Đề tài Xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường bằng phương pháp fsa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN --------------------------------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề Tài: XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP FSA SVTH : Lê Thị Hổ CBHD : ThS. Trương Thị Hồng Loan CN . Đặng Nguyên Phương CBPB : ThS. Nguyễn Đình Gẫm TP.HỒ CHÍ MINH – 2008 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, em đã được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giảng dạy, và đặc biệt là trong thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp tại bộ môn Vật lý Hạt nhân. Em xin chân thành cảm ơn ThS. Trương Thị Hồng Loan, người đã theo dõi suốt quá trình thực hiện luận văn của em. Cô là người đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn em những kiến thức bổ ích và cần thiết để giúp em hoàn thành khóa luận này. Em xin cảm ơn CN. Đặng Nguyên Phương đã giúp đỡ và động viên em rất nhiều trong thời gian qua. Anh luôn hỗ trợ và cùng giải quyết những vấn đề khó khăn trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Các thầy cô trong Khoa Vật lý, đặc biệt các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu giúp em hoàn thành khóa luận này. Em xin gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ để em có thể hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả các bạn lớp 04VLHN đã luôn giúp đỡ mình trong thời gian qua. Lê Thị Hổ 1 MỤC LỤC Muc lục ................................................................................................................... 1 Danh mục các bảng ................................................................................................ 4 Danh mục các hình vẽ và đồ thị ............................................................................. 5 Lời mở đầu ............................................................................................................. 7 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG .......... 8 1.1. Phóng xạ môi trường ......................................................................... 8 1.1.1. Phóng xạ nguyên thủy............................................................ 8 1.1.2. Phóng xạ vũ trụ ...................................................................... 8 1.1.3. Phóng xạ nhân tạo .................................................................. 9 1.2. Một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất ................................ 10 1.2.1. Uranium ................................................................................ 10 1.2.2. Thorium ................................................................................ 11 1.2.3. Kali ....................................................................................... 11 1.3. Chuỗi phân rã của các đồng vị phóng xạ ....................................... 12 1.3.1. Chuỗi Uranium ..................................................................... 12 1.3.2. Chuỗi Thorium ..................................................................... 12 1.3.3. Chuỗi Actinium .................................................................... 13 1.3.4. Kali ....................................................................................... 15 CHƯƠNG 2 - DETECTOR GERMANIUM SIÊU TINH KHIẾT HPGE .... 16 2.1. Tổng quan về detector HPGe ......................................................... 16 2.2. Những đặc trưng của detector HPGe ............................................ 17 2.2.1. Hiệu suất .............................................................................. 17 2.2.2. Độ phân giải năng lượng ...................................................... 18 2 2.2.3. Tỉ số đỉnh / Compton ............................................................ 20 2.2.4. Dạng của đỉnh ...................................................................... 21 2.3. Hệ phổ kế gamma tại phòng thí nghiệm bộ môn .......................... 22 2.3.1. Sơ lược về hệ phổ kế gamma ............................................... 22 2.3.2. Chức năng chính của một số thành phần trong hệ đo .......... 23 CHƯƠNG 3 - GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH FSA ................................................................ 25 3.1. Phương pháp WA ............................................................................. 25 3.1.1. Phương pháp tương đối ......................................................... 25 3.1.2. Phương pháp tuyệt đối ......................................................... 26 3.2. Phương pháp FSA............................................................................. 28 3.2.1. Phương pháp ......................................................................... 28 3.2.2. Sai số .................................................................................... 31 3.3. Xây dựng chương trình phân tích mẫu môi trường bằng phương pháp FSA ........................................................................................ 32 CHƯƠNG 4 – XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP FSA ......................................................................................... 35 4.1. Chuẩn bị mẫu ................................................................................... 35 4.1.1. Dụng cụ chứa mẫu ............................................................... 35 4.1.2. Chuẩn bị mẫu đo .................................................................. 36 4.1.2.1. Mẫu chuẩn .............................................................. 36 4.1.2.2. Mẫu đá bazan ......................................................... 36 4.1.2.3. Mẫu đá trắng........................................................... 37 4.1.2.4. Phông ...................................................................... 38 4.2. Dạng phổ thu được ........................................................................... 39 3 4.2.1. Phổ mẫu chuẩn ..................................................................... 39 4.2.2. Phổ phông............................................................................. 41 4.2.3. Phổ mẫu cần phân tích ......................................................... 41 4.3. Kết quả ............................................................................................. 43 4.3.1. Phương pháp WA ................................................................. 43 4.3.1.1. Mẫu chuẩn .............................................................. 43 4.3.1.2. Mẫu đá bazan ......................................................... 44 4.3.1.3. Mẫu đá trắng........................................................... 45 4.3.2. Phương pháp FSA ................................................................. 45 4.3.2.1. Mẫu đá bazan ......................................................... 45 4.3.2.2. Mẫu đá trắng........................................................... 47 4.3.3. Nhận xét ............................................................................... 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 52 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 53 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1. Kích thước hộp đựng mẫu 3π .............................................................. 35 Bảng 4.2. Hoạt độ của các đồng vị có trong 3 mẫu chuẩn .................................. 37 Bảng 4.3. Hoạt độ của mẫu chuẩn ....................................................................... 44 Bảng 4.4. Hoạt độ của mẫu đá bazan .................................................................. 44 Bảng 4.5. Hoạt độ của mẫu đá trắng ................................................................... 45 Bảng 4.6. Hoạt độ của mẫu đá bazan tính bằng FSA .......................................... 47 Bảng 4.7. Hoạt độ của mẫu đá trắng tính bằng FSA ........................................... 48 Bảng 4.8. So sánh hoạt độ từ 2 phương pháp phân tích ....................................... 49 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Chuỗi Uranium A = 4n+2 ..................................................................... 12 Hình 1.2. Chuỗi Thorium A = 4n. ......................................................................... 13 Hình 1.3. Chuỗi Actinium A = 4n+3 ..................................................................... 14 Hình 1.4. K 40 phân rã β và bắt electron tạo Ar40 và phân rã β tạo Ca40 ........... 15 Hình 2.1. Phổ của nguồn phóng xạ Co 60 .............................................................. 19 Hình 2.2. Các dạng của đỉnh theo thực nghiệm và mô phỏng. ............................ 21 Hình 2.3. Hệ đo gamma tại Phòng Thí Nghiệm Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân ....... 23 Hình 3.1. Xác định hoạt độ Th 232 bằng phương pháp WA................................... 28 Hình 3.2. Xác định hoạt độ Th 232 bằng phương pháp FSA .................................. 29 Hình 3.3. Giao diện mở chương trình phân tích phổ gamma................................ 32 Hình 3.4. Giao diện mở phổ ................................................................................. 33 Hình 3.5. Giao diện mở FSA ................................................................................ 33 Hình 3.6. Giao diện xuất ra kết quả ..................................................................... 34 Hình 4.1. Hộp chứa mẫu3π .................................................................................. 35 Hình 4.2. Hộp mẫu đá bazan ................................................................................ 37 Hình 4.3. Hộp mẫu đá trắng ................................................................................. 38 Hình 4.4. Phổ mẫu chuẩn Uranium ...................................................................... 39 Hình 4.5. Phổ mẫu chuẩn Thorium ...................................................................... 40 Hình 4.6. Phổ mẫu chuẩn Kali ............................................................................. 40 Hình 4.7. Phổ phông ............................................................................................. 41 Hình 4.8. Phổ mẫu đá bazan................................................................................. 41 Hình 4.9. Phổ mẫu đá bazan sau khi đã trừ phông. .............................................. 42 Hình 4.10. Phổ mẫu đá trắng ................................................................................ 42 6 Hình 4.11. Phổ mẫu đá trắng sau khi đã trừ phông .............................................. 43 Hình 4.12. Phổ mẫu đá bazan trên chương trình FSA .......................................... 46 Hình 4.13. Hoạt độ của U 238 , Th 232 và K 40 trong mẫu đá bazan ........................... 46 Hình 4.14. Phổ mẫu đá trắng trên chương trình FSA ........................................... 47 Hình 4.15. Hoạt độ của U 238 , Th 232 và K 40 trong mẫu đá trắng ............................ 48 7 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành Vật lý Hạt nhân nói riêng đã vô tình thải vào môi trường sống của chúng ta một lượng chất phóng xạ đáng kể. Mặc dù lượng phóng xạ này khác nhau ở nhiều nơi trên Trái Đất, nhưng nó cũng có ảnh hưởng ít nhiều tới sinh vật và đặc biệt là sức khỏe của con người. Vì vậy, việc nghiên cứu và đánh giá mức độ ảnh hưởng của chất phóng xạ có trong mẫu môi trường là hết sức cần thiết. Có rất nhiều phương pháp khác nhau dùng xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường như: phương pháp kích hoạt hạt nhân, phương pháp phân tích huỳnh quang tia X, phương pháp đo phóng xạ tự nhiên Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, tùy theo mục đích mà lựa chọn phương pháp nào cho phù hợp để có thể cho kết quả chính xác nhất. Với điều kiện thực tế của phòng thí nghệm bộ môn và mục đích là xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường, đặc biệt là các mẫu rắn, tác giả thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài:” Xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA (Full Spectrum Analysis)”. Đây là một phương pháp tương đối mới, dùng hệ phổ kế gamma phông thấp để xác định hoạt độ phóng xạ có trong mẫu phân tích. Bên cạnh việc sử dụng phương pháp chủ yếu là FSA, tác giả còn dùng phương pháp khá phổ biến trong việc xác định hoạt độ phóng xạ đó là phương pháp WA (Window Analysis) để kiểm chứng lại kết quả phân tích. 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG 1.1. Phóng xạ môi trường [4] Phóng xạ trên trái đất có thể chia làm 3 loại khác nhau Phóng xạ nguyên thủy. Phóng xạ vũ trụ. Phóng xạ nhân tạo. 1.1.1. Phóng xạ nguyên thủy Các nhân phóng xạ nguyên thủy có chu kỳ bán rã ít nhất khoảng vài triệu năm, tồn tại từ khi trái đất được hình thành. Từ phân rã phóng xạ của những nhân phóng xạ nguyên thủy sẽ tạo ra những nhân phóng xạ thứ cấp. Một số nhân phóng xạ nguyên thủy tồn tại tới bây giờ có chu kì bán rã gần với tuổi của trái đất. Ví dụ: U 238 có chu kỳ bán hủy 4,47.10 9 năm. Th 232 có chu kỳ bán hủy 1,41.10 10 năm. K 40 có chu kỳ bán hủy 1,28.10 9 năm. 1.1.2. Phóng xạ vũ trụ Là những bức xạ đến từ vũ trụ, tia phóng xạ chủ yếu là proton và những hạt nhân nặng khác, đầu tiên từ bề mặt vũ trụ gọi là bức xạ vũ trụ, liên tục bắn phá những nguyên tử bền trong khí quyển và tạo ra những nhân phóng xạ như: Na 22 , Be 7 và C 14 . 9 Các nhân phóng xạ vũ trụ khi đi vào trái đất, một phần tương tác với vật chất trong bầu khí quyển, một phần xuyên xuống bề mặt trái đất. Có 2 loại tia bức xạ: tia vũ trụ sơ cấp và tia vũ trụ thứ cấp. Bức xạ vũ trụ sơ cấp: Được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kỳ cao (lên đến 10 8 eV), đa phần là proton cùng với một số hạt nặng khác. Phần lớn các tia vũ trụ sơ cấp đến từ bên ngoài hệ mặt trời và chúng cũng đã được tìm thấy trong không gian vũ trụ. Một số ít bắt nguồn từ mặt trời do quá trình cháy sáng của hệ mặt trời. Bức xạ vũ trụ thứ cấp: Là các bức xạ tạo ra khi tia sơ cấp tương tác với các nguyên tử của bầu khí quyển, đồng thời sinh ra bức xạ năng lượng thấp, ánh sáng thấy được, electron, nơtron. Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ có năng lượng thấp hơn. Lớp khí quyển và từ trường trái đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che chắn các tia vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt trái đất. 1.1.3. Phóng xạ nhân tạo Năm 1934, Irene và Frederic Joliot Curie tạo ra và cô lập được nguyên tố phóng xạ đầu tiên, đó là P 30 có được bằng cách bắn tia vào một lá nhôm. α + 13Al 27 15P 31 15P 30 +0n 1 15P 30 14Si 30 + e + Ngoài ra, các nhân phóng xạ nhân tạo còn tìm thấy trong: Các vụ kiểm tra vũ khí hạt nhân: Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào khí quyển qua các vụ thử vũ khí hạt nhân là 3,107 Sv/người với 70% là C 14 , các đồng vị khác như Cs 137 , Sr 90 , Zr 95 và Ru 106 chiếm phần còn lại. Điện hạt nhân: Cho đến cuối năm 2002, theo thống kê của IAEA, điện hạt nhân đã chiếm 16% sản lượng điện toàn thế giới và đang có chiều hướng gia tăng. Các đồng vị phóng xạ thải vào môi trường đều từ các chu trình 10 nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ, nghiền Uran, sản xuất và tái chế các thanh nhiên liệu. Việc thải các chất phóng xạ từ các nhà máy điện có thể lên đến cỡ TBq/năm hoặc nhỏ hơn. Tai nạn hạt nhân: Khoảng 150 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân đã xảy ra, lớn nhất là tai nạn Chernoboyl xảy ra ở Ucraina 1986 gây nên sự nhiễm bẩn phóng xạ bởi các chất thải rắn và lỏng, là hỗn hợp các hợp chất hóa học và các đồng vị phóng xạ. Một số nhân phóng xạ nhân tạo còn được tạo thành từ các khu chứa chất thải phóng xạ, các chất thải rắn hay đồng vị phóng xạ đánh dấu. Con người đã bị chiếu xạ bởi nhiều nguồn nhân tạo khác nhau như: tia X trong chẩn đoán y khoa, các ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp và nông nghiệp, các tia phóng xạ phát ra từ tro bụi phóng xạ do các vụ nổ hạt nhân gây ra. Các hoạt động của con người làm phát ra những nhân phóng xạ tự nhiên vào môi trường dưới dạng chất thải hoặc những sản phẩm phụ. Đó là sự khai mỏ và nghiền quặng Uranium. Những hoạt động khác bao gồm việc đốt cháy những nhiên liệu hóa thạch, sản xuất ra phốt phát từ đá phốt phát, khai thác mỏ và nghiền đá vô cơ. 1.2. Một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất Phần lớn nhân phóng xạ tự nhiên thuộc 3 họ phóng xạ khởi đầu từ các nhân mẹ sống lâu như: U 238 , U 235 và Th 232 . 1.2.1. Uranium Uranium là nhân phóng xạ có mặt khắp nơi. Nó có hầu hết trong môi trường vật chất và được nghiên cứu rộng rãi trong đá và đất. Trong tự nhiên Uranium có 3 đồng vị là U 238 , U 235 và U 234 với độ phổ cập tương ứng là 99,28%; 0,72% và 0,0057%. 11 Uranium phân tán rộng khắp trong tự nhiên, có nhiều trong đá, muối Uranium có thể hòa tan vào nước biển. Người ta ước tính hàm lượng Uranium trong nước biển khoảng 10 -6 gam/lit và hàm lượng trung bình trong vỏ Trái Đất khoảng 4 10 -4 %. 1.2.2. Thorium Thorium phân tán rộng trên vỏ Trái Đất, hàm lượng trung bình của Thorium trong lớp trên cùng khoảng 1,2 10 -5 %. Trong khi đó hàm lượng trung bình của chì khoảng 1,6 10 -5 % nên độ giàu của Thorium tương đương với chì, do vậy Thorium không được xem là một nguyên tố hiếm. Thorium có 6 đồng vị trong tự nhiên nhưng Th 232 phân tán rộng hơn cả. 1.2.3. Kali Kali là kim loại kiềm có 3 đồng vị, nhưng chỉ có K 40 là có tính phóng xạ với độ phổ cập 0,0117% và thời gian bán rã T1/2=1,28 10 9 năm, phát ra tia gamma có năng lượng 1,46 Mev. Trong lớp bề mặt của vỏ trái đất, kali có hàm lượng cao trong magma, hàm lượng trong đất sét và đá phiến cỡ 6,5%. Hoạt động của nước và cacbon dioxide làm cho kali trong đá ngầm dần dần bị hòa tan và được các dòng nước mang ra biển, một phần khác lưu lại trong đất. Phần lớn kali trong đất tồn tại dưới dạng muối tan có tr