Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đo hoạt độ các đồng vị phóng xạ trong một số loại lương thực ở vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh bằng hệ thống phổ kế gamma phân giải cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ MINH NGHIÊN CỨU ĐO HOẠT ĐỘ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MỘT SỐ LOẠI LƯƠNG THỰC Ở VÙNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG NINH BẰNG HỆ THỐNG PHỔ KẾ GAMMA PHÂN GIẢI CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ MINH NGHIÊN CỨU ĐO HOẠT ĐỘ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MỘT SỐ LOẠI LƯƠNG THỰC Ở VÙNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG NINH BẰNG HỆ THỐNG PHỔ KẾ GAMMA PHÂN GIẢI CAO

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử

Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LƯU TAM BÁT Hà Nội – Năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nhất là thời gian làm luận văn tốt nghiệp tôi đã

nhận được nhiều sự quan tâm, động viên và giúp đỡ. Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn

tới Ts. Lưu Tam Bát, người hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn

này.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô trong Hội đồng chấm luận văn đã

góp ý cho tôi để luận văn này hoàn thiện hơn.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân,

Khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã

trang bị những kiến thức bổ ích và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt

thời gian học tập tại đây.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp xung

quanh tôi đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt khóa học cũng như trong cuộc sống.

Học viên

Nguyễn Thị Minh

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................................

DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG LƯƠNG THỰC ......................................................................................... 4

1.1. Phóng xạ trong lương thực thực phẩm .......................................................... 4

1.2. Cơ sở vật lý .................................................................................................... 6

1.2.1. Phân rã gamma .................................................................................... 6

1.2.2. Quy luật phân rã phóng xạ .................................................................. 7

1.2.3. Chuỗi phân rã phóng xạ ...................................................................... 9

1.2.4. Sự cân bằng phóng xạ của các chuỗi phân rã ................................... 10

1.2.5. Tương tác của tia gamma với vật chất............................................... 12

1.2.5.1. Hiệu ứng quang điện ................................................................ 12

1.2.5.2. Tán xạ Compton ....................................................................... 13

1.2.4.3. Hiệu ứng tạo cặp ....................................................................... 16

1.2.6. Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma ............. 17

1.2.6.1. Phương pháp phổ gamma ......................................................... 17

1.2.6.2. Các chuỗi phân rã phóng xạ trong tự nhiên .............................. 22

CHƯƠNG 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............. 28

2.1. Hệ phổ kế gamma bán dẫn SEGe – Canberra ............................................. 28

2.1.1. Sơ đồ khối ........................................................................................... 28

2.1.2. Detector .............................................................................................. 29

2.1.3. Các thông số của hệ phổ kế gamma SEGe ........................................ 31

2.1.4. Phần mềm Genie 2000 ....................................................................... 32

2.1.5 Quy trình vận hành ............................................................................. 33

2.2. Chuẩn năng lượng ........................................................................................ 34

2.3. Khảo sát độ phân giải năng lượng vào năng lượng bức xạ gamma ............ 35

2.4. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi ............................................................ 36

2.5. Lấy mẫu, xử lý mẫu và chuẩn bị mẫu đo .................................................... 38

2.6. Phương pháp tính hoạt độ ............................................................................ 39

2.7. Phương pháp tính MDA .............................................................................. 40

CHƯƠNG III – KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..................................................... 42

3.1. Chuẩn năng lượng ........................................................................................ 42

3.2. Xác định một số thông số của hệ phổ kế gamma ........................................ 44

3.2.1. Sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng lượng của bức xạ gamma............................................................................................................ 44

3.2.2. Khảo sát phông của hệ đo .................................................................. 46

3.3. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu lương thực ........................... 48

3.4. Xác định hoạt độ riêng của các mẫu ............................................................ 50

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 58

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Các đỉnh gamma có cường độ mạnh nhất do các đồng vị phóng xạ tự

nhiên phát ra .............................................................................................................. 19

Bảng 2.1: Thông tin của các mẫu sử dụng để phân tích trên hệ phổ kế gamma ....... 38

Bảng 3.2: Độ phân giải năng lượng của detector SEGe – Canberra ......................... 44

Bảng 3.3: Số đếm tại các đỉnh năng lượng trong phổ phông của hệ phổ kế gamma

SEGe đo trong thời gian 150000 giây ....................................................................... 47

Bảng 3.4: Kết quả thực nghiệm xác định hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng toàn phần

của bức xạ gamma đặc trưng trong mẫu chuẩn ......................................................... 49

Bảng 3.5: Kết quả thực nghiệm xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ trong

mẫu gạo 1 ở Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g ..... 52

Bảng 3.6: Kết quả thực nghiệm xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ trong

mẫu ngô 1 ở Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g ..... 52

Bảng 3.7: Kết quả thực nghiệm xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ trong

mẫu khoai 1 ở Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g .. 53

Bảng 3.8: Hoạt độ riêng của một số đồng vị trong các mẫu gạo đo trên hệ phổ kế

gamma bán dẫn siêu tinh khiết .................................................................................. 53

Bảng 3.9: Hoạt độ riêng của một số đồng vị trong các mẫu ngô đo trên hệ phổ kế

gamma bán dẫn siêu tinh khiết .................................................................................. 54

Bảng 3.10: Hoạt độ riêng của một số đồng vị trong các mẫu khoai đo trên hệ phổ kế

gamma bán dẫn siêu tinh khiết .................................................................................. 54

Bảng 3.11: Hoạt độ riêng trung binh của một số đồng vị trong các mẫu gạo, ngô,

khoai .......................................................................................................................... 55

MỞ ĐẦU

Lương thực là những sản phẩm thiết yếu đối với con người, trước hết giúp

nuôi sống con người và sử dụng để phát triển chăn nuôi tạo nên các loại thực phẩm

quan trọng khác. Như chúng ta đã biết trong môi trường luôn tồn tại các chất phóng

xạ có nguồn gốc tự nhiên cùng với các nhân phóng xạ nhân tạo còn sót lại từ các

hoạt động thử vũ khí hạt nhận, sự cố nhà máy điện hạt nhân trong lịch sử. Cũng như

mọi sinh vật khác, lương thực bị nhiễm phóng xạ có trong môi trường, kết quả là

con người bị nhiễm xạ khi tiêu thụ các loại thức ăn này. Liều hiệu dụng đối với con

người được xác định thông qua hoạt độ các đồng vị phóng xạ trong lương thực.

Chính vì vậy, trên thế giới và ở nước ta luôn coi trọng việc xác định nồng độ các

nhân phóng xạ trong lương thực, thực phẩm. Nhất là ở những vùng gần với các nhà

máy điện hạt nhân, thường phải xây dựng cơ sở dữ liệu về phóng xạ trong lương

thực thực phẩm phục vụ cho việc khảo sát, đánh giá và giám sát ảnh hưởng của nhà

máy điện hạt nhân khi đi vào hoạt động.

Quảng Ninh là tỉnh giáp với nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành của Trung

Quốc (cách khoảng 60km), sẽ hoàn thành và đưa vào sử dụng tổ máy đầu tiên vào

năm 2015, tổ máy thứ hai vào năm 2016. Khi hoàn thành, nhà máy sẽ có 6 tổ máy

với công suất 1.080 MW điện. Đây là một tỉnh ở địa đầu phía đông bắc Việt Nam,

có biên giới quốc gia và hải phận giáp giới nước Cộng hoà Nhân dân Trung Hoa.

Trên đất liền, phía bắc của tỉnh (có các huyện Bình Liêu, Hải Hà và thị xã Móng

Cái) giáp huyện Phòng Thành và thị trấn Đông Hưng, tỉnh Quảng Tây với 132,8 km

đường biên giới; phía đông là vịnh Bắc Bộ; phía tây giáp các tỉnh Lạng Sơn, Bắc

Giang, Hải Dương; phía nam giáp Hải Phòng; bờ biển dài 250 km.

Dựa vào các dữ liệu khí tượng có thể thấy rằng: Trong trường hợp nhà máy

điện hạt nhân Phòng Thành của Trung Quốc xảy ra sự cố thì vùng biên giới và

duyên hải Đông Bắc bị nặng nhất, trong đó có tỉnh Quảng Ninh. Hình 1.1 trình bày

tần suất hướng gió thổi đến Việt Nam. Hơn nữa, mỗi năm nước ta có từ 15-17 đợt

gió mùa Đông Bắc, và cũng gần số lượng đó các đợt gió mùa Đông Bắc bổ sung,

1

tốc độ gió có thể trên 15m/s, sự vận chuyển các chất ô nhiễm sẽ nhanh. Theo những

phân tích ở trên, khu vực nghiên cứu tập trung là tỉnh Quảng Ninh, vùng ven biển

Hải Phòng và hai huyện ven biển Thái Bình, tất nhiên cả vùng núi Đông Bắc và

Châu thổ Sông Hồng chịu ảnh hưởng ở những mức độ khác nhau khi có tai nạn hạt

nhân

Hình 1.1: Tần suất, hướng gió thổi đến Việt Nam từ nhà máy điện hạt nhân

Vì vậy việc tiến hành đề tài “Nghiên cứu đo hoạt độ các đồng vị phóng xạ

trong một số loại lương thực ở vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh bằng hệ thống phổ

kế gamma phân giải cao” nhằm khảo sát hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị

phóng xạ tự nhiên và đồng vị phóng xạ nhân tạo trong một số loại lương thực ở

vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh là rất cần thiết.

Có nhiều kỹ thuật để khảo sát hàm lượng các nhân phóng xạ trong môi

trường. Một trong những kỹ thuật được biết đến là kỹ thuật đo phổ tia gamma.

Trong môi trường có nhiều nguồn phóng xạ tạo ra tia gamma với năng lượng và

2

hiệu suất phát khác nhau, các tia gamma này được thu thập ở dạng phổ và phân tích

trên hệ phổ kế gamma. Trong khuôn khổ của luận văn tác giả đưa ra phương pháp

thực nghiệm xác định hoạt độ trên một hệ phổ kế đại diện, và đó cũng là quy trình

phân tích cơ bản trên các hệ phổ kế gamma khác. Luận văn sử dụng detector

Gecmani siêu tinh khiết SEGe-Canberra của Trung tâm Kiểm định Phóng xạ - Viện

Y học phóng xạ và U bướu quân đội để phân tích xác định hàm lượng của một số

đồng vị phóng xạ phân rã gamma trong một số mẫu lượng thực ở tỉnh Quảng Ninh.

- Về mặt lý thuyết, luận văn tìm hiểu cơ sở vật lý của kỹ thuật xác định hoạt

độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ bằng phương pháp phổ gamma.

- Về mặt thực nghiệm: Xác định một số đặc trưng của hệ phổ kế Gecmani

siêu tinh khiết SEGe; Chuẩn năng lượng; Xây dựng đường cong hiệu suất ghi với

cấu hình đo hình trụ phục vụ cho việc phân tích mẫu lương thực; Tiến hành phân

tích xác định hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị trong mẫu lương thực.

Luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1. Tổng quan về xác định hoạt độ phóng xạ trong lương thực thực

phẩm

Chương 2. Đối tượng và phương pháp thực nghiệm

Chương 3. Kết quả thực nghiệm

3

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ

TRONG LƯƠNG THỰC

1.1. Phóng xạ trong lương thực, thực phẩm

Đồng vị phóng xạ xuất hiện tự nhiên trong môi trường, bao gồm các cơ

quan của cơ thể, lương thực thực phẩm và nước uống của con người. Chúng ta tiếp

xúc với nguồn bức xạ này hàng ngày. Bức xạ đến từ không gian (các tia vũ trụ)

cũng như các nhân phóng xạ tự nhiên có trong đất, nước, và không khí. Hoạt độ

riêng của các chất phóng xạ tự nhiên trong lương thực thực phẩm và nước thay đổi

phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện thổ nhưỡng, phân bón đối với cây trồng

(địa chất), thức ăn đối với các loài nuôi thả; điều kiện khí hậu và tình hình sản xuất

nông nghiệp của khu vực. Ngoài ra, con người cũng có thể tiếp xúc với bức xạ từ

những hoạt động tạo ra chất phóng xạ của chính mình như: Tập trung nhân phóng

xạ tự nhiên, vận hành các thiết bị, các vụ vận hành hạt nhân dân sự và quân sự. Chất

phóng xạ có thể gây ô nhiễm lương thực thực phẩm sau khi được thải ra môi trường.

Cho dù có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo thì chất phóng xạ cũng đi qua

chuỗi thức ăn theo cách giống như vật chất không phóng xạ. Mức độ nguy hại tới

sức khỏe con người phụ thuộc vào loại nhân phóng xạ và khoảng thời gian con

người tiếp xúc với nó. Lượng bức xạ con người tiếp xúc thay đổi từ nơi này đến nơi

khác và giữa các cá nhân.

Các mức phông phóng xạ trong thức ăn khác nhau và phụ thuộc vào nhiều

yếu tố, bao gồm loại thức ăn và vùng địa lý sản xuất ra loại thức ăn đó. Các nhân phóng xạ thường có trong thức ăn là: K40, Ra226, U238 và các đồng vị con cháu liên quan. Nhìn chung, K40 thường là đồng vị phóng xạ tự nhiên. Các đồng vị phóng xạ

khác tồn tại ở nồng độ rất thấp, có nguồn gốc từ chuỗi phân rã của uran và thori.

Khi xảy ra sự cố hạt nhân, một lượng lớn chất phóng xạ được phát thải vào môi

trường, các loại rau và lương thực bị nhiễm xạ chủ yếu do tiếp xúc trực tiếp với

không khí nhiễm phóng xạ hoặc hấp thụ các nhân phóng xạ từ đất thông qua hệ

thống rễ. Trong đó chỉ một lượng nhỏ nhân phóng xạ được vận chuyển lên cây bởi

4

sự hấp thu của rễ. Các sản phẩm có nguồn gốc từ động vật như sữa, thịt, trứng và

mật ong sẽ chứa các nhân phóng xạ khi những động vật hấp thu phóng xạ từ hệ sinh

thái của chúng thông qua việc ăn thức ăn bị nhiễm xạ, uống nước nhiễm xạ và có

thể hít phải không khí chứa chất phóng xạ. Hình 1.2 mô tả khái quát các con đường

mà chất phóng xạ đi vào cơ thể con người qua lương thực thực phẩm.

Hình 1.2: Sơ đồ chất phóng xạ đi vào cơ thể con người thông qua lương

thực thực phẩm

Mặc dù có nhiều loại nhân phóng xạ khác nhau có thể được giải phóng sau

khi xảy ra sự cố hạt nhân, nhưng một vài nhân phóng xạ có thời gian sống rất ngắn

và một số nhân phóng xạ khác không vận chuyển vào thức ăn ngay lập tức. Các

nhân phóng xạ được tạo ra trong các cơ sở hạt nhân có thể ảnh hưởng đáng kể đối với chuỗi thức ăn, nhưng 137Cs được quan tâm nhiều nhất trong khi xác định phông

phóng xạ trong thực vật bằng phương pháp phổ gamma do đồng vị này có thời gian sống khoảng 30 năm. Ngoài ra các đồng vị: triti (3H), carbon (14C), technetium

5

(99Tc), sulphur (35S), cobalt (60Co) strontium (89Sr and 90Sr), ruthenium (103Ru và 106Ru), iodine (131I và 129I), uranium (235U) plutonium (238Pu, 239Pu và 240Pu), caesium (134Cs và 137Cs), cerium (103Ce), iridium (192Ir), và americium (241Am) cũng

là mối quan tâm hàng đầu đối với khả năng vận chuyển vào thức ăn. Mối quan tâm trước mắt là 131I, nó được phân bố trên diện rộng, được tìm thấy trong nước và trên

cây trồng, ngay lập tức được vận chuyển từ thức ăn nhiễm xạ vào sữa. Tuy nhiên, I131 có thời gian sống tương đối ngắn và sẽ phân rã trong vòng vài tuần. Canxi

phóng xạ cũng vận chuyển từ thức ăn gia súc vào sữa tương đối nhanh. Sự hấp thu

Canxi vào trong thức ăn cũng là mối quan tâm lâu dài. Một số nhân phóng xạ khác

cũng là mối quan tâm lâu dài nếu được giải phóng, đó là strontium và plutonium. Sr90 có chu kỳ bán rã khoảng 29 năm và plutonium có chu kỳ bán rã nhiều hơn thế

(Pu-238: 88 năm, Pu-239: 24100 năm, Pu-240: 6564 năm). Tuy nhiên, cả strontium

và plutonium đều có nồng độ rất thấp và tương đối ổn định trong môi trường, nhất

là trong lương thực thực phẩm nên không là vấn đề lớn trong lương thực thực phẩm, trừ khi xảy ra các sự cố hạt nhân có phát thải phóng xạ đáng kể [9].

1.2. Cơ sở vật lý

1.2.1. Phân rã gamma

Phân rã alpha hoặc beta thường kèm theo dịch chuyển gamma vì sau khi

phân rã alpha và beta hạt nhân phóng xạ mẹ trở 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 có thể phát ra một hoặc nhiều tia gamma, đặc trưng cho sự chênh lệch năng

lượng giữa các trạng thái nội tại của hạt nhân.

Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao về trạng thái kích thích

thấp hay về trạng thái cơ bản, ngoài dịch chuyển gamma còn có quá trình biến hóa

nội. Trong quá trình này hạt nhân truyền năng lượng cho một electron ở lớp vỏ

nguyên tử. Nếu năng lượng này lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong

nguyên tử thì electron bị đánh bật ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là

electron biến hóa nội. Năng lượng của electron biến hóa nội bằng hiệu số giữa

6

năng lượng của mức kích thích hạt nhân và năng lượng liên kết của electron trong

nguyên tử. Cường độ quá trình biến hóa nội được xác định bằng tỷ số giữa số



electron biến hóa nội Ie so với số photon Iγ phát ra:

I e I



(1.1)

Trong đó: α là hệ số biến hóa nội

Quá trình dịch chuyển gamma được đặc trưng bởi hệ số phân nhánh. Hệ số

phân nhánh ký hiệu Iγ là xác suất phát ra bức xạ gamma đặc trưng có năng lượng

Eγ trong mỗi phân rã của hạt nhân mẹ. Thường hệ số phân nhánh của gamma có

Sè tia bøc x¹ gamma cã n¨ng l­îng E ®­îc ph¸t ra



năng lượng đặc trưng Eγ được tính theo công thức:

I

 

100 ph©n r· cña h¹t nh©n mÑ

(1.2)

1.2.2. Quy luật phân rã phóng xạ

Các nhân phóng xạ là những hạt nhân không bền. Những hạt nhân này trở

về trạng thái bền bằng cách phân rã alpha, beta, positon, chiếm electron hoặc phân

hạch tự phát. Mối liên hệ giữa số nguyên tử ở thời điểm t (N) và số nguyên tử ở thời

điểm ban đầu (N0) như sau:

= (1.3)

Trong đó:

λ là hằng số phân rã phóng xạ

N là số nguyên tử phóng xạ ở thời điểm t;

N0 là số nguyên tử phóng xạ ở thời điểm ban đầu.

Hằng số phân rã phóng xạ được định nghĩa là xác suất mà một phần nhất

định nhân phóng xạ trong một mẫu sẽ phân rã trên một đơn vị thời gian. Hằng số

này khác nhau đối với các nhân phóng xạ khác nhau và đơn vị của λ tỷ lệ nghịch với đơn vị thời gian giây-1, phút-1, giờ-1, năm-1.

7

Hơn nữa, hoạt độ phóng xạ (A) của một mẫu là tốc độ phân rã của mẫu đó.

Tốc độ phân rã này thường được đo đạc là số phân rã trong một giây. Hoạt độ là

tích của hằng số phân rã phóng xạ với số nguyên tử có mặt trong mẫu:

= (1.4)

Trong đó:

A là hoạt độ của hạt nhân (phân rã/giây);

λ là hằng số phân rã (giây-1);

N là số nguyên tử của hạt nhân trong mẫu.

Do λ là hằng số nên hoạt độ và số nguyên tử luôn luôn tỷ lệ thuận, đơn vị

hoạt độ cũ là Ci (Curie), đơn vị trong hệ SI là Bq (Becquerel), trong đó 1 Bq là một

phân rã trong 1 giây. Từ phương trình (1.4), do hoạt độ và số nguyên tử luôn luôn tỷ

lệ thuận nên ta có thể hoán đổi cho nhau để mô tả cho nhân phóng xạ bất kỳ:

= (1.5)

Trong đó:

A0 là hoạt độ tại thời điểm ban đầu;

A là hoạt độ tại thời điểm t

λ là hằng số phân rã ([thời gian]-1)

t là thời gian.

8

Hình 1.3: Quy luật phân rã phóng xạ

Hình 1.3 minh họa quy luật phân rã phóng xạ. Chu kỳ bán rã là khoảng thời

gian mà số nhân phóng xạ ban đầu hoặc hoạt độ của nó giảm đi một nửa. Mối quan

hệ giữa chu kỳ bán rã và hằng số phân rã có thể được phát triển từ phương trình

(1.5). Chu kỳ bán rã có thể được tính bằng cách giải phương trình (1.5) đối với thời

()

gian khi hoạt độ A bằng A0, ta được:

(1.6) / =

Nghịch đảo của hằng số phân rã là thời gian sống trung bình τ của hạt nhân,

là thời gian trung bình mà một nguyên tử có thể tồn tại trước khi hạt nhân của nó





phân rã.

1 

(1.7)

1.2.3. Chuỗi phân rã phóng xạ

Khi một hạt nhân mẹ (hạt nhân 1) phân rã thành hạt nhân con (hạt nhân 2)

thì số hạt nhân con tại thời điểm t là [1]:

(1.8) dN2(t) = 1N1(t)dt - 2N2(t)dt

(1.9) mà dN1(t) = - 1N1(t)dt

9

Trong đó N1(t) và N2(t) là số hạt nhân của các đồng vị 1 và 2 tại thời điểm t,

1 và 2 là các hằng số phân rã của các hạt nhân 1 và 2. Từ hai phương trình này ta

(t)

được hệ hai phương trình vi phân sau:

dN1 dt

(t)

(1.10) = - 1N1(t)

dN 2 dt

(1.11) = 1N1(t) - 2N2(t)

Giải hệ hai phương trình vi phân trên ta đặt điều kiện ban đầu tại thời điểm

t=0 như sau: số hạt nhân 1 là N1(0) = N10 và số hạt nhân 2 là N2(0) = N20. Khi đó ta

t1e 

được các nghiệm bằng:





t

t

  t 1

 2

 2





e

(1.12) N1(t) = N10

eN 20

(1.13) N2(t) =

 e



 N 1 10  1 

2

Nếu ở thời điểm ban đầu chỉ có đồng vị 1 mà không có đồng vị 2, nghĩa là

  2

   t 1

e

N20 = 0 thì (1.13) trở thành:

(1.14) N2(t) =

 e

t

 N 1 10  1 

2

1.2.4. Sự cân bằng phóng xạ của các chuỗi phân rã

Trong một chuỗi phân rã phóng xạ, hạt nhân mẹ (1) phân rã với hằng số

phân rã (λ1), trong khi hạt nhân mẹ phân rã thì nồng độ của hạt nhân con (2) tăng và

hạt nhân con này phân rã với hằng số λ2. Quá trình diễn ra liên tục cho đến khi đạt

được hạt nhân bền. Cân bằng phóng xạ xảy ra khi tốc độ phân rã của mỗi hạt nhân

con bằng với tốc độ phân rã của hạt nhân mẹ. Do đó:

10

N

Hoạt độ của mỗi nhân phóng xạ sẽ là:

A  1

1

1

N

(1.15)

A  2

2

2

và (1.16)

trong đó:A1 là hoạt độ của hạt nhân 1 (Bq);

A2 là hoạt độ của hạt nhân 2 (Bq);

N1 là số nguyên tử của hạt nhân 1;

N2 là số nguyên tử của hạt nhân 2.

Để đơn giản ta giả sử rằng chuỗi phân rã chỉ có hai bước và hạt nhân 2 cũng là nhân

phóng xạ, chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ và hạt nhân con cháu có thể được phân

loại như sau:

Khi chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ lớn hơn rất nhiều chu kỳ bán rã của sản

phẩm con cháu:

Nhân phóng xạ con cháu tạo ra nhiều bức xạ hơn. Sau khoảng bẩy chu kỳ bán rã

của hạt nhân con thì hoạt độ của hạt nhân mẹ và hạt nhân con bằng nhau. Dạng cân

N



N



...





bằng này được gọi là cân bằng thế kỷ. Do đó, giả sử rằng có nhiều thế hệ phân rã phóng xạ kế tiếp, chúng ta có phương trình [1]:

 1

1

 2

n N

n

(1.17)

Khi chu kỳ bán rã của sản phẩm con cháu dài hơn hoặc bằng chu kỳ bán rã

của hạt nhân mẹ:

Kết quả của sự phân rã kết hợp của hạt nhân mẹ và hạt nhân con là hoạt độ tổng

tăng và cuối cùng đạt cân bằng. Hoạt độ tổng tiếp đó phân rã với tốc độ phân rã của

hạt nhân mẹ. Trường hợp này được gọi là cân bằng động. Từ biểu thức 1.16 ta thấy

rằng sau khoảng thời gian t lớn thì số hạng thứ hai trong dấu ngoặc đơn có thể bỏ

qua so với số hạng thứ nhất và (1.14) trở thành:

11

 tλ 1e

λN 10 1  λ λ

2

1

t1e 

(1.18) N2(t) =

ta có hệ Nhân cả hai vế biểu thức này với 2 và chú ý rằng N1(t) = N10

2



thức cân bằng phóng xạ động như sau:

λ 2 

λ

λ

λN 2 λN 11

2

1

(1.19)

1.2.5. Tương tác của tia gamma với vật chất

Việc nhận diện các đồng vị phóng xạ phát tia gamma dựa trên cơ sở tương

tác của gamma với môi trường vật chất. Đối với các tia gamma có năng lượng nhỏ

hơn 3 MeV thì khi đi vào môi trường vật chất chủ yếu xảy ra các hiệu ứng: Hấp thụ

quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp. Đối với tia gamm có năng lượng bé hơn 1022

keV thì có thể xảy ra hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton, với năng lượng trên

1022 KeV cũng có thể xảy ra cả hiệu ứng tạo cặp.

1.2.5.1. Hiệu ứng quang điện

Khi năng lượng của bức xạ gamma lớn hơn thế năng ion hóa nguyên tử, xác

suất xảy ra hiện tượng hấp thụ quang điện bắt đầu tăng. Năng lượng photon tới

được truyền toàn bộ cho một electron của nguyên tử. Một phần năng lượng để thắng

thế năng ion hóa, phần còn lại biến thành động năng của điện tử bị bứt ra khỏi

nguyên tử. Hấp thụ quang điện ưu tiên xảy ra với các electron liên kết mạnh với hạt

nhân (lớp K, L). Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện càng lớn khi Z càng lớn và tỷ

lệ nghịch với năng lượng. Hình 1.4 ở dưới mô tả quá trình trên.

12

Hình 1.4: Mô hình hiện tượng quang điện

Hiệu ứng quang điện là quá trình có lợi nhất cho phổ kế gamma bởi vì tất cả

năng lượng của photon được truyền cho electron trong detector. Sau khi electron

được phóng ra để lại một lỗ trống. Lỗ trống này được lấp đầy bởi một electron khác

nằm ở mức năng lượng cao hơn. Sự dịch chuyển này tạo ra tia X đặc trưng. Trong

trường hợp của phổ kế gamma, tia X này cũng được hấp thụ bởi detector. Hiệu ứng quang điện tăng nhanh theo số khối nguyên tử (Z4-5) của hạt nhân bia.

1.2.5.2. Tán xạ Compton

Theo sự tăng năng lượng của bức xạ gamma, tiết diện xảy ra hấp thụ quang

điện giảm và tiết diện tán xạ Compton tăng lên, đây là quá trình chủ yếu làm suy

giảm năng lượng của bức xạ gamma đi trong môi trường vật chất.

Tán xạ Compton là quá trình tán xạ không đàn hồi của photon gamma với

các electron tự do hoặc electron liên kết yếu trong nguyên tử của môi trường. Trong

quá trình tán xạ Compton, photon gamma tới truyền một phần năng lượng của mình

cho electron làm bứt electron khỏi nguyên tử. Nguyên tử và photon sau tán xạ bị

lệch khỏi phương chuyển động ban đầu như minh họa dưới hình 1.5.

13

Hình 1.5: Mô hình Tán xạ Compton

Khác với hiệu ứng quang điện, tia gamma bị lệch một góc θ so với hướng

ban đầu. Photon tán xạ có năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng giữa

photon tới và photon tán xạ được truyền cho electron. Năng lượng này có thể biến

thiên từ 0 đến một phần đáng kể năng lượng của tia gamma ban đầu, tùy thuộc vào

góc lệch θ.

Sự truyền năng lượng và góc lệch đối với mọi tương tác kể trên có thể xác

 h

  h

định bằng cách giải các phương trình với giả định rằng tổng năng lượng và xung lượng tuyến tính được bảo toàn [1]:

1



 (1 cos )



2

 h m c e

(1.20)

Trong đó:

hν là năng lượng photon tới;

hν’ là năng lượng photon tán xạ;

θ là góc tán xạ;

moc2 là năng lượng nghỉ của electron bị dịch chuyển (0,511 MeV).

14

Động năng của electron bị dịch chuyển được xác định bởi phương trình



E

   

h

h



e

sau[1]:

 (1 cos )



2

(1.21)

E

   h



e

1



 (1 cos )



 h m c o  h  2 m c  o

  

(1.22)

Trong trường hợp θ ≈ 0, điện tử bị dịch chuyển mang theo rất ít năng

lượng và tia gamma bị tán xạ có năng lượng xấp xỉ tia gamma tới. Phương trình

1.20 và 1.21 cho thấy trong trường hợp này hυ ≈ hυ’ và Ee– ≈ 0. Tuy nhiên, trong

trường hợp xảy ra va chạm trực diện (nghĩa là góc lệch θ = π) và tia gamma bị tán

xạ ngược về hướng ban đầu thì năng lượng truyền cho electron trong tán xạ

Compton có giá trị cực đại, dẫn tới một đặc trưng quang phổ được gọi là “rìa

Compton”, tia gamma tán xạ ngược lại hướng ban đầu tương tác với vật chất của

detector tạo lên đỉnh tán xạ ngược trong phổ gamma. Trong những trường hợp

thông thường, tất cả các góc tán xạ có thể xảy ra trong một detector có kích thước

giới hạn. Do đó, năng lượng có thể được truyền cho electron Compton dưới dạng

một miền liên tục, biến thiên từ 0 cho tới giá trị cực đại được dự đoán bởi phương

trình (1.22) khi θ = π.

Sự khác biệt năng lượng hay “khoảng cách” giữa năng lượng cực đại của

h

electron Compton và năng lượng của tia gamma tới được xác định bởi phương trình [1]:

E

   h

E



c

 

e

 1 2

2

  h m c o

2

(1.23)

om c 2

Trong trường hợp hυ >> , giá trị khác biệt này là một hằng số

15

2

E



 ( 0, 256MeV)

c

m c o 2

(1.24)

1.2.4.3. Hiệu ứng tạo cặp

Hiệu ứng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân, trong đó năng

lượng của một photon gamma được biến đổi hoàn toàn thành một cặp electron –

positron (Hình 1.6).

Hình 1.6: Hiện tượng tạo cặp trong trường Coulomb hạt nhân

Hiện tượng tạo cặp xảy ra mạnh trong trường Coulomb của hạt nhân khi

môi trường có nguyên tử số càng lớn và khi năng lượng của lượng tử gamma càng tăng. Năng lượng cần để tạo ra một cặp electron-positron là 2moc2, do đó năng

lượng tối thiểu của tia gamma phải là 1,022 MeV để mọi photon tới đều trải qua

quá trình này. Toàn bộ năng lượng dư thừa chuyển thành động năng của cặp

2

electron-position. Tổng động năng của cặp electron-positron sẽ là:

E



E

   h





2m c o

e

e

(1.25)

Electron và positron thường di chuyển vài milimet trong vật liệu trước khi

bị môi trường hấp thụ năng lượng. Khi các positron bị chậm lại do va chạm với

môi trường, các position sẽ kết hợp với electron của môi trường tạo thành hai bức

16

xạ gamma có năng lượng 0,511 MeV bay ngược chiều nhau (để bảo toàn xung

lượng). Hai photon này có thể bị hấp thụ hoặc thoát ra khỏi detector và hình thành

lên các đỉnh thoát trong phổ gamma. Nếu một photon thoát ra khỏi detector thì đỉnh quan sát được có năng lượng hν – moc2, nhưng nếu cả hai tia đều thoát ra ngoài thì xuất hiện đỉnh thoát có năng lượng hν – 2moc2 trong phổ.

1.2.6. Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma

1.2.6.1. Phương pháp phổ gamma

Đa số các hạt nhân phóng xạ con được hình thành ở trạng thái kích thích,

chúng phát ra bức xạ gamma để trở về trạng thái kích thích có năng lượng thấp và

cuối cùng về trạng thái cơ bản. Phổ bức xạ gamma do đồng vị phóng xạ phát ra là

phổ gián đoạn, có năng lượng hoàn toàn đặc trưng cho nguyên tố đó. Cường độ bức

xạ gamma đặc trưng của mỗi nguyên tố phóng xạ tỷ lệ thuận với hàm lượng của

nguyên tố đó.

Trong thực tế, để xác định hàm lượng của các đồng vị phóng xạ theo

phương pháp phổ gamma đều dựa vào diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của các

vạch bức xạ gamma đặc trưng có cường độ lớn và ở xa các vạch khác. Với các thiết

bị phổ kế gamma bán dẫn có độ phân giải cao, cho phép tách được hầu hết các đỉnh

hấp thụ toàn phần của các vạch bức xạ gamma đặc trưng do các nguyên tố phóng xạ

phát ra. Với việc trợ giúp của máy tính, các chương trình xử lý phổ ngày càng hoàn

thiện, diện tích của các đỉnh hấp thụ toàn phần được xác định một cách nhanh

chóng với độ chính xác cao. Như vậy, với hệ phổ kế gamma bán dẫn có độ phân

giải năng lượng cao có thể xác định được hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ

phát ra bức xạ gamma có trong mẫu.

Xét trường hợp hạt nhân con tạo thành ở trạng thái kích thích, khi đó chúng

sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ gamma đặc trưng, để về trạng thái kích

thích thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản. Từ phổ gamma thu được khi đo mẫu trên hệ

phổ kế ta sẽ tính được hoạt độ của các nhân phóng xạ có trong mẫu.

17

Trong phương pháp phân tích hoạt độ phóng xạ theo phổ gamma ta quan

tâm đến hệ số phân nhánh Iγ của bức xạ gamma. Hệ số phân nhánh của bức xạ

gamma đặc trưng cho số gamma phát ra trong một phân rã. Như vậy hệ số phân

nhánh 0< Iγ<1. Theo định nghĩa:

Iγ=số phân rã gamma đặc trưng có năng lượng Eγ/số phân rã phóng xạ

Nếu gọi nγ là số bức xạ gamma đặc trưng có năng lượng Eγ phát ra từ mẫu

trong một đơn vị thời gian thì nó được xác định theo công thức:

nγ= Iγ A (1.26)

Trong đó: A là hoạt độ phóng xạ có trong mẫu.

Iγ là cường độ tia gamma (hệ số phân nhánh) có năng lượng Eγ

Với tia gamma có năng lượng xác định, Iγ biết, xác định số tia gamma

năng lượng Eγ phát ra từ mẫu trong một đơn vị thời gian sẽ biết hoạt độ phóng xạ

A của đồng vị có trong mẫu. Để xác định nγ dựa vào diện tích đỉnh hấp thụ toàn

phần của bức xạ gamma đặc trưng.

Gọi n0 là tốc độ đếm tại đỉnh hấp thụ toàn phần đã trừ phông trong một

đơn vị thời gian, ε là hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch

gamma đặc trưng, ta có:

(1.27) n0 = ε nγ

Thực nghiệm đo phổ gamma của mẫu cần phân tích trong thời gian t, sử

dụng chương trình phân tích phổ mẫu phân tích và mẫu phông. Xác định được diện

tích đỉnh hấp thụ toàn phần đã trừ phông trong thời gian t là s.

Tốc độ đếm đã trừ phông là n0 được xác định theo công thức:

n

0

(1.28)

s  t

A

Từ công thức (1.26) và công thức (1.27), ta có:

n 0 I

(1.29)

18

Từ công thức (1.29) nhận thấy với mỗi vạch gamma có năng lượng Eγ xác

định, Iγ đã biết, nếu biết hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần và thực

nghiệm, xác định được n0 ta sẽ tính được hoạt độ A của đồng vị có trong mẫu.

Hiệu suất ghi tại đỉnh hấp thụ toàn phần được xác định dựa vào đường

cong hiệu suất ghi. Hệ số phân nhánh sẽ được tra cứu trong các bảng số liệu hạt

nhân. Trong bảng 1.1 đưa ra các đặc trưng năng lượng và hệ số phân nhánh của

bức xạ gamma đặc trưng của các đồng vị phóng xạ trong tự nhiên.

Bảng 1.1: Các đỉnh gamma có cường độ mạnh nhất do các đồng vị phóng xạ tự nhiên phát ra

Đồng Chu kỳ bán Năng lượng Cường độ Ghi chú

vị rã gamma tương đối

(keV) (%)

7Be 40K

53,22 ngày Can nhiễu từ 228Ac 10,44 477,60

11 4,563 10 ngày Chuỗi phân rã của 235U 235U

10,66 1460,82

11 2,571 10 ngày

57,2 185,72

230Th

Can nhiễu do 223Ra, 226Ra và là

44,8%. Cần phải nhiệu

chính chồng chập đỉnh

10,96 143,76

Cần hiệu chính chồng chập đỉnh của230Th

5,08 163,33

Can nhiễu rất nhiều. 5,01 205,31

Không nên sử dụng

đỉnh này.

227Th

18,718 12,6 235,96

ngày 6,8 256,23

19

223Ra 219Rn

11,43 ngày 13,7 259,46

3,96 giây 10,8 271,23

Can nhiễu từ 228Ac Can nhiễu từ 228Ac và 223Ra

6,4 401,81

12 1,632 10

Chuỗi phân rã của 238U 238U 49,55 0,0697

234Th

Can nhiễu rất mạnh từ 227Th. Không nên dùng. ngày

24,10 ngày 4,8 Có thể sử dụng sau khi 63,28

để lưu mẫu dài ngày

(để đạt cân bằng)

92,37 2,81 Nên dùng thêm với các

đỉnh khác

92,79 2,77

Can nhiễu rất mạnh từ 228Ac. Can nhiễu từ tia-

234mPa 1,17 phút

X

1,021 Không bị can nhiễu, 1001,03

nhưng khó xuất hiện ở

0,391 766,37

hoạt độ thấp Can nhiễu từ 214Pb và 211Pb.

0,075 258,19

226Ra

3,555 186,21

Can nhiễu rất mạnh từ 214Pb. Can nhiễu do 235Ra và 230Th là 57,1%. Cần

phải nhiệu chính chồng

214Pb

chập đỉnh

26,8 phút 35,60 351,93

18,414 Can nhiễu từ 212Bi 295,22

20

242,00 7,258 Can nhiễu từ 224Ra và

214Bi

ảnh hưởng của đỉnh 238,63 keV của 212Pb

19,9 phút 609,31 45,49 Hiệu chỉnh trùng phùng

tổng

15,31 1764,49

1120,29 14,91 Hiệu chỉnh trùng phùng

tổng

1238,11 5,831 Hiệu chỉnh trùng phùng

tổng

210Pb

2204,21 4,913

8,14 x 103 4,25 Can nhiễu từ 231Pa 46,54

ngày Chuỗi phân rã của 232Th 232Th 5,13 x 1012 63,81 0,27

228Ac

ngày Can nhiễu mạnh từ 234Th. Không nên dùng

6,15 giờ 25,8 Hiệu chỉnh trùng phùng 911,20

tổng

15,8 Hiệu chỉnh trùng phùng 968,97

tổng

338,32 11,27 Hiệu chỉnh trùng phùng

tổng và can nhiễu từ 223Ra và 214Bi

964,77 4,99 Hiệu chỉnh trùng phùng

212Pb

tổng

10,64 giờ 43,6 238,63

Cần tách đỉnh 242,00 keV của 214Pb

300,09 3,18 Hiệu chỉnh trùng phùng

21

212Bi

tổng và can nhiễu từ 231Pa

60,54 phút 727,33 6,74 Hiệu chỉnh trùng phùng

và can nhiễu

tổng mạnh từ 228Ac

208Tl

1,51 1620.74

3,060 phút 2614,51 Hiệu chỉnh trùng phùng 99,7

tổng

30,4 Hiệu chỉnh trùng phùng 583,19

tổng

12,5 Hiệu chỉnh trùng phùng 860,56

tổng

510,7 22,6 Hiệu chỉnh trùng phùng

tổng và trùng với đỉnh

hủy 511 keV

Bảng 1.1 liệt kê tất cả các đồng vị có thể phát hiện được bằng phổ kế gamma trong chuỗi phân rã của uran và thori và 40K, 7Be. Bên cạnh đó có đưa ra

một số can nhiễu chính của các đỉnh. Dựa vào đây ta có thể lựa chọn các đỉnh thích

hợp nhất để phân tích sao cho sai số là nhỏ nhất. Các đỉnh gamma được chọn để

phân tích là các đỉnh hấp thụ toàn phần có cường độ mạnh, ở xa các vạch khác và ít

bị ảnh hưởng của can nhiễu. Trong một số trường hợp bắt buộc phải sử dụng các

đỉnh bị can nhiễu thì ta cần phải có những hiệu chỉnh đặc biệt để giảm thiểu sai số.

1.2.6.2. Các chuỗi phân rã phóng xạ trong tự nhiên

Uran và thori không bền, chúng phân rã alpha trở thành các hạt nhân phóng xạ con cháu. Uran tự nhiên gồm ba đồng vị 238U, 235U, 234U. Thori trong tự nhiên có một đồng vị duy nhất là 232Th. Các nhân phóng xạ này đều phân rã thành các nhân

phóng xạ nhẹ hơn và nhân phóng xạ nhẹ nhất ở trạng thái bền là chì.

22

Chuỗi phân rã của 238U

Các nhân phóng xạ trong chuỗi được liệt kê trong hình 1.6. 238U chiếm 99.25 % uran tự nhiên, 238U là đồng vị phóng xạ phân rã alpha thành 234Th. Đồng vị này cũng là đồng vị phóng xạ và phân rã thành 234mPa. Chuỗi phân rã này tiếp diễn cho đến đồng vị cuối cùng của chuỗi này là đồng vị bền 206Pb.

Hình 1.7: Chuỗi phân rã phóng xạ của 238U

Nếu nhìn vào chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ trong chuỗi, ta thấy

chu kỳ bán rã của tất cả các đồng vị này đều ngắn hơn nhiều so với chu kỳ bán rã của đồng vị mẹ 238U. Điều này có nghĩa rằng các đồng vị con cháu của 238U trong

23

khối uran tự nhiên không bị xáo trộn sẽ cân bằng với 238U. Hoạt độ của mỗi đồng vị con cháu này sẽ bằng với hoạt độ của 238U. Tổng số trong chuỗi phân rã có 14 đồng vị phóng xạ nên hoạt độ tổng của nguồn này sẽ gấp 14 lần hoạt độ của đồng vị 238U

hoặc của bất kỳ đồng vị phóng xạ con cháu nào trong chuỗi.

Cũng có trường hợp đồng vị con có chu kỳ bán rã dài hơn so với đồng vị mẹ. Chẳng hạn như trường hợp 234mPa/234U. Nếu chỉ quan tâm đến 234mPa thì hiện

tượng cân bằng phóng xạ sẽ không xảy ra. Tuy nhiên, cần nhớ rằng đối với những

nguồn có thời gian kể từ khi nó được chế tạo lớn hơn 10 lần chu kỳ bán rã của đồng vị mẹ trước đó có thời gian sống dài nhất, trong ví dụ này là của 234mPa, thực chất cũng gần như của đồng vị 238U. Trong thực tế, điều này có nghĩa rằng hoạt độ đo

được trong mẫu của bất kỳ đồng vị con cháu nào cũng gần như là hoạt độ của đồng vị mẹ 238U và của tất cả các đồng vị phóng xạ khác có trong chuỗi phân rã. Có thể

đo hoạt độ của vài đồng vị trong chuỗi để có đoán nhận chính xác hơn.

Trong số các đồng vị con trong chuỗi phân rã của 238U không phải đồng vị

nào cũng có thể đo gamma một cách dễ dàng. Thực tế chỉ có 6 đồng vị trong bảng

1.1 đã được gạch chân là có thể đo được một cách tương đối dễ. Do vậy, có thể đo

hoạt độ của các đồng vị này và từ đó suy ra hoạt độ của các đồng vị trước đó trong

chuỗi phân rã. Chú ý cần phải kiểm tra về điều kiện cân bằng vì phương pháp này

chỉ đúng cho mẫu cân bằng. Có thể đo hoạt độ của các đồng vị trong chuỗi như 234Th, 234mPa, 226Ra và 214Pb, 214Bi và 210Pb để kiểm tra điều kiện cân bằng này.

Chuỗi phân rã của 235U

Trong tự nhiên, đồng vị phóng xạ 235U chỉ chiếm 0.72% trong tổng số uran. Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị 235U được đưa ra trong Hình 1.8. Chuỗi phân rã

này có 12 đồng vị bao gồm 11 tầng phân rã và có 7 loại hạt alpha có năng lượng

khác nhau được phát ra trong chuỗi này.

24

Hình 1.8: Chuỗi phân rã phóng xạ của 235U

Trong chuỗi phân rã này, chỉ có đỉnh gamma của đồng vị 235U là có thể dễ dàng đo được. Đỉnh của một số đồng vị khác như 227Th, 223Ra và 219Rn đo khó khăn

hơn. Mặc dù sai số đo đỉnh gamma của các đồng vị con có thể tương đối cao nhưng

25

việc đo hoạt độ của chúng cũng vẫn cho phép có những đoán nhận về hoạt độ của 235U hoặc kiểm tra về cân bằng phóng xạ của mẫu.

Chuỗi phân rã phóng xạ của 232Th

Đồng vị 232Th chiếm 100% trong tự nhiên.Chuỗi phân rã của đồng vị phóng

xạ này được trình bày trong hình vẽ 1.9.

Hình 1.9: Chuỗi phân rã phóng xạ của 232Th

Chuỗi phân rã này bao gồm 10 tầng và phát ra 6 loại hạt alpha. Có thể dùng phổ kế gamma để đo các đỉnh của 228Ac, 212Pb, 212Bi và 208Tl một cách dễ dàng.

26

Phân rã của đồng vị 212Bi bị phân nhánh. Nó chỉ phân rã alpha về đồng vị 208Tl với xác suất 35,94% và phân rã beta về đồng vị 212Po với xác suất 64,06%. Nếu đo 208Tl để tính hoạt độ của Thori thì cần lấy hoạt độ của 208Tl chia cho giá trị của tỉ số rẽ

nhánh là 0,3594.

27

CHƯƠNG 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1. Hệ phổ kế gamma bán dẫn SEGe – Canberra

2.1.1. Sơ đồ khối

Hình 2.1 là sơ đồ hệ phổ kế gamma dải rộng với detector SEGe của hãng

Canberra được đặt tại Viện Y học Phóng xạ và U bướu Quân đội.

Hình 2.1: Sơ đồ hệ phổ kế SEGe – Canberra

28

Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ phổ kế SEGe – Canberra

1. Detector SEGe 5. Khuếch đại tuyến tính

2. Nguồn nuôi cao thế 6. Máy phân tích biên độ đa kênh

3. Tiền khuếch đại 7. Máy tính

4. Máy phát xung chuẩn

Hình 2.2 là sơ đồ khối của hệ phổ kế ở trên. Hệ phổ kế gamma bán dẫn

SEGe – Canberra gồm: Buồng chì, detector bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết

(SEGe), các hệ điện tử thu nhận và xử lý tín hiệu như tiền khuếch đại, khuếch đại

phổ, bộ biến đổi tương tự số (ADC), máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA),

nguồn nuôi cao áp… Ngoài ra, còn có thể có các bộ phận khác như máy phát xung

chuẩn hoặc bộ loại trừ chồng chập xung để hiệu chỉnh các hiệu ứng gây mất số đếm

trong trường hợp tốc độ đếm lớn, bộ khuếch đại phổ… Hệ phổ kế được ghép nối

với máy tính thông qua card ghép nối, việc ghi nhận và xử lý phổ được thực hiện

bằng các phần mềm chuyên dụng như Genie 2000, Gamma Vision.

2.1.2. Detector

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động:

Detector Gecmani là đi ốt bán dẫn có cấu trúc P-I-N (Hình 2.3), trong đó

vùng ở giữa (I) là vùng nghèo nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là tia X và tia

gamma. Dưới điện áp ngược điện trường mở rộng qua vùng này. Khi photon tương

tác với vật chất bên trong thể tích vùng nghèo, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra

và di chuyển vể các điện cực P, N dưới tác dụng của điện trường. Lượng điện tích

29

này tỷ lệ với năng lượng tích lũy trong detector của photon tới và được chuyển

thành xung thế bởi tiền khuếch đại nhạy điện tích.

Hình 2.3: Nguyên tắc hoạt động của detector bán dẫn

Do Gecmani có khe vùng nhạy tương đối thấp nên detector phải được làm

mát để giảm nhiệt sinh ra từ các phần tử mang điện (do đó tỷ lệ nghịch với dòng rò)

đến mức chấp nhận được. Ngoài ra dòng rò còn gây nhiễu phá hủy độ phân giải năng lượng của detector. Ni tơ lỏng ở nhiệt độ 77 oK thường được dùng để làm mát

các detector này. Detector được đặt trên một bình chân không có gắn bình LN2 bên

trong. Hình 2.4 mô tả sơ đồ cấu tạo của bộ làm lạnh. Bề mặt của detector rất nhạy nên được bảo vệ khỏi độ ẩm và các chất ô nhiễm khác [4].

30

Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo của bộ làm lạnh

Một bộ làm lạnh gồm có buồng chân không, trong buồng chân không chứa

detector và một bình (bình hai thành chân không - cách điện) chứa chất làm lạnh ni

tơ lỏng. Detector được đặt ở một hốc cách điện với cột làm lạnh bằng đồng nhưng

lại có sự trao đổi nhiệt với cột này. Cột làm lạnh truyền nhiệt từ detector sang ni tơ

lỏng. Bên ngoài detector là chân không và nắp mỏng để tránh làm suy giảm các

photon năng lương thấp.

2.1.3. Các thông số của hệ phổ kế gamma SEGe

Luận văn sử dụng detector bán dẫn Gecmani đồng trục (SEGe) model

GC1518, số Seri 11037715 do hãng Canberra sản xuất.

- Detector SEGe có dải năng lượng từ 40 keV tới lớn hơn 10 MeV

- Đường kính tinh thể 52 mm,

- Chiều dày tinh thể 34.5 mm,

31

60Co

- Phân giải năng lượng 1.8 keV tại đỉnh năng lượng 1.33 MeV của đồng vị

- Tỷ số Đỉnh/Compton là 44:1

- Hằng số thời gian 4 µs

- Detector được làm lạnh bằng ni tơ lỏng từ nhiệt độ phòng 300K xuống

nhiệt độ làm việc của hệ là 90K

- Thế làm việc của detector là 3500 V

- Bề dày vỏ hốc chứa detector: 1 mm

- Cửa sổ (end-cap) có đường kính 76 mm, bề dày 1.5 mm

- Bề mặt detector được đặt cách cửa sổ 5 mm

- Buồng chì có vỏ ngoài làm bằng thép cacbon phông phóng xạ thấp dày 9,5

mm, phần chì phông thấp dày 10 cm, lớp che chắn bên trong làm bằng kẽm dày 1

mm và đồng tinh khiết dày 1,6 mm.

2.1.4. Phần mềm Genie 2000

Phổ gamma được ghi nhận, lưu trữ và phân tích bởi phần mềm Genie 2000.

Phần mềm này có thể thực hiện nhiều quy trình ghi nhận phổ độc lập cho nhiều

detector sử dụng kết nối mạng. Trong Genie 2000 khả năng ghi nhận và phân tích

được tích hợp chặt chẽ với giao diện sử dụng trực quan và vận hành đơn giản cho

nhiều ứng dụng. Màn hình của phần mềm Genie giúp cho việc theo dõi thí nghiệm

một cách dễ dàng. Phổ thu nhận được từ phổ kế được quan sát online trong suốt quá

trình đo.

Bên cạnh đó, Genie còn có đầy đủ chức năng của một phần mềm phân tích

phổ off-line, bao gồm: xây dựng các đường chuẩn cho hệ phổ kế (năng lượng, phân

giải, hiệu suất ghi), tìm đỉnh và phân tích phổ tự động, phân tích từng đỉnh cho

người dùng tự chọn. Nếu muốn người dùng có thể hiệu chỉnh các đỉnh trùng phùng

tổng trong phổ. Quy trình chuẩn được đơn giản hóa bằng cách sử dụng các file dữ

32

liệu hạt nhân tích hợp trong phần mềm như: nhân phóng xạ, tỷ số phân nhánh, độ

bất định...

Genie cung cấp hai thuật toán để tính toán diện tích đỉnh là khớp bình

phương tối thiểu phi tuyến và thư viện. Bước đầu tiên là khớp bình phương tối thiểu

là xác định các giới hạn của đỉnh. Ở đây hệ thống sẽ tự động thiết lập các giới hạn

và thuật toán cũng xác định xem các đỉnh liền kề sẽ được phân tích như các đỉnh

đơn hay các đỉnh bội. Diện tích đỉnh sẽ được tính toán khác nhau đối với các đỉnh

đơn và các đỉnh bội. Tiếp đó, từ kết quả diện tích đỉnh chương trình sẽ khớp mô

hình đỉnh mong muốn (được thiết lập trong quá trình chuẩn) với mỗi đỉnh trong

phổ. Trong quá trình này, thuật toán sẽ dán nhán các đỉnh có can nhiễu trong phổ và

thực hiện hiệu chỉnh loại bỏ can nhiễu khỏi đỉnh hiện tại. Quá trình này được lặp lại cho tất cả các đỉnh trong phổ [5]. Do vậy, có thể xem việc sử dụng phần mềm Genie

để phân tích phổ gamma thu được cho kết quả khá tin cậy.

2.1.5 Quy trình vận hành

- Kiểm tra điều kiện làm việc của phòng đo bao gồm: hệ thống điện, điều

kiện nhiệt độ, độ ẩm và điều kiện vệ sinh sạch sẽ.

- Đổ đầy ni tơ vào bình, thời gian chờ đủ lạnh ít nhất 10 tiếng.

- Kiểm tra các khối chức năng, khối điểu khiển, máy tính hoạt động bình

thường.

- Bật máy tính chạy phần mềm thu nhận phổ Genie.

- Lên cao thế: Đưa công tác trên khối HV về vị trí ON. Chắc chắn rằng chỉ

thị cao áp trên khối này là 0 V (tức là đền chưa sáng); Nhấn nút Reset và chắc chắn

rằng đèn hiển thị tại ON bật sáng. Nếu ON không sáng sau khi nhấn Reset nghĩa là

cao áp vào đầu dò bị cấm, nguyên nhân có thể do đầu dò chưa đủ lạnh, khi đó

không được lên cao áp và kiểm tra lại các điều kiện của hệ đo; Tiếp đó bắt đầu lên

cao áp theo từng bước, cứ 5 s tăng 10 V. Tiếp tục làm như vậy cho đến khi cao áp

đạt 3500 V.

33

- Chọn chế độ làm việc: Sử dụng nguồn chuẩn để chuẩn chuấn máy. Tức là

trong quá trình đo phổ nguồn chuẩn, thay đổi các chế độ của khuếch đại phổ như

COARSE GAIN, FINE GAIN, SHAPING TIME nhằm đạt được chế độ đo tối ưu

cho từng phép đo (dạng phổ đẹp). Từ thực nghiệm chọn được hệ số trên COARSE

GAIN là 10, FINE GAIN là 8, SHAPING TIME là 4 µs.

Tiến hành chuẩn năng lượng, đo phông, chuẩn hiệu suất và phân tích mẫu.

- Hạ cao thế và tắt máy: Sau khi kết thức việc đo phổ thực hiện quy trình hạ

cao áp và tắt máy. Vặn vòng số trên khối HV theo chiều ngược chiều kim đồng hồ,

mỗi lần không quá 10 V, mỗi bước hạ cao áp như vậy cách nhau 10 s. Khi vòng số

về vị trí 0, đưa công tắc về vị trí OFF.

- Tắt máy tính

2.2. Chuẩn năng lượng

Đường chuẩn năng lượng là đồ thị mô tả sự phụ thuộc của vị trí cực đại

đỉnh hấp thụ toàn phần vào năng lượng của vạch bức xạ gamma tương ứng. Hiệu

chuẩn năng lượng của một hệ detector germanium (tức là xác định số kênh của

MCA liên quan với năng lượng tia gamma) được thực hiện bằng cách đo đạc nguồn

chuẩn của các nhân phóng xạ đã biết có năng lượng xác định trong khoảng quan

tâm. Độ chính xác của việc xây dựng đường chuẩn năng lượng phụ thuộc vào độ

chính xác khi xác định vị trí cực đại của đỉnh được chọn làm chuẩn để xây dựng

đường chuẩn. Tốt nhất là chọn nguồn chuẩn năng lượng là các nguồn gamma đơn

năng. Các đỉnh được chọn xây dựng đường chuẩn năng lượng có giá trị phân bố đều

trong vùng năng lượng gamma quan tâm là tốt nhất. Trên thực tế, nếu không có

nguồn chuẩn gamma đơn năng, có thể sử dụng nguồn gamma phức tạp có nhiều

thành phần. Trong các vạch gamma của nguồn phức tạp, chọn vạch phổ có năng

lượng lớn nhất, những vạch có cường độ mạnh và ở xa các vạch khác.

Để chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế SEGe tác giả sử dụng các nguồn

chuẩn: 60Co, 57Co,131I, 137Cs.

34

2.3. Khảo sát độ phân giải năng lượng vào năng lượng bức xạ gamma

Phân giải năng lượng liên quan đến sự phản hồi của detector. Độ phân giải

năng lượng được định nghĩa là khả năng phân biệt hai bức xạ có năng lượng gần

nhau của detector. Đại lượng này thường được biểu diễn bằng độ rộng ở một nửa

(FWHM) chiều cao xung. Trong trường hợp lí tưởng mỗi tia gamma có năng lượng

giống nhau sẽ cho cùng số kênh trên phổ gamma. Nhưng thực tế các đỉnh phổ trải

rộng trên một số kênh, với ưu thế tại một kênh trung tâm, mà chúng ta có thể xác

định ứng với năng lượng của tia gamma, nguyên nhân là do có thăng giáng trong

quá trình phát hiện và ghi nhận, gây ra các sự kiện giống nhau như số đếm trên các

kênh phổ khác nhau.

(2.1)

Thăng giáng của các nguồn có thể được xác định bởi biểu thức [7]:

+

+

+

=

Trong đó: η là tổng thăng giáng được đo bằng phổ kế

ηI là thang giáng năng lượng do độ rộng mức năng lượng

ηP là thăng giáng trong việc tạo cặp điện tử - lỗ trống trong detector [7]

= 2.355/ (2.2)

trong đó : E là năng lượng bức xạ gamma, F là hệ số Fano phản ánh mức độ gián

đoạn của sự truyền năng lượng bức xạ ion hóa cho các cặp phần tử tải điện, ω là

năng lượng cần thiết để tạo 1 cặp điện tử lỗ trống.

ηC là thăng giáng do sự ghi nhận các điện tích của detector [7]

μ = (C là hằng số) (2.3)

ηe là thăng giáng điện tử trong việc xử lý xung, ηe=A (A là hằng số)

Trong các trường hợp có thể bỏ qua thang giáng do độ rộng mức năng

= + + (2.4)

lượng nên:

+

+

=

35

Suy ra

= √ + + (2.5)

Do sự thăng giáng về năng lượng của một tia gamma để lại trong hạt nhân nên phổ

thường có độ rộng hữu hạn ∆E. Nếu độ rộng ∆E càng nhỏ, tức là đỉnh càng hẹp thì

càng có thể phát hiện những đỉnh nằm cạnh nhau. Nhưng nếu độ rộng ∆E càng lớn,

các đỉnh lân cận nhau không thể tách rời thì chúng được xem như một đỉnh. Như

vậy chính độ rộng đỉnh quy định khả năng phân giải của thiết bị đo phổ.

Vì vậy tác giả tiến hành khảo sát độ phân giải của detector theo năng lượng tia gamma. Luận văn sử dụng các nguồn chuẩn 60Co, 57Co, 131I, 137Cs. Các nguồn

chuẩn được đo sao cho diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của các bức xạ gamma đặc

trưng được chọn có sai số thống kê nhỏ hơn 1 %.

2.4. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi

Để xác định hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ trong mẫu phân tích,

theo phương pháp phổ gamma, cần biết hiệu suất ghi của detector ứng với vạch hấp

thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng. Vì vậy, ngoài xây dựng đường chuẩn

năng lượng, trước khi đưa hệ phổ kế gamma vào hoạt động, cần phải xác định được

hiệu suất ghi của detector ứng với các năng lượng gamma trong dải năng lượng làm

việc của detector.

Mẫu chuẩn dùng để lập đường cong hiệu suất ghi đối với các mẫu thực vật

theo khuyến cáo của IAEA là mẫu chuẩn IAEA 156. Trong mẫu chuẩn IAEA 156 chứa các đồng vị phóng xạ 134Cs và 137Cs với chu kỳ bán rã của 134Cs là nhỏ 2,0648

năm, nhưng do trong phòng thí nghiệm chỉ có mẫu IAEA 156 được sản xuất vào 1/1/1991 nên đồng vị 134Cs đã phân rã hết. Tính toán và thực nghiệm đã chỉ ra rằng tốc độ đếm tại các đỉnh của 134Cs bằng 0 ngay cả đỉnh 604,7keV (có hệ số phân

nhánh là 97,4%) và đỉnh 795,8keV (có hệ số phân nhánh 85,4%) đều không xuất

hiện với thời gian đo phổ 130000 s. Vì vậy để có mẫu chuẩn phục vụ cho việc xây

dựng đường cong hiệu suất ghi, tác giả sử dụng mẫu chuẩn hỗn hợp (mẫu chuẩn

RGU-1 kết hợp với mẫu chuẩn IAEA 156) của Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Trường

36

Đại học Khoa học Tự nhiên để chuẩn hiệu suất ghi phục vụ cho việc phân tích mẫu

thực vật. Trong mẫu chuẩn hỗn hợp ở trên có chứa 18,07g mẫu chuẩn RGU-1 với 129,75g IAEA 156. Hoạt độ phóng xạ của 238U trong mẫu chuẩn hỗn hợp được sử dụng là 89,27Bq và của 235U là 4,12Bq. Mẫu chuẩn và mẫu phân tích được đặt trong

hộp hình trụ có đường kính là 8 cm, chiều cao 3 cm. Mẫu chuẩn được đặt sát

detector, thời gian đo mẫu đủ lớn để các đỉnh hấp thụ toàn phần nhỏ hơn 1,5%.

Thông qua việc đo phổ của các nguồn chuẩn và phần mềm Genie, ta xác

định được diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma ứng với năng

lượng xác định. Biết cường độ của vạch bức xạ gamma, hoạt độ phóng xạ của

nguồn chuẩn tính được thông lượng của bức xạ gamma quan tâm bay vào detector.

Từ đó xác định được hiệu suất ghi của đetector tại năng lượng tương ứng với năng

lượng của bức xạ gamma được chọn làm chuẩn theo công thức:

(2.6) () =

Trong đó:

n là tốc độ đếm tại đỉnh năng lượng E của mẫu chuẩn đã hiệu chỉnh phông

(xung/giây)

Iγ là hệ số phân nhánh của tia gamma có năng lượng E

A hoạt độ của nguồn tại thời điểm đo (Bq)

(2.7)

Sai số được xác định theo công thức:

+ ∆

∆ = ∆

∆

(2.8) + ∆ = ∆ + ∆

Với ∆, ∆, ∆, ∆, ∆ tương ứng là sai số của hoạt độ nguồn, sai số của

hệ số phân nhánh, sai số của tốc độ đếm mẫu chuẩn đã hiệu chỉnh phông, sai số của

tốc độ đếm mẫu chuẩn chưa hiệu chỉnh phông và sai số của tốc độ đếm phông.

37

Để xác định chính xác diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ

gamma được chọn để xây dựng đường cong hiệu suất ghi phải có cường độ lớn và ở

xa các vạch khác. Sau đó làm khớp các kết quả đo thực nghiệm với các hàm giải

tích thích hợp. Hiệu suất ghi ở từng năng lượng cụ thể được xác định bằng phương

pháp nội suy.

2.5. Lấy mẫu, xử lý mẫu và chuẩn bị mẫu đo

Vị trí lấy mẫu

Bảng 2.1: Thông tin của các mẫu sử dụng để phân tích trên hệ phổ kế gamma

Vị trí lấy mẫu

Xã Vạn Ninh, huyện Móng Cái, tỉnh Quảng Ninh Mẫu gạo 1 Xã Cộng Hòa, huyện Cẩm Phả, tỉnh Quảng Ninh Mẫu gạo 2 Xã Đài Xuyên, huyện Vân Đồn, tỉnh Quảng Ninh Mẫu gạo 3 Xã Việt Hưng, Tp. Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh Mẫu gạo 4 Xã Đồn Đạc, huyện Ba Chẽ, tỉnh Quảng Ninh Mẫu ngô 1 Xã Phong Dụ, huyện Tiên Yên, tỉnh Quảng Ninh Mẫu ngô 2 Xã Quảng Đức, huyện Hải Hà, tỉnh Quảng Ninh Mẫu ngô 3 Xã Hải Sơn, huyện Móng Cái, tỉnh Quảng Ninh Mẫu ngô 4 Mẫu ngô 5 Xã Đài Xuyên, huyện Vân Đồn, tỉnh Quảng Ninh Mẫu khoai 1 Xã Phong Dụ, huyện Tiên Yên, tỉnh Quảng Ninh Mẫu khoai 2 Xã Lê Lợi, huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh Mẫu khoai 3 Xã Vạn Yên, Vân Đồn, tỉnh Quảng Ninh Mẫu khoai 4 Xã Phong Dụ, huyện Tiên Yên, tỉnh Quảng Ninh Mẫu khoai 5 Xã Yên Đức, huyện Đông Triều, tỉnh Quảng Ninh Khối lượng tươi (Kg) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 18 18 18 18 18

Xử lý mẫu

- Gạo, ngô sau khi lấy được nhặt sạch các tạp chất bên trong mẫu; khoai

được rửa sạch, cắt bỏ rễ, đầu đuôi và để ráo nước rồi thái lát.

- Các mẫu được sấy ở nhiệt độ 105 oC cho đến khi khối lượng không đổi

- Than hóa 5-6 giờ cho hết khói ở nhiệt độ tối đa đối với từng mẫu. Thông thường, ở nhiệt độ 220oC mẫu sẽ bắt đầu cháy và có khói bốc ra từ lò đốt, khi đó để khoảng 1,5 giờ đến 2 giờ rồi tăng nhiệt độ lên 3700C và để trong 1,5 giờ đến 2 giờ.

38

Đối với gạo, ngô, khoai, sắn nhiệt độ than hóa hoàn toàn ở 325oC [8]. Để than hóa triệt để, không đặt nhiệt độ quá 325oC. Phải duy trì than hóa ở dưới nhiệt độ này

cho tới khi hết khói hoàn toàn thì tiếp tục duy trì thêm 60 phút đến 120 phút, sau đó tiếp tục nâng lên nhiệt độ khoảng 445oC.

- Tro hóa ở nhiệt độ nhỏ hơn 445oC trong khoảng tối đa 18 giờ đến khi tro

có mầu đen xám và tơi xốp là đạt yêu cầu. Để nguội tro trong lò nung đến dưới 150oC thì có thể chuyển ra ngoài.

Tạo mẫu dùng để phân tích:

Tro sau khi tro hóa, để nguội trong bình hút ẩm, được nghiền mịn tối đa và

trộn đều bằng máy xay có lưỡi dao phủ titan. Tro được đựng trong hộp nhựa sạch

hình trụ đường kính 8 cm, nén mẫu bằng dụng cụ ép đơn giản để cấu hình đo của

mẫu và mẫu chuẩn là đồng nhất. Đổ paraphin sạch để nhốt mẫu trong 4 tuần lễ để

đạt được sự cân bằng phóng xạ giữa Rađi và các sản phẩm con cháu của nó mới đưa

đi phân tích trên hệ phổ kế gamma phân giải cao để xác định hoạt độ các đồng vị

phóng xạ.

2.6. Phương pháp tính hoạt độ

Hoạt độ của mẫu được tính theo công thức:

(2.9) =

Trong đó:

A là hoạt độ của mẫu (Bq)

ns là tốc độ đếm tại đỉnh hấp thụ toàn phần của mẫu đã hiệu chỉnh phông

(xung/giây)

Iγ là hệ số phân nhánh của tia gamma có năng lượng E

ε hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng tương ứng. Đại lượng này được suy ra từ

đường chuẩn hiệu suất ghi ở trên.

39

(2.10)

Sai số của hoạt độ được tính như sau:

+ ∆

∆ = ∆

∆

(2.11) + ∆ = ∆ + ∆

Với ∆, ∆, ∆, ∆, ∆ tương ứng là sai số của hiệu suất ghi, sai số của

hệ số phân nhánh, sai số của tốc độ đếm mẫu đã hiệu chỉnh phông, sai số của tốc độ

đếm mẫu chưa hiệu chỉnh phông và sai số của tốc độ đếm phông.

2.7. Phương pháp tính MDA

Giới hạn phát hiện (MDA) là một thuật ngữ được sử dụng để biểu diễn khả

năng phát hiện của hệ đo. MDA có thể được tính cho mỗi nhân phóng xạ phát tia

gamma nhất định. Xác định MDA bằng cách đo mẫu trắng (gọi là mẫu phông) với

cùng kích thước, mật độ và thành phần hoá học (matrix) giống như mẫu nghiên cứu

71,2



29,3



 1 B

t B t

nhưng không có đồng vị phóng xạ ta quan tâm. Ví dụ cần tính MDA đối với đỉnh 137Cs thì tạo mẫu trắng không có 137Cs nhưng có các đồng vị phóng xạ khác (dãy 238U, dãy 232Th, 40K, ...) giống như mẫu nghiên cứu. MDA tính theo công thức sau[10]:

t



 mI

B



B

MDA (Bq/kg) = (2.12)

Trong đó:

NB: Diện tích đỉnh trên phổ phông trắng.

BN : Độ lệch chuẩn.

B =

t: Thời gian đo mẫu nghiên cứu (s)

tB: Thời gian đo mẫu trắng (phông) (s)

ε: Hiệu suất của đỉnh toàn phần tại năng lượng xem xét.

40

Iγ: Tỉ số phân nhánh (%).

mB: Khối lượng mẫu trắng (kg)

Khi tB = t và đo mẫu thật thì công thức trên trở thành (lúc đó mB là khối

 B

lượng mẫu, trong trường hợp lấy giá trị bằng 1 thì:

71,2 t

 66,4   I

MDA (Bq) = (2.13)

Luận văn dùng công thức (2.13) để tính gần đúng MDA cho hoạt độ của

một mẫu đo. Do điều kiện thực tế không có các mẫu trắng nên luận văn không đưa

ra giá trị MDA cho từng đồng vị phóng xạ trong các mẫu. Trong trường hợp tốc độ

đếm tại đỉnh năng lượng toàn phần trong phổ đo mẫu nhỏ hơn tốc độ đếm phông tại

đỉnh đó thì hoạt độ của đồng vị phóng xạ đang xét được xem như nhỏ hơn giá trị

BN , NB là diện tích đỉnh

MDA tính theo công thức (2.13), với độ lệch chuẩn B =

trong phổ của mẫu.

41

CHƯƠNG III – KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

3.1. Chuẩn năng lượng

Trên hình 3.1 là phổ gamma của nguồn chuẩn được đo trong thời gian

90000 giây

Hình 3.1: Dạng phổ của nguồn chuẩn được ghi nhận trên trên phổ kế gamma SEGe

Để xác định chính xác vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần được chọn để chuẩn

năng lượng, mẫu chuẩn được đo trong thời gian thích hợp để số đếm ứng với kênh cực đại của đỉnh không nhỏ hơn 104 xung. Trong bảng 3.1 đưa ra năng lượng của

các tia gamma và vị trí cực đại (kênh) tương ứng để chuẩn năng lượng.

42

Bảng 3.1: Số liệu của các tia gamma được chọn để chuẩn năng lượng và vị trí cực

đại tương ứng

Nguồn 57Co 131I 137Cs 60Co Năng lượng đỉnh (keV) 122 364 637 661 1173 1332 Hệ số phân nhánh (Iγ) 0.856 0.8176 0.0717 0.8512 0.9997 0.9998 Vị trí cực đại (kênh) 451 1396 2471 2546 4545 5170

Trong Genie 2000 đường chuẩn năng lượng được xử lý tự động, bằng cách

nhập giá trị năng lượng được chọn vào ô Energy và vị trí kênh cực đại tương ứng

sau khi đo các mẫu chuẩn vào ô Chanel, rồi chọn Accept (Hình 3.2). Tiếp tục nhập

các cặp giá trị năng lượng/kênh tiếp theo, khi kết thúc quá trình chuẩn năng lượng

chọn OK.

Hình 3.2: Chuẩn năng lượng trong Genie 2000

Từ số liệu ở trên, tác giả sử dụng chương trình Origin để thiết lập đường

chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế SEGe.

43

Hình 3.3: Đường chuẩn năng lượng của hệ phổ kế SEGe

Đường chuẩn năng lượng có dạng tuyến tính:

y = 3.897 x – 22.56

R2 = 1

Trong đó: y là giá trị của kênh tương ứng với x là năng lượng E (keV)

R là hệ số đánh giá chất lượng khớp

3.2. Xác định một số thông số của hệ phổ kế gamma

3.2.1. Sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng lượng của

bức xạ gamma

Bảng 3.2: Độ phân giải năng lượng của detector SEGe – Canberra

FWHM (keV)

60Co

Nguồn 57Co 131I 137Cs

Năng lượng đỉnh (keV) 122 364 637 661 1173 1332 Hệ số phân nhánh (Iγ) 0.856 0.8176 0.0717 0.8512 0.9997 0.9998 2.27 2.36 2.48 2.51 2.66 2.72

44

Bảng 3.2 là kết quả thực nghiệm xác định độ phân giải của detector SEGe

(FWHM) theo năng lượng tia gamma. Từ số liệu thu được, sử dụng chương trình

Origin ta sẽ xây dựng được đường cong mô tả sự phụ thuộc của độ phân giải năng

lượng vào năng lượng bức xạ gamma (Hình 3.4)

Hình 3.4: Độ phân giải năng lượng phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma

Độ phân giải năng lượng tăng theo năng lượng bức xạ gamma theo hàm số

có dạng:

∆ = −2 × 10 + 0.002 + 4.863

R = 0.996

Trong đó: E là năng lượng tia gamma (keV)

R là hệ số đánh giá chất lượng khớp

Từ đồ thị ta thấy rằng khi năng lượng bức xạ tăng, năng lượng hao phí trong

detector tăng, số cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra nhiều hơn dẫn tới độ phân giải

45

năng lượng tăng. Từ số liệu thực nghiệm ta thấy rằng độ phân giải năng lượng của detector tại đỉnh 1332 keV của đồng vị 60Co là 2.72 keV. Giá trị này lớn hơn độ

phân giải 1.8 keV của nhà sản xuất đưa ra. Sự sai khác này có thể chấp nhận được.

3.2.2. Khảo sát phông của hệ đo

Phông của hệ đo ảnh hưởng đáng kể đến giới hạn phát hiện và độ chính xác

của phép đo hoạt độ mức thấp. Phông thường có nguồn gốc sau đây: Các thành

phần cứng và mềm của bức xạ vũ trụ, bức xạ gamma của vật liệu cấu trúc detector

và thiết bị, bức xạ gamma của môi trường xung quanh.

Bức xạ vũ trụ sơ cấp là các hạt nhân năng lượng cao từ không gian vũ trũ,

khi đi vào bầu khí quyển chúng va chạm không đàn hồi với hạt nhân không khí tạo

nên bức xạ vũ trụ thứ cấp. Thành phần cứng là các hạt muôn có khả năng đâm

xuyên cao, thành phần mềm là các cặp electron – positron và các lượng tử gamma.

Bức xạ vũ trụ còn tác dụng trực tiếp lên detector gây ion hóa trong thể tích nhạy của

detector hoặc tạo lên các bức xạ thứ cấp trong vật liệu xung quanh. Trong vật liệu cấu trúc detector và các vật liệu xung quanh nó gồm có 40K, các đồng vị thuộc dãy uran và thori. Các đồng vị 222Ra và 220Rn luôn luôn có sẵn trong môi trường không

khí xung quanh hệ đo cùng với các sản phẩm con cháu của chúng.

Vì vậy đo đạc phông được thực hiện thường xuyên khi có thể và trước mỗi

phép đo rất cần thiết cho việc hiệu chỉnh phông khi phân tích phổ đo mẫu. Thời gian

đo phông đủ dài để thu được số liệu thống kê tốt. Luận văn tiến hành đo khảo sát

phông của hệ phổ kế SEGe trong thời gian 150000 giây khi đóng nắp buồng chì,

phổ phông được đưa ra trong hình 3.5 bên dưới.

46

Hình 3.5: Phổ phông của hệ phổ kế SEGe trong trường hợp đóng nắp buồng chì với thời gian đo 150000 giây

Đồng vị phóng xạ

212Pb 214Pb 214Pb 214Bi 208Tl 214Bi 137Cs 212Bi 228Ac 214Bi 214Bi 40K 214Bi 214Bi

Số đếm phông (xung) 0 0 0 146±35 0 198±27 0 0 49±8 0 0 333±40 0 0

Năng lượng (keV) 239 242 295.2 351.9 583 609.3 662 727 911 1120.3 1238.1 1461 1764.5 2204.1

Bảng 3.3: Số đếm tại các đỉnh các đỉnh năng lượng trong phổ phông của hệ phổ kế gamma SEGe đo trong thời gian 150000 giây

47

3.3. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu lương thực

Dưới đây là hình ảnh phổ của mẫu chuẩn ghi nhận trên hệ phổ kế gamma

SEGe trong thời gian 85000 giây

Hình 3.6: Phổ gamma của mẫu chuẩn dùng để phân tích mẫu thực vật ghi nhận trên

hệ phổ kế SEGe trong thời gian 85000 giây

Sử dụng phần mềm xử lý phổ Genie 2000 xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần

và sử dụng công thức (2.6) để tính hiệu suất ghi tương ứng với các đỉnh năng lượng.

Kết quả được ghi trong bảng dưới đây:

48

Bảng 3.4: Kết quả thực nghiệm xác định hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng toàn phần

của bức xạ gamma đặc trưng trong mẫu chuẩn

Hiệu suất ghi Iγ

Diện tích đỉnh (xung) 0.0743 13800±146 Tốc độ đếm đã trừ phông (xung/giây) 0.1624±0.0017 0.0245±0.0003

0.193 29100±179 0.3424±0.0021 0.0199±0.0001

0.376 46900±141 0.5502±0.0017 0.0164±5E-05

32600±64 0.3815±0.0008 0.0093±2E-05

5820±38 0.0685±0.0004 0.0051±3E-05

1970±6 0.0232±0.0001 0.0045±1E-05

3730±47 0.0439±0.0006 0.0032±4E-05

936±14 0.011±0.0002 0.0024±4E-05 E Đồng (keV) vị 214Pb 242 214Pb 295.2 214Pb 351.9 214Bi 609.3 0.461 214Bi 1120.3 0.151 214Bi 1238.1 0.058 214Bi 1764.5 0.153 214Bi 2204 0.0508

Hình 3.7: Đồ thị đường cong hiệu suất ghi được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma

SEGe – Canberra

Sử dụng chương trình Origin và số liệu trong bảng 3.4 ta thiết lập được

đường cong hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng toàn phần có dạng:

49

y = exp(1.99205 – 1.03937ln(x))

với x là năng lượng tia gamma (keV)

y là hiệu suất ghi tại đỉnh hấp thụ toàn phần tương ứng

3.4. Xác định hoạt độ riêng của các mẫu

Các mẫu sau khi được nhốt trong khoảng thời gian 4 tuần để đạt được trạng

thái cân bằng thế kỷ giữa các nhân phóng xạ mẹ và các hạt nhân con cháu sẽ được

đem đi đo. Trước khi đặt mẫu vào phổ kế dùng khăn sạch lau hộp đựng mẫu để

tránh làm bẩn phổ kế và loại trừ phông. Đặt hộp mẫu cần đo vào phổ kế sao cho

chuẩn trực với detector. Sau đó tiến hành đo mẫu và phân tích phổ. Các mẫu được

đo trên hệ phổ kế SEGe ở trên trong khoảng thời gian 150000. Trong các hình (3.8),

hình (3.9) và hình (3.10) dưới đây tương ứng là dạng phổ của mẫu gạo 1 với khối

lượng 175.8 g, mẫu ngô 1 với khối lượng 175.2 g và mẫu khoai 1 với khối lượng là

175.5 g.

Hình 3.8: Phổ gamma của mẫu gạo 1 được đo trên hệ phổ kế gamma siêu tinh khiết

SEGe trong thời gian 150000 giây

50

Hình 3.9: Phổ gamma của mẫu ngô 1 được đo trên hệ phổ kế gamma siêu tinh khiết SEGe trong thời gian 150000 giây

Hình 3.10: Phổ gamma của mẫu khoai 1 được đo trên hệ phổ kế gamma siêu tinh khiết SEGe trong thời gian 150000 giây

51

Sử dụng phần mềm Genie 2000 để xác định diện tích đỉnh tương ứng của

các đồng vị phóng xạ quan tâm. Dựa vào đường chuẩn hiệu suất ghi trong mục 3.3

để xác định hiệu suất tại các đỉnh năng lượng toàn phần tương ứng. Từ đó xác định

hoạt độ của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu theo công thức (2.9). Hoạt độ riêng

được tính bằng cách chia hoạt độ của đồng vị phóng xạ trong mẫu cho khối lượng

mẫu dùng để tro hóa (khối lượng mẫu tươi). Số liệu thực nghiệm được trình bày

trong các bảng dưới đây.

Hoạt độ (Bq)

Iγ

Đồng vị

E (keV)

Hiệu suất ghi ε

239

0.433

0.0248

Diện tích đỉnh (xung) 306±19

0.1902±0.0118

295

0.1932

0.0199

38±5

0.066±0.0087

583

0.8457

0.0098

144±29

0.116±0.0234

609

0.4615

0.0093

226±17

0.104±0.0263

662

0.8512

0.0086

356±24

0.3248±0.0219

727

0.0658

0.0078

36±8

0.4689±0.1042

911

0.258

0.0062

207±15

0.546±0.0396

Chuỗi phân rã 232Th 238U 232Th 238U 137Cs 232Th 232Th 40K

212Pb 214Pb 208Tl 214Bi 137Cs 212Bi 228Ac 4K

0.11

1,461

0.0038

21900±620

343.8571±9.7348

Iγ

0.433

E (keV) 239

Diện tích đỉnh (xung) 1.3

Hoạt độ (Bq) <0.005

<0.0185

0.1932

0.0199

295

2.9

0.4834±0.0596

600±74

0.8457

0.0098

583

0.0422±0.0139

0.0093

0.4615

186±9

609

0.0693±0.01

0.8512

0.0086

76±11

662

2.501±0.4429

192±34

0.0078

0.0658

727

1.1843±0.0882

359±21

0.0062

0.258

911

Bảng 3.5: Kết quả thực nghiệm xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ trong mẫu gạo 1 ở Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g

Đồng vị 212Pb 214Pb 208Tl 214Bi 137Cs 212Bi 228Ac 4K

678.4349±13.1740

42700±819

0.0038

1,461

0.11

Bảng 3.6: Kết quả thực nghiệm xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ trong mẫu ngô 1 ở Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g Hiệu suất Chuỗi phân rã ghi ε 232Th 0.0248 238U 232Th 238U 137Cs 232Th 232Th 40K

52

Bảng 3.7: Kết quả thực nghiệm xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ trong

Iγ

E (keV) 239

0.433

Hiệu suất ghi ε 0.0248

Diện tích đỉnh (xung) 481±75

Hoạt độ (Bq) 0.299±0.0466

295

0.1932

0.0199

235±34

0.4084±0.0591

583

0.8457

0.0098

398±20

0.3207±0.0161

609

0.4615

0.0093

815±43

1.0141±0.0664

662

0.8512

0.0086

179±27

0.1633±0.0246

727

0.0658

0.0078

103±12

1.3417±0.1563

911

0.258

0.0062

698±67

2.6078±0.2814

Chuỗi phân rã 232Th 238U 232Th 238U 137Cs 232Th 232Th 40K

Đồng vị 212Pb 214Pb 208Tl 214Bi 137Cs 212Bi 228Ac 40K

0.0038

1,461

0.11

63500±992

1013.0128±15.9568

mẫu khoai 1 ở Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g

Bảng 3.8: Hoạt độ riêng của một số đồng vị trong các mẫu gạo đo trên hệ phổ kế

Mẫu gạo 1

Hoạt độ riêng (Bq/kg tươi) Mẫu gạo 2

Mẫu gạo 3

Mẫu gạo 4

0.019±0.001

0.01±0.004

<0.006

0.013±0.003

0.007±0.001

0.007±0.001

0.008±0.002

0.019±0.006

0.012±0.002

0.009±0.002

0.004±0.001

0.004±0.001

0.01±0.003

0.008±0.002

0.016±0.005

0.021±0.007

0.032±0.002

0.029±0.002

<0.004

0.068±0.004

0.047±0.01

0.044±0.003

0.053±0.0041

0.074±0.006

0.055±0.004

0.032±0.007

0.018±0.004

0.019±0.003

Chuỗi phân rã 232Th 238U 232Th 238U 137Cs 232Th 232Th 40K

Đồng vị phóng xạ 212Pb 214Pb 208Tl 214Bi 137Cs 212Bi 228Ac 40K

34.386±0.973

26.222±0.693

31.827±0.811

33.404±0.859

gamma bán dẫn siêu tinh khiết

53

Bảng 3.9: Hoạt độ riêng của một số đồng vị trong các mẫu ngô đo trên hệ phổ kế

Hoạt độ riêng (Bq/kg tươi)

Mẫu ngô 1

Mẫu ngô 2

Mẫu ngô 3

Mẫu ngô 4

Mẫu ngô 5

Chuỗi phân rã

<0.005

0.046±0.0029 0.0588±0.0043 0.091±0.026

0.0407±0.003

232Th

Đồng vị phóng xạ 212Pb

<0.0185

0.1014±0.007 0.071±0.0099

0.036±0.008

0.025±0.001

238U

214Pb

0.048±0.006 0.0165±0.003 0.0247±0.0043 0.015±0.003

0.0407±0.003

232Th

208Tl

0.004±0.001 0.078±0.0077 0.0914±0.0085 0.035±0.009

0.0633±0.006

238U

214Bi

0.007±0.001 0.0114±0.003 0.3569±0.0102

0.01±0.007

0.2082±0.006

137Cs

137Cs

0.25±0.044

<0.0083

<0.138

0.033±0.005

<0.013

232Th

212Bi

0.118±0.009 0.1937±0.016 0.2778±0.023

0.103±0.03

0.0755±0.014

232Th

228Ac

67.843±1.317 84.462±1.699 102.93±2.089 91.689±1.983

45.78±1.095

40K

40K

gamma bán dẫn siêu tinh khiết

Bảng 3.10: Hoạt độ riêng của một số đồng vị trong các mẫu khoai đo trên hệ phổ kế

Hoạt độ riêng (Bq/kg tươi)

Mẫu khoai 1 Mẫu khoai 2 Mẫu khoai 3 Mẫu khoai 4

Mẫu khoai 5

Chuỗi phân rã

0.017±0.003

0.016±0.004 0.017±0.0045

-

0.005±0.0004

232Th

Đồng vị phóng xạ 212Pb

0.023±0.003

0.036±0.007

0.02±0.005

0.013±0.00057

0.002±0.0001

238U

214Pb

0.018±0.001

0.014±0.004 0.012±0.0031 0.0029±0.0001 0.0013±0.0005

232Th

208Tl

0.056±0.004

0.036±0.008

0.023±0.007

0.013±0.0014

0.005±0.0003

238U

214Bi

0.009±0.001

0.015±0.003

0.009±0.002

0.002±0.0002

0.001±0.0004

137Cs

137Cs

0.075±0.009

0.121±0.013 0.159±0.0149

0.011±0.0017

0.005±0.0004

232Th

212Bi

0.145±0.016

0.088±0.017 0.047±0.0095

0.019±0.0009

0.013±0.0027

232Th

228Ac

56.28±0.886

73.13±1.953

97.36±2.556

5.071±0.011

14.652±0.034

40K

40K

gamma bán dẫn siêu tinh khiết

54

Bảng 3.11: Hoạt độ riêng trung binh của một số đồng vị trong các mẫu gạo, ngô,

khoai

Mẫu ngô (Bq/kg tươi)

Chuỗi phân rã 232Th 238U 232Th 238U 137Cs 232Th 232Th 40K Đồng vị phóng xạ 212Pb 214Pb 208Tl 214Bi 137Cs 212Bi 228Ac 40K Mẫu gạo (Bq/kg tươi) 0.014±0.0027 0.0591±0.0091 0.0103±0.0025 0.0584±0.0065 0.0073±0.0015 0.029±0.0039 0.0138±0.0043 0.0543±0.0066 0.043±0.0027 0.1187±0.0056 0.0545±0.0058 0.1415±0.0245 0.031±0.0045 0.1536±0.0184 78.54±1.6366 31.46±0.834 Mẫu khoai (Bq/kg tươi) 0.011±0.003 0.0188±0.0031 0.0096±0.0017 0.0266±0.0041 0.0072±0.0013 0.0742±0.0078 0.0624±0.0092 49.3±1.088

Hình 3.11: So sánh hoạt độ riêng của một số đồng vị phóng xạ trong gạo, ngô, khoai

Hình 3.11 là biểu đồ so sánh hoạt độ riêng (Bq/khối lượng tươi) của các đồng vị

phóng xạ xác định được trong các mẫu gạo, ngô và khoai. Trục nằm ngang của biểu

55

đồ là các đồng vị phóng xạ, trục thẳng đứng là hoạt độ riêng tương ứng được vẽ trên

thang logarit. Nhìn vào biểu đồ này ta thấy rằng:

Hoạt độ của đồng vị 40K là cao nhất, với hoạt độ lớn nhất là 102.93±2.089

Bq/kg trong mẫu ngô 3, thấp nhất trong mẫu gạo 2 là 26.222±0.693 Bq/kg. Đây có thể là do hàm lượng của 40K ở trong đất và hệ số vận chuyển của 40K từ đất vào cây

trồng cao hơn so với một số nhân phóng xạ tự nhiên khác.

Bên cạnh đó, 137Cs, đồng vị được tạo ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân

trong các vụ thử vũ khí hạt nhân và các sự cố hạt nhân trong lịch sử, cũng được phát

hiện trong một số mẫu nhưng với hoạt độ rất nhỏ so với giới hạn cho phép của thế giới[6].

Các đồng vị con cháu thuộc hai dãy uran, thori là 214Bi, 214Pb, 212Bi, 212Pb, 208Tl, 228Ac cũng được phát hiện nhưng với hoạt độ rất nhỏ và khác nhau nhiều

trong mỗi mẫu. Điều đó chứng tỏ các đồng vị trong mỗi dãy không cân bằng với

nhau. Điều này được giải thích là do các đồng vị phóng xạ nói riêng và các nguyên

tố vi lượng trong đất đi vào thực vật chủ yếu qua con đường sinh dưỡng là rễ cây,

nên các đồng vị có tính chất hóa học khác nhau nên sự hấp thu các nhân phóng xạ

sẽ khác nhau. Ngoài ra mỗi loại cây trồng sẽ có nhu cầu dinh dưỡng khác nhau nên

hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong từng loại lượng thực không giống nhau.

56

KẾT LUẬN

Luận văn này được thực hiện với mục đích khảo sát nồng độ của một số

đồng vị phóng xạ trong ba loại lượng thực: gạo, ngô, khoai. Luận văn đã tìm hiểu

phương pháp và kỹ thuật xác định hoạt độ phóng xạ của các đồng vị tự nhiên và

nhân tạo trong các mẫu thực vật theo phương pháp phổ gamma.

Về mặt lý thuyết

Luận văn trình bày cơ sở vật lý, cơ sở của phương pháp phổ gamma. Luận

văn cũng tìm hiểu khái quát cấu tạo của hệ phổ kế gamma bán dẫn và nguyên lý

hoạt động của detector bán dẫn siêu tinh khiết.

Về mặt thực nghiệm

Luận văn tiến hành chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế sử dụng các nguồn

phóng xạ chuẩn 60Co, 57Co, 137Cs, 131I.

Khảo sát sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng lượng tia

gamma và khảo sát phông của hệ phổ kế SEGe.

Tiến hành đo mẫu chuẩn IAEA RGU-1+IAEA 156. Từ số liệu thu được xây

dựng đường cong hiệu suất ghi phục vụ cho việc phân tích mẫu thực vật.

Xử lý mẫu và tiến hành đo mẫu. Dựa vào đường chuẩn hiệu suất ghi và phổ

gamma đo mẫu tiến hành phân tích hoạt độ phóng xạ của trong từng mẫu. Kết quả cho thấy 40K được phát hiện nhiều nhất trong các đồng vị phóng xạ; các đồng vị

trong chuỗi phân rã uran, thori có hoạt độ rất thấp và khác nhau đối với từng loại lương thực. 137Cs được phát hiện trong tất cả các mẫu đo nhưng với hoạt độ rất nhỏ

so với mức chỉ dẫn của thế giới.

Như vậy, luận văn đã khảo sát nồng độ một số đồng vị phóng xạ phát

gamma trong 4 mẫu gạo, 5 mẫu ngô, 5 mẫu khoai trên địa bàn của tỉnh Quảng Ninh

tại thời điểm lấy mẫu. Tuy nhiên, ba loại lương thực trên chỉ là một trong những

thành phần chủ đạo của chế độ ăn uống và là trọng tâm trong việc khảo sát các

nguồn phát gamma. Để thu được dữ liệu thiết thực hơn, cần khảo sát nhiều mẫu hơn

nữa nhằm nâng cao độ chính xác và xác định nồng độ của các đồng vị phóng xạ

trong nhiều loại thực phẩm khác như rau, thịt, các loại thủy hải sản khác.

57

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ

thuật.

2. Lương Thị Thơm (2014), Xác định hoạt độ riêng của các nguyên tố phóng

xạ trong mẫu đất đá và thực vật bằng phương pháp phổ gamma, Khóa luận

tốt nghiệp đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia

Hà Nội.

Tiếng Anh

3. Bui Van Loat, Le Tuan Anh, Dong Van Thanh, Nguyen The Nghia, Pham

Duc Khue (2012), “Measurement of some characteristics of the BEGe

detector”, VNU Journal of Science, Mathematics - Physics 28, 19-25.

4. Canberra industries Inc (2003), Germanium Detectors User’s Manual, New

York.

5. Canberra industries Inc (2013), Genie™ 2000 Spectroscopy Software, New

York.

6. Codex Committee on Food Additives and Contaminants (2011), “Codex

Guideline Levels for Radionuclides in Foods Contaminated Following a

Nuclear or Radiological Emergenc”, General General Standarts for

Contaminants and Toxins in Food and Feeds.

7. Glenn F. Knoll (2010), Radiation Detection and Measurement, John Wiley

& Sons, New York.

8. International Atomic Energy Agency (1989), Measurement of radionuclides

in food and the environment, TRS 295, Vienna.

9. International Food Safety Authorities Network (INFOSAN) (2011),

Information on nuclear accidents and radioactive contamination of foods.

10. Winchester Engineering and Analytical Center (2010), FDA-

WEAC.RN.Method.3.0 (Ver 7.1), “Determination of Gamma-Ray Emitting

58

Radionuclides in Foods by High-Purity Germanium Spectrometry”,

LABORATORY PROCEDURE, FDA Office of Regulatory Affairs, pp.2-25.

11. http://nucleardata.nuclear.lu.se/toi/nucSearch.asp

59