Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Xây dựng quy trình phân tích hoạt độ 238U, 232Th, 40K của mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế Gamma Gmx 35p470

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:120

Thêm vào BST

Báo xấu

81
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Xây dựng quy trình phân tích hoạt độ 238U, 232Th, 40K của mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế Gamma Gmx 35p470 trình bày sơ lược về hệ phổ kế gamma GMX-35P470, hiệu chuẩn đầu dò GMX-35P470, quy trình phân tích hoạt độ cụ thể trên hệ phổ kế GMX-35P470.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Xây dựng quy trình phân tích hoạt độ 238U, 232Th, 40K của mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế Gamma Gmx 35p470

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Đống Thị Như Ý XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘ 238U, 232Th, 40K CỦA MẪU MÔI TRƯỜNG ĐẤT TRÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA GMX-35P470 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thành phố Hồ Chí Minh – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Đống Thị Như Ý XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘ 238U, 232Th, 40K CỦA MẪU MÔI TRƯỜNG ĐẤT TRÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA GMX-35P470 Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN Thành phố Hồ Chí Minh – 2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và Cô hướng dẫn. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Đống Thị Như Ý
LỜI CẢM ƠN Cách đây hai năm, khi còn là cô sinh viên năm cuối, tôi còn nhớ như in cảm giác vui mừng và đầy tự hào sau khi bảo vệ thành công luận văn tốt nghiệp đại học. Những kỉ niệm trong ngày tốt nghiệp, những đóa hoa, lời chúc, ánh mắt, nụ cười đầy tình cảm mà ba mẹ, những người yêu thương và bạn bè dành cho tôi sẽ theo tôi đến suốt cuộc đời. Thời gian thấm thoát trôi, giờ đây, tôi lại bảo vệ luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của mình. Không còn cái thời chỉ ăn, chơi và học, bây giờ tôi lại phải đi dạy suốt tuần, đi làm thêm buổi tối vì cuộc sống nên thời gian eo hẹp dần, tôi gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình đi học và làm luận văn cả về mặt tư duy, thời gian và tinh thần. Để có thể hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ. Nay, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất từ tận đáy lòng đến:  Toàn thể thầy cô khoa Vật lý trường Đại học Sư Phạm TPHCM. Thầy cô, những người đưa đò cần mẫn đã truyền đạt những kiến thức bổ ích cho tôi.  Đặc biệt, Cô TS. Trương Thị Hồng Loan - người Cô hướng dẫn ý tưởng luận văn, giải đáp thắc mắc của tôi và chỉnh sửa để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn Cô!  Thầy ThS. Hoàng Đức Tâm đã tạo điều kiện cho tôi xay đất trong quá trình làm luận văn.  Xin cảm ơn ba mẹ đã hỗ trợ mọi mặt từ vật chất đến tinh thần cho tôi.  Cuối cùng, tôi gửi lời cảm ơn đến các bạn trong nhóm gamma và đến bạn Vũ Ngọc Ba đã nhiệt tình giúp đỡ. Dù có thế nào đi nữa thì bạn vẫn rất đặc biệt với tôi. Chân thành cảm ơn. Đống Thị Như Ý
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT .................................................. 6 1.1. Nguồn gốc phóng xạ môi trường................................................................ 6 1.1.1. Đồng vị phóng xạ nhân tạo .................................................................. 6 1.1.2. Đồng vị phóng xạ tự nhiên .................................................................. 6 1.1.3. Phông bức xạ gamma ......................................................................... 10 1.2. Hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường đất ........................................... 11 1.2.1. Sơ lược về đất .................................................................................... 11 1.2.2. Nguồn gốc của hoạt độ phóng xạ trong đất ....................................... 12 1.2.3. Mục đích của việc nghiên cứu hoạt độ phóng xạ trong đất ............... 13 1.3. Các đặc trưng hệ phổ kế ........................................................................... 14 1.3.1. Độ phân giải năng lượng ................................................................... 14 1.3.2. Hiệu suất ghi nhận của đầu dò ........................................................... 15 1.3.3. Những ảnh hưởng lên hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ............. 18 1.3.4. Chuẩn năng lượng .............................................................................. 21 1.3.5. Giới hạn tới hạn L C (số đếm)............................................................. 21 1.3.6. Giới hạn phát hiện L D (số đếm) ......................................................... 22 1.3.7. Giới hạn phát hiện hoạt độ MDA (Bq) .............................................. 24 1.3.8. Giới hạn phát hiện nồng độ MDC (Bq/ kg) [19] ............................... 25 1.3.9. Hiệu chỉnh phân rã ............................................................................. 25 1.3.10. Hiệu chỉnh tự hấp thụ....................................................................... 26 1.3.11. Hệ số hiệu chỉnh trùng phùng .......................................................... 26 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU MÔI TRƯỜNG ĐẤT .... 28 2.1. Nguyên tắc ................................................................................................ 28 2.2. Phương pháp lấy mẫu ............................................................................... 30 2.2.1. Khảo sát ban đầu ở một vùng đất ...................................................... 30 2.2.2. Các phương pháp lấy mẫu ................................................................. 30
2.3. Kế hoạch lấy mẫu ..................................................................................... 32 2.3.1. Lựa chọn khu vực và đơn vị lấy mẫu ................................................ 33 2.3.2. Phương pháp lấy mẫu theo xác suất .................................................. 33 2.3.3. Phương pháp lấy mẫu phi xác suất .................................................... 34 2.4. Quy trình lấy mẫu ..................................................................................... 34 2.5. Cách lấy mẫu đất ...................................................................................... 37 2.5.1. Lấy mẫu đất hình trụ .......................................................................... 37 2.5.2. Lấy mẫu đất theo khung vuông hoặc khung tròn .............................. 37 2.5.3. Lấy mẫu ở các tầng đất ...................................................................... 38 2.5.4. Lấy mẫu đất từ các mương rãnh ........................................................ 38 2.5.5. Lấy mẫu từ độ sâu của các lõi khoan................................................. 39 2.6. Xác định hoạt độ phóng xạ trên mặt đất................................................... 39 2.6.1. Xác định hoạt độ phóng xạ sử dụng dữ liệu trên mặt đất .................. 39 2.6.2. Xác định hoạt độ phóng xạ sử dụng dữ liệu ở tất cả các tầng đất ..... 40 2.7. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................ 41 2.7.1. Phân loại và đóng gói mẫu................................................................. 41 2.7.2. Vận chuyển và lưu trữ mẫu................................................................ 41 2.7. 3. Xử lý mẫu ......................................................................................... 42 2.8. Sơ lược các bước phân tích hoạt độ phóng xạ.......................................... 43 2.8.1. Đóng gói mẫu cho các mục tiêu đo khác nhau. ................................. 43 2.8.2. Phông nền phòng thí nghiệm ............................................................. 44 2.9. Phân tích các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế gamma .......................................................................................... 44 2.9.1. Phát hiện 238U ..................................................................................... 44 2.9.2. Phát hiện 232Th ................................................................................... 45 2.9.3. Phát hiện 40K ...................................................................................... 45 2.9.4. Một số phương pháp xác định hàm lượng 238U, 40K, 232Th trong mẫu môi trường đất .................................................................................... 45
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 48 3.1. Sơ lược về hệ phổ kế gamma GMX-35P470 ........................................... 48 3.1.1. DSP .................................................................................................... 49 3.1.2. Đầu dò GMX-35P470 [8] .................................................................. 49 3.1.3. Buồng chì giảm phông ....................................................................... 50 3.1.4. Thiết bị X- Cooler ............................................................................. 50 3.2. Hiệu chuẩn đầu dò GMX-35P470 ............................................................ 51 3.2.1. Bố trí thí nghiệm ................................................................................ 51 3.2.2. Chuẩn năng lượng .............................................................................. 52 3.2.3. Chuẩn độ rộng đỉnh phổ .................................................................... 54 3.2.4. Chuẩn hiệu suất ghi của detector đối với nguồn điểm ...................... 54 3.2.5. So sánh hiệu suất thực nghiệm và hiệu suất mô phỏng bằng phần mềm Angle đối với nguồn điểm ......................................................... 57 3.2.6. Hiệu suất ghi nhận của đầu dò GMX-35P470 đối với nguồn Marinelli ............................................................................................ 59 3.3. Quy trình phân tích hoạt độ cụ thể trên hệ phổ kế GMX-35P470 ........... 61 3.3.1. Quy trình phân tích mẫu đất .............................................................. 62 3.3.2. Kết quả phân tích hoạt độ của 238U, 232Th, 40K trong mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470........................................... 67 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 75 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................ 77 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 79
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Bq Becquerel Phân rã/giây TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh ADC Analog-to-Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số MCA Multi Channel Analyzer Máy phân tích đa kênh FWHM Full Width Half Maximum Độ rộng nửa chiều cao đỉnh phổ HPGe Hyper pure Germanium Germanium siêu tinh khiết MDA Minimum Detectable Activity Giới hạn phát hiện hoạt độ LD Detection Limit Giới hạn phát hiện LC Critical Limit Giới hạn tới hạn MDC Minium Detectable Concentration Giới hạn phát hiện nồng độ. TDTT Thể dục thể thao. DSP Digital signal Processing Bộ xử lý tín hiệu kĩ thuật số. PTN Phòng Thí Nghiệm TN Thí Nghiệm
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Nồng độ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất .............................. 12 Bảng 3.1. Bảng các đồng vị chuẩn đã biết năng lượng gamma và số kênh .............. 58 Bảng 3.2. Hiệu suất ghi nhận của detector GMX-35P470 ở các vị trí khác nhau so với nguồn. ....................................................................................................... 61 Bảng 3.3. So sánh hiệu suất thực nghiệm và mô phỏng nguồn điểm. ....................... 64 Bảng 3.4. Hiệu suất ghi nhận của đầu dò GMX-35P470 đối với nguồn chuẩn dạng Marinelli ............................................................................................ 66 Bảng 3.5. Hiệu suất của đầu dò GMX-35P470 đối với mẫu chuẩn dạng Marinelli .. 67 Bảng 3.6. Giới hạn phát hiện MDA (Bq) và MDC (Bq/kg) trong mẫu BC-20 ......... 75 Bảng 3.7. Kết quả phân tích hoạt độ trong mẫu đất BC-20. ...................................... 76 Bảng 3.8. Kết quả phân tích hoạt độ 238U, 232Th, 40K trong mẫu BC-20 ................... 77 Bảng 3.9. Bảng kết quả hoạt độ 238U, 232Th, 40K trong mẫu môi trường đất (Bq/kg) trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470 ............................................................... 78
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Họ Uranium (4n+2) ................................................................................... 9 Hình 1.2. Họ actinium (4n+3).................................................................................... 9 Hình 1.3. Họ Thorium (4n) ........................................................................................ 10 Hình 1.4. Các tầng đất ............................................................................................... 11 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tạo mẫu để phân tích hoạt độ phóng xạ trong đất. ............ 31 Hình 2.2. Sơ đồ lựa chọn phương pháp lấy mẫu ....................................................... 35 Hình 2.3. Các khu vực lấy mẫu ................................................................................. 47 Hình 3.1. Sơ đồ hệ phổ kế gamma ............................................................................. 54 Hình 3.2. Thiết bị xử lý tín hiệu kĩ thuật số (DSP) (ORTEC) ................................... 54 Hình 3.3 Cấu trúc đầu dò GMX-35P470 ................................................................... 55 Hình 3.4. Thiết bị X-Cooler III của hệ phổ kế GMX-35P470................................... 56 Hình 3.5. Phổ phông môi trường và phổ thực nghiệm 54Mn ..................................... 57 Hình 3.6. Đồ thị đường chuẩn năng lượng theo số kênh ........................................... 59 Hình 3.7. Đồ thị đường chuẩn FWHM theo năng lượng ........................................... 60 Hình 3.8. Đồ thị đường cong hiệu suất chuẩn đối với nguồn điểm ........................... 62 Hình 3.9. Đồ thị so sánh hiệu suất ghi nhận của detector GMX-35P470 giữa thực nghiệm và mô phỏng bằng Angle ...................................................... 65 Hình 3.10. Hiệu suất ghi nhận của đầu dò GMX-35P470 đối với nguồn chuẩn dạng Marinelli ........................................................................................... 68 Hình 3.11. Sơ đồ lấy mẫu. ......................................................................................... 70 Hình 3.12. Bộ dụng cụ lấy đất ở các độ sâu khác nhau ............................................. 71 Hình 3.13. Phơi đất đến khi đất khô tại trường Đại học Khoa học Tự Nhiên TPHCM, quận Thủ Đức .......................................................................... 72 Hình 3.14. Đóng mẫu đất ........................................................................................... 73 Hình 3.15. Kích thước hộp Marinelli tính theo cm.................................................... 73 Hình 3.16. Tiến hành đo phân tích hoạt độ 238U, 232Th, 40K trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470 ............................................................................. 74
Hình 3.17. Đồ thị hoạt độ của 238U, 232Th, 40K trong mẫu môi trường đất ở các độ sâu khác nhau tại 5 vị trí trong khuôn viên trường Đại học Khoa học Tự nhiên TPHCM, cơ sở Linh Trung,Thủ Đức ................................ 79
1 MỞ ĐẦU 1.1. Lý do chọn đề tài Các đồng vị phóng xạ tồn tại khắp nơi trong môi trường xung quanh chúng ta gồm đồng vị phóng xạ nhân tạo (chiếm 15% sự đóng góp vào phông phóng xạ) và đồng vị phóng xạ tự nhiên. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên được tìm thấy trong nước, không khí, đất và cả trong cơ thể người. Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta đưa đồng vị phóng xạ tự nhiên vào cơ thể thông qua việc hít thở, ăn uống và các đồng vị này tồn tại khắp nơi trên Trái Đất ngay từ khi Trái Đất được hình thành. Sự tồn tại của các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất dẫn đến việc chiếu xạ trong và ngoài của con người. Các nguyên tố phóng xạ tìm thấy trong tự nhiên được chia thành hai loại. Một loại được hình thành từ bức xạ vũ trụ, loại còn lại là đồng vị phóng xạ nguyên thủy tồn tại trong vỏ Trái Đất. Các đồng vị phóng xạ đóng góp chủ yếu vào phông phóng xạ gamma và gây ra liều chiếu xạ ngoài ảnh hưởng nhiều nhất đến con người là 238U, 232Th và 40K. Việc đo lường hoạt độ của 238U, 232Th, 40K cho ta các số liệu cần thiết để đánh giá ảnh hưởng của các đồng vị này đến môi trường sống ta quan tâm. Nguy hiểm do bức xạ phát ra từ các đồng vị phóng xạ tự nhiên đã được chú trọng lần đầu tiên trong chỉ thị hội đồng Châu Âu 96/29 EURATOM (European Council Directive 96/29 EURATOM) [6], đưa ra tiêu chuẩn an toàn để bảo vệ sức khỏe của công nhân và cộng đồng khỏi sự nguy hiểm của bức xạ ion hóa. Tuy nhiên vẫn còn một số thiếu sót về an toàn bức xạ, cũng như ảnh hưởng của phông phóng xạ gamma tác động ít nhiều đến sức khỏe con người. Xu hướng nghiên cứu hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu môi trường đang được xúc tiến để bảo vệ chúng ta khỏi những ảnh hưởng của bức xạ. Hoạt độ phóng xạ tự nhiên và liều chiếu ngoài do bức xạ gamma gây ra phụ thuộc vào địa chất, các điều kiện địa lí và mức độ của chúng trong đất khác nhau ở mỗi vùng khác nhau trên thế giới.Việc nghiên cứu về sự phân bố của các đồng vị phóng xạ khác nhau trong đất và các yếu tố đưa các đồng vị xâm nhập từ đất vào chuỗi thức ăn đến cơ thể người là rất quan trọng. Có rất nhiều công trình nghiên cứu phân tích hoạt độ đồng vị phóng xạ 238 U, Th, 40K trong các mẫu môi 232 trường đất. Có thể liệt kê như: “Phân tích nguy hiểm bức xạ trong đất ở khu vực
2 Chittagong, Bangladesh” của trường đại học Chittagong [13], “Xác định hoạt độ phóng xạ tự nhiên tại bang Qatar sử dụng hệ phổ kế gamma có độ phân giải năng lượng cao” của tác giả Huda Abdulrahman Al-Sulaiti, trường Đại học Surrey [12], giáo trình “Đo hoạt độ phóng xạ trong thực phẩm và môi trường” - Viện năng lượng nguyên tử quốc tế Vienna, 1989 [14], “Hệ HPGe để đo hoạt độ phóng xạ trong đất và vật liệu xây dựng” của Richard Hagenauer [15], “Sử dụng hệ gamma HPGe đo đồng vị phóng xạ uranium trong đất” của nhóm tác giả Phòng Thí Nghiệm Vật lý Hạt nhân – Đại học Ioannina, Greece [13], công trình “Áp dụng phương pháp FSA vào phân tích phổ gamma thu được từ hệ phổ kế HPGe” của Katse Piet Maphoto [11] đã xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ nguyên thủy 238 U, 232 Th và 40K trong các mẫu cát, đất quặng bằng phương pháp toàn phổ và nhiều công trình khác nữa. Ngoài các công trình nước ngoài, trong nước cũng có các đề tài nghiên cứu khoa học, cụ thể là đề tài “Nghiên cứu khảo sát môi trường, hoạt độ đồng vị phóng xạ tự nhiên họ Uranium, Thorium lưu vực sông Ba và sông Đồng Nai khu vực Tây Nguyên” của Nguyễn Trung Minh [3], “Phân tích hoạt độ phóng xạ các đồng vị 226Ra, 232Th, 40K trong mẫu đất đá” - Phan Thị Minh Tâm [6]. Tham gia đóng góp vào các đề tài nghiên cứu trên nhằm góp phần mang lại lợi ích thực tiễn trong việc đo hoạt độ phóng xạ trong môi trường đất xung quanh chúng ta, Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt Nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên vừa nhập về hệ phổ kế gamma GMX- 35P470 có thể đo hoạt độ phóng xạ của đồng vị 238 U, Th, 40K trong đất. So với hệ phổ kế gamma đã có sẵn ở Bộ 232 môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, hệ phổ kế GMX-35P470 có thể đo khá chính xác bức xạ gamma có năng lượng thấp từ 8 keV trở lên, trong khi hệ đo HPGe GC2018 chỉ có thể đo tốt được bức xạ gamma nằm trong vùng năng lượng 50 keV. Đây là hệ phổ kế hoàn toàn mới, trước khi đưa vào sử dụng cần đánh giá các đặc trưng của hệ phổ kế, cũng như hiệu chuẩn năng lượng và hiệu suất ghi của đầu dò. Để đáp ứng nhu cầu thực tế về phân tích dịch vụ một cách nhanh chóng và thuận lợi cần xây dựng quy trình phân tích dựa trên điều kiện hiện có của phòng thí nghiệm. Xuất phát từ yêu cầu đó bước đầu chúng tôi thực hiện luận văn “Xây dựng quy trình phân tích hoạt độ 238 U, 232 Th, 40 K của mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470”.
3 *Cơ sở khoa học: Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất gồm các họ phóng xạ uranium, thorium và các hạt nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, 87Rb… Năm 1896, nhà bác học người Anh Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium và con cháu của nó. Đến nay người ta biết ba họ phóng xạ tự nhiên là họ Thorium (232Th), uranium (238U) và actinium (235U). Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau: 238 U (99,3%), 235 U (0,7%) và 234 U ( 5.10-3 %). Trong đó, 238 U và 234 U thuộc cùng họ unranium, 235U là thành viên của họ actinium, 232Th là thành viên của họ Thorium. Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. Điều này dễ hiểu vì nếu xét thời gian từ khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối ngắn bị phân rã trong một vài tỉ năm tồn tại của Trái Đất. Ngoài các đồng vị phóng xạ trong ba họ thorium, uranium và actinium, 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 40K rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng potassium trung bình trong đất đá là 27 g/ kg và trong đại dương là khoảng 380 mg/ L), trong thực vật, động vật và cơ thể con người (Hàm lượng potassium trung bình trong cơ thể người vào khoảng 1,7 g/ kg). Trong tất cả các loại đất đá thuộc vỏ Trái Đất đều chứa các nguyên tố phóng xạ tự nhiên 238U, 232Th, 40K và 87Rb với hàm lượng khác nhau. Bức xạ do 87Rb phát ra không đóng góp vào phông phóng xạ chung trên mặt đất. Các nguyên tố phóng xạ trong đất đá và trong vật liệu xây dựng đều nằm trong 3 họ phóng xạ 238U, 232Th, 40K với 40K là nguyên tố phóng xạ kèm theo bức xạ gamma có năng lượng 1,46 MeV. Các hạt nhân con cháu của 238 U, 232 Th phân rã alpha hoặc beta thường được tạo thành ở trạng thái kích thích, chúng phát ra các bức xạ gamma đặc trưng để trở về trạng thái cơ bản. Các bức xạ gamma, đặc biệt là các bức xạ có năng lượng cao, có hệ số suy giảm trong đất đá rất nhỏ. Quãng chạy của các bức xạ gamma trong đất đá rất lớn. Khi được sinh ra từ các lớp đất đá gần mặt đất, các bức xạ gamma có thể bay ra khỏi mặt đất tạo thành phông phóng xạ gamma trên mặt đất. Ngoài ra phông bức xạ trên mặt đất còn do bức xạ vũ trụ gây ra. Thành phần phông phóng xạ gamma do tia vũ trụ gây ra phụ thuộc vào chiều cao so với mực nước biển. Thành phần này thường rất nhỏ so với các
4 bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ dưới mặt đất và vật liệu xây dựng xung quanh gây nên. Như vậy, khi nói đến phông phóng xạ có nghĩa là nó được tạo thành từ các nguyên tố có trong đất. *Cơ sở thực tiễn: Ngày nay, nhiều vụ thử nghiệm hạt nhân đang diễn ra hằng ngày và bụi phóng xạ xâm nhập đến bề mặt Trái Đất từ khí quyển. Nguồn gốc của loại bụi này là những vụ thử vũ khí hạt nhân. Bụi phóng xạ khi rơi xuống sẽ gây tác động có hại, xâm nhập qua chuỗi thức ăn, bụi này từ lá cây, qua động vật rồi đến người. Lượng bụi phóng xạ mà mặt đất thu nhận, phụ thuộc vào bản chất của đất, địa hình và loại thảm thực vật. Nguyên nhân ô nhiễm phóng xạ trong đất là do chất thải phóng xạ từ các nhà máy điện hay các trung tâm nghiên cứu khoa học và các đồng vị phóng xạ 238 U, 232 Th, 40K có sẵn trong lòng đất. Trong điều kiện môi trường thuận lợi, các nguyên tố này phân rã và gây phóng xạ nồng độ cao, gây hại môi trường đất. Điều này xảy ra ở những vùng mỏ phóng xạ, tập trung lượng phóng xạ cao. Mức độ phóng xạ rất đa dạng phụ thuộc vào loại đất, sự hình thành của các chất phóng xạ và nồng độ của chúng. Chất phóng xạ ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường đất, từ đó gây tác hại đến sức khỏe con người.Việc nghiên cứu hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong đất giúp chúng ta biết được đặc điểm của hoạt độ phóng xạ trong môi trường sống của mình, theo dõi hằng ngày ảnh hưởng của phóng xạ đến khu vực xung quanh. Ngoài ra, khi có tai nạn và thử nghiệm hạt nhân thì việc đo được hoạt độ phóng xạ của các đồng vị trong đất cao, giúp chúng ta phát hiện được sự cố và lên kế hoạch, giám sát việc cải tạo môi trường đất kịp thời. Hơn nữa, biết được hoạt độ phóng xạ trong đất giúp chúng ta đưa ra quyết định tái sử dụng hoặc tái chế các vật liệu đất, rác. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng quy trình phân tích hoạt độ 238U, 232Th và 40K của mẫu môi trường đất. 1.3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thực nghiệm Thực hiện việc lấy mẫu đất, xử lý mẫu, chuẩn bị mẫu đo đạc theo tiêu chuẩn BS- ISO-18589. Khảo sát đặc trưng của hệ phổ kế sử dụng nguồn và mẫu chuẩn.
5 Đo hoạt độ các mẫu đất bằng hệ phổ kế gamma GMX-35P470. Xử lý số liệu: Dùng phần mềm Genie -2000, Gamma Vision để xử lý phổ, tính toán số liệu đo đạc và biểu diễn số liệu đo đạc bằng phần mềm Origin. Phương pháp mô phỏng Sử dụng phần mềm Angle để mô phỏng hiệu suất từ nguồn điểm đến nguồn thể tích. Từ đó, suy ra được hoạt độ mẫu đất. 1.4. Nội dung nghiên cứu Khảo sát các đặc trưng hệ phổ kế gamma GMX-35P470 trên thực tế tại phòng thí nghiệm kĩ thuật hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM (Độ phân giải năng lượng FWHM, hiệu suất, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất). Bằng thực nghiệm, đo đạc mẫu đất chuẩn trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470 để thiết lập được phương trình đường chuẩn năng lượng, đường cong hiệu suất chuẩn. Từ đó ta có thể xác định được hoạt độ của các đồng vị phóng xạ 238U, 232Th, 40K trong đất khi đo một mẫu đất bất kì. Nghiên cứu, xây dựng quy trình lấy mẫu, gói mẫu, làm mẫu, tạo mẫu phân tích gần giống mẫu chuẩn để phân tích hoạt độ 238U, 232Th, 40K. Do mẫu đất được đóng vào hộp đựng mẫu có dạng hình trụ hoặc hộp có hình dạng Marinelli nên sẽ có hiệu ứng tự hấp thụ và hiệu chỉnh tự trùng phùng xảy ra trong mẫu. Các hiện ứng này được đánh giá và hiệu chỉnh bằng phần mềm Angle. Xác định MDA, MDC của mẫu môi trường và phân tích hoạt độ một số mẫu đất sau khi xây dựng được quy trình phân tích hoạt độ 238 U, 232 Th, 40 K trong mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470.
6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1.1. Nguồn gốc phóng xạ môi trường Nguồn phóng xạ môi trường được chia làm hai loại: Thứ nhất là nguồn phóng xạ nhân tạo do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay tạo ra bằng các máy gia tốc hoặc từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Thứ hai là nguồn phóng xạ tự nhiên. Nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: Nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy (có từ khi tạo thành Trái Đất) và nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ (được tia vũ trụ tạo ra). 1.1.1. Đồng vị phóng xạ nhân tạo Phát minh của Frederic Joliot và Irene Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo của phốt-pho và ni-tơ năm 1934 đã mở ra kỉ nguyên của phóng xạ nhân tạo. Ngày nay con người đã tạo được rất nhiều đồng vị phóng xạ. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo có chu kì bán rã khác nhau trong một dãy rất rộng, chúng có chu kì bán rã ngắn hơn nhiều so với các đồng vị phóng xạ nguyên thủy. Việc gia tăng nhanh chóng các ứng dụng công nghệ hạt nhân và sự tăng đột biến các vụ thử vũ khí hạt nhân trong thời chiến tranh lạnh đã khiến cho thế giới lo ngại về sự quản lí các nguồn đồng vị phóng xạ mà nguồn phóng xạ nhân tạo được quan tâm hàng đầu. Phóng xạ nhân tạo chiếm 15% sự đóng góp vào phông phóng xạ, phóng xạ nhân tạo đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên ít nhất, kế đến là các hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ và chiếm phần lớn lượng phóng xạ là các hạt nhân phóng xạ tự nhiên. Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên là 3H,121I, 129T,137Cs, 90Sr, 99 Tc, 239 Pu…[9],[10]. 1.1.2. Đồng vị phóng xạ tự nhiên Nguồn phóng xạ tự nhiên gồm các chất phóng xạ có nguồn gốc bên ngoài Trái Đất như các tia vũ trụ và các chất phóng xạ có nguồn gốc từ Trái Đất. 1.1.2.1. Đồng vị phóng xạ tạo ra từ tia vũ trụ Các đồng vị phóng xạ tự nhiên sinh ra do những nguyên nhân ngoài Trái Đất như do tương tác của các tia vũ trụ có năng lượng cao với khí quyển, đó là các nguyên tố như 3H, 7Be, 10Be,14C… và một số nguyên tố sinh ra do sự bắt neutron hay có nguồn gốc từ các thiên thạch trong vũ trụ đi vào Trái Đất. Cụ thể là khi đi vào khí quyển của Trái Đất, tia vũ trụ sơ cấp (86% proton, 13% alpha, còn lại là các hạt có số khối A>4)
7 tương tác với các nguyên tử vật chất trong khí quyển tầng cao sinh ra tia vũ trụ thứ cấp. Quá trình tương tác thường gồm hai giai đoạn. Các hạt sơ cấp bị hấp thụ và sinh ra các hạt thứ cấp, sau đó các hạt thứ cấp ion hóa môi trường khí quyển. Tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron…), các hạt muon, electron và photon. Ngoài các hạt sơ cấp và thứ cấp, tại lớp trên của khí quyển xảy ra các phản ứng hạt nhân giữa các hạt hadron với các hạt nhân khí quyển, sinh ra các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân bền [9]. 1.1.2.2. Đồng vị phóng xạ trong vỏ Trái Đất Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất gồm các họ phóng xạ uranium, thorium và các hạt nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, 87Rb… Năm 1896, nhà bác học người Anh Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium và con cháu của nó. Đến nay người ta biết ba họ phóng xạ tự nhiên là họ Thorium (232Th), uranium (238U) và actinium (235U).Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau: 238 U (99,3%), 235 U (0,7%) và U ( 5.10-3%). Trong đó, 234 238 U và 234 U thuộc cùng họ unranium, 235 U là thành viên đầu tiên sống dài của họ actinium.232Th là thành viên đầu tiên sống dài của họ Thorium. Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. Điều này dễ hiểu vì nếu xét thời gian từ khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối ngắn bị phân rã trong một vài tỉ năm tồn tại của Trái Đất. Đặc điểm chung thứ hai là mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng chất khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon. Đặc điểm thứ ba của ba họ phóng xạ tự nhiên là sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ đều là chì (Pb).
8 Ngoài các đồng vị phóng xạ trong ba họ thorium, uranium và actinium, 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 40K rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng potassium trung bình trong đất đá là 27 g/kg và trong đại dương là khoảng 380 mg/L), trong thực vật, động vật và cơ thể con người. Hàm lượng potassium trung bình trong cơ thể người vào khoảng 1,7 g/kg [9]. Hình 1.1. Họ Uranium (4n+2) [12]
9 Hình 1.2. Họ actinium (4n+3) [12]