức thuyết thành tạo granit bằng con đường trao đổi biến chất rất phổ biến ở Tây Âu cũng như ở Nga. Granit hóa là quá trình mà trong đó những đá ở trạng thái cứng biến thành đá granit mà không trải qua giai đoạn macma. Những người thuộc trường phái này cho rằng granit có thể được thành tạo từ các đá nguyên thủy khác do các quá trình trao đổi biến chất. Trong quá trình granit hóa nó thu nhận oxit K 2 O, Na 2 O 15
và SiO 2 và thải CaO, MgO và FeO để biến những đá ban đầu không phải granit thành granit. Người ta phân biệt hai phương thức granit hóa: + Khuếch tán vật chất qua màng mỏng giữa các hạt + Khuếch tán vào môi trường cứng. Hiện nay đa số cho rằng granit được thành tạo do khuếch tán vật chất qua màng mỏng, ở đó không có mối liên kết ion đồng nhất. Granit hóa xảy ra ban đầu do sự phá hủy khoáng vật màu của đá nguyên thủy và thành tạo plagiocla bị thay thế bởi fenfat kali tạo kiến trúc gậm mòn. Cuối cùng nó thu nhận SiO 2 làm cho các đá giàu thạch anh Nói tóm lại đa số các nhà nghiên cứu đều thừa nhận có hai cách thành tạo các đá có thành phần granit: Do kết tinh từ macma granit và do trao đổi biến chất. Hiện nay một số nhà nghiên cứu cho rằng granit hóa liên quan tới macma granit, một số khác lại coi granit hóa xảy ra dưới ảnh hưởng của dòng xuyên macma và dần dần làm nóng chảy thành macma [9]. 2.1.2. Thành phần khoáng vật Thành phần khoáng vật của granit được trình bày ở bảng 3. Hàm lượng khoáng vật trong nhóm như sau: plagiocla axit - 30%, fenfat kali – 30%, thạch anh – 30%, 10% là biotit và khoáng vật phụ. Vì vậy chỉ số màu của granit bằng 10%. Granit có chỉ số màu thấp hoặc cao ứng với granit sáng màu và granit sẫm màu. Plagiocla trong granit là anbit-oligocla N0 10-25, đôi khi chúng có cấu tạo đối với nhân có thành phần andezin. Khoáng vật thứ sinh phát triển theo plagiocla axit là serixit, còn phần nhân có andezin sẽ bị tập hợp xuotxuarit thay thế. Fenfat kali-natri trong graniotit có thể khác nhau, thành phần của chúng phụ thuộc vào điều kiện thành tạo và tuổi của khối đá xâm nhập, thường gặp là octocla và microclin có độ trật tự cao, mạng song tinh. Trong các đá có tuổi trẻ hơn (granit kainozoi) thì fenfat thường là kiểu nhiệt độ cao – sanidin và anoctocla. Trong granit thường gặp sự phân hủy pectit, chỉ trừ những đá trẻ vẫn bảo tồn sanidin và anoctocla cấu trúc đồng nhất. 16
Biotit là loại chứa nhiều sắt, màu nâu, đa sắc rõ, bị thay thế bởi clorit, đôi khi mutcovit. Hocblen trong granit có màu lục hoặc nâu bị clorit và actinolit thay thế. Pyroxen trong granit là hypecten sắt, hiếm hơn có pyroxen một xiên – ogit. Điểm đặc trưng của granit là lượng khoáng vật phụ nhiều và thành phần của nó cao (bảng 3) Bảng 3: Khoáng vật tạo đá của granit.[3] Khoáng vật Nhóm khoáng vật Nguyên sinh Thứ sinh Plagiocla axit Serixit Fenfat kali Kaolinit Chính Thạch anh Biotit Clorit Hocblen Actinolit, clorit Py roxen thoi Secpentin Thứ yếu Pyroxen một xiên Actinolit,clorit Mutcovit Apatit Ziacon Titanit Phụ Octit Rutin Manhetit Theo nghiên cứu [8] độ phóng xạ tiềm tàng trong granit được chứa trong các khoáng vật phụ sau: Titanite, Ziacon, Apatite, Fluorite, Allanite, Monazite, Pyrite, Hematite, Ilmenite. Granit có thành phần khoáng vật như đã mô tả ở trên, được chia ra các thể tùy theo thành phần khoáng vật màu. Phổ biến nhất là granit biotit. Đó là đá có hạt kết tinh hoàn toàn có màu xám sáng. Khi bị biến đổi hoặc bị phong hóa thì có màu phớt hồng, vì fenfat kali bị nhuốm màu khi biến đổi và thành phớt hồng do phân tán mịn của oxyt sắt, có trong thành phần của đá dưới dạng tạp chất. Đôi 17
khi granit biến đổi có màu phớt lục hoặc phớt nâu do có xuất hiện epidot và hydroxit sắt trong đá. Hiếm hơn còn gặp granit mutcovit. Nếu trong granit có cả hai loại mica thì gọi là granit hai mica. Cuối cùng còn gặp granit hocblen và granit hocblen-biotit. Rapakivi là granit hocblen-biotit được phân biệt bởi kiến trúc ovoit – tinh thể fenfat kali kích thước lớn (đến vài centimet) màu hồng bị bao quanh bởi riềm oligocla màu lục. Sacnokit – là granit hypecten, thường gặp trong granit tuổi tiền cambri 2.1.3. Thành phần hóa học Hàm lượng oxyt kim loại kiềm trong granit chiếm gần 8% trong đó kali trội hơn natri. Bảng 4: Thành phần hóa học của granit.[3] Oxyt Thành phần % SiO 2 69,21 TiO 2 0,41 Al 2 O 3 14,41 Fe 2 O 3 1,98 FeO 1,67 MnO 0,12 MgO 1,15 CaO 2,19 Na 2 O 3,48 K2O 4,23 P2O5 0,30 H2O 0,85 Tổng 100,00 Granit là một nguồn bức xạ của môi trường tự nhiên thông thường nhất, granit chứa 10 ~ 20 ppm U (tương đương 120~ 240 Bq/kg). Do vậy khi granit được sử dụng trong xây dựng thì cần phải đánh giá độ an toàn về mặt phóng xạ của chúng. 18
2.2. Phương pháp nghiên cứu Có nhiều phương pháp phân tích phóng xạ như phương pháp hóa phóng xạ, phương pháp đo phổ alpha, nhấp nháy lỏng, và khối phổ kế, phương pháp phân tích kích hoạt neutron, phương pháp đo phổ gamma phông thấp. Các phương pháp đo hóa phóng xạ được dùng để xác định cho các nguồn phát alpha, beta và các đồng vị phóng xạ tự nhiên mức dưới 103pg/g. Phương pháp phân tích kích hoạt neutron dùng để phân tích các đồng vị phóng xạ tự nhiên nhưng không thuận lợi vì cần phải có nguồn neutron (lò phản ứng hạt nhân, máy phát neutron, nguồn neutron đồng vị). Hơn nữa, phương pháp này lại không thể xác định được Cs137 và Ra226. Phương pháp đo tổng alpha và beta chỉ cho phép xác định hoạt độ tổng cộng mà không cho phép xác định hoạt độ các nhân phóng xạ quan tâm trong mẫu cần đo. Phương pháp đo phổ alpha cũng cho phép xác định hoạt độ của các hạt nhân đồng vị trong dãy uranium và thorium nhưng quá trình xử lý mẫu rất phức tạp. Phương pháp đo phổ gamma có khả năng đo trực tiếp các tia gamma do các nhân phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách các nhân phóng xạ ra khỏi chất nền của mẫu, giúp ta xác định một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ trong mẫu. Trong điều kiện phòng thí nghiệm và mức hàm lượng nguyên tố trong mẫu cỡ  g/g, phương pháp phổ kế gamma phông thấp được sử dụng để phân tích các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong các mẫu vật liệu xây dựng. Phương pháp đo hàm lượng các nhân phóng xạ bằng hệ phổ kế gamma phông thấp dựa trên cơ sở lý thuyết về tương tác của tia gamma với vật chất. Bức xạ hạt nhân bao gồm các loại hạt mang điện như tia alpha, beta hay các bức xạ điện từ như tia gamma, tia X có cường độ và năng lượng xác định. Quá trình phân rã alpha và beta thường kèm theo phân rã gamma vì sau khi phân rã alpha và beta, hạt nhân phóng xạ mẹ biến thành hạt nhân con thường nằm ở trạng thái kích thích. Khi hạt nhân con chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản nó có thể phát ra một số tia gamma. Tia gamma là một dạng của sóng điện từ song có tần số hay năng lượng rất lớn. Khi phân rã gamma hạt nhân Z AX không thay đổi các giá trị Z và A. 19
Khi bức xạ đi vào môi trường vật chất bên trong của một detector ghi bức xạ, các tương tác vật lý xuất hiện, nó sinh ra một tín hiệu điện. Đây là cơ sở vật lý của việc ghi nhận bức xạ. Tín hiệu điện ban đầu rất bé, sau một loạt các quá trình biến đổi và khuếch đại trong các thiết bị điện tử, tín hiệu thu được thể hiện lên trên màn hình dạng xung (số đếm). Các máy phân tích phóng xạ đều sử dụng nguyên lý này để đo ghi phóng xạ. Hệ pgổ kế gamma là thiết bị ghi nhận và và phân tích phóng xạ hiện đại nhất. 2.2.1. Hệ phổ kế gamma 2.2.1.1. Cấu tạo Hình 7 mô tả sơ đồ cấu tạo của hệ phổ kế gamma phông thấp. Hệ phổ kế gamma phông thấp bao gồm Detector Germanium siêu tinh khiết để thu nhận các bức xạ gamma phát ra từ mẫu vật cần đo rồi chuyển chúng thành các tín hiệu điện để có thể xử lý được bằng các thiết bị điện tử đi kèm. Detector có đường kính 5,34 cm; chiều cao 3,20 cm; thể tích 71,1 cm3 . Detector được nuôi bằng nitơ lỏng (- 1960C) và được đặt trong buồng chì giảm phông. Hình 6: Hệ phổ kế gamma phông thấp + Buồng chì được thiết kế theo kích thước buồng chì của hãng Canberra USA và Ortec USA. Chì được dùng là chì thỏi của Liên Xô. Các phép đo hoạt độ phóng xạ riêng của mẫu chì này tại trung tâm phân tích và môi trường thuộc Viện 238 232 40 nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cho thấy hoạt độ các đồng vị U, Th, K của mẫu chì này giống các mẫu chì tốt, có thể tạo nên buồng chì phông thấp. Buồng chì có dạng hình trụ với đường kính trong D in = 30 cm, đường kính ngoài 20