Luận văn Khảo sát suất liều phóng xạ một số khu vực ở thành phố Hồ Chí Minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  CHU TẤT TRANG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2013 Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 1 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn – ThS. Trương Trường Sơn. Thầy đã tận tình hướng dẫn chuyên môn và tạo điều kiện tốt nhất để em thực hiện luận văn này. Em cảm thấy mình thật may mắn vì đã được thầy truyền thụ kiến thức cũng như hướng dẫn thực hiện luận văn nghiệp tốt nghiệp đại học. Thông qua luận văn, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn đối với thầy! Em xin cảm ơn quý thầy cô khoa Vật Lý Trường Đại Học Sư Phạm Tp Hồ Chí Minh đã chỉ dạy cho em những kiến thức quý báu, giúp em tự tin thực hiện luận văn của mình. Xin cảm ơn tập thể lớp Lý Cử Nhân – K35, những người bạn đã gắn bó và giúp đỡ em trong suốt khoá học. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình cùng những người bạn thân đã luôn động viên và hỗ trợ em cả về vật chất lẫn tinh thần để em hoàn thành tốt khoá học! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013 Chu Tất Trang Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 2 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Mục lục Bảng chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình ảnh MỞ ĐẦU Chương 1 – HỆ THỐNG KHÁI QUÁT VỀ CÁC ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG TRONG AN TOÀN BỨC XẠ 1.1. Hoạt độ phóng xạ ................................................................................................. 9 1.2. Suất liều bức xạ .................................................................................................... 9 1.3. Liều hấp thụ ........................................................................................................ 11 1.4. Liều tương đương trong cơ quan hoặc trong mô ............................................... 11 1.5. Liều hiệu dụng .................................................................................................... 12 1.6. Liều tích luỹ ....................................................................................................... 13 1.7. Liều chiếu ........................................................................................................... 14 1.8. KERMA ............................................................................................................. 15 1.9. Liều tập thể ......................................................................................................... 15 1.10. Liều hiệu dụng tập thể ...................................................................................... 15 1.11. Mức làm việc .................................................................................................... 15 Chương 2 – TÌM HIỂU CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ VÀ PHÔNG PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG 2.1. Các nguyên tố phóng xạ ..................................................................................... 17 2.1.1. Họ nguyên tố phóng xạ tự nhiên ................................................................. 17 2.1.2. Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên đơn lẻ ..................................................... 24 2.1.3. Họ nguyên tố phóng xạ nhân tạo ................................................................. 24 2.2. Phông phóng xạ môi trường ............................................................................... 27 Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 3 Chương 3 – CÁC TÁC HẠI SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ĐỐI VỚI TẾ BÀO CON NGƯỜI 3.1. Đôi nét về tế bào con người ............................................................................... 30 3.2. Tác dụng sinh học của bức xạ ............................................................................ 33 3.2.1. Cơ chế tác động của bức xạ lên con người .................................................. 33 3.2.2. Các hiệu ứng bức xạ .................................................................................... 35 Chương 4 – KHẢO SÁT SUẤT LIỀU PHÓNG XẠ MỘT SỐ KHU VỰC Ở TP. HỒ CHÍ MINH 4.1. Mô tả khu vực khảo sát và cách thu thập số liệu ............................................... 39 4.2. Kết quả đo suất liều và nhận xét ........................................................................ 43 4.2.1. Kết quả đo suất liều tại quận Tân Bình ....................................................... 43 4.2.2. Kết quả đo suất liều tại quận Tân Phú ......................................................... 47 4.2.3. Kết quả đo suất liều tại quận 3 .................................................................... 54 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 57 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................................................... 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 59 Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 4 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Dạng đầy đủ và nghĩa ADN Acid Deoxyribo Nucleic: Phân tử acid nucleic mang thông tin di truyền mã hóa cho hoạt động sinh trưởng và phát triển của các vật chất hữu cơ bao gồm cả một số virus. ARN Acid ribonucleic: Chuỗi các ribonucleic ATP Adenosine triphosphate: Phân tử mang năng lượng, có chức năng vận chuyển năng lượng đến các nơi cần thiết cho tế bào sử dụng IAEA International Atomic Energy Agency: Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế ICRP International Commission on Radiological Protection: Ủy ban Quốc tế về An toàn bức xạ Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Hằng số gamma K của một số nguồn phóng xạ .................................... 10 Bảng 1.2. Trọng số bức xạ đối với một số tia ........................................................ 11 Bảng 1.3. Trọng số mô và cơ quan trong cơ thể .................................................... 13 Bảng 1.4. Đánh giá mối nguy hiểm của radon hoặc thoron ................................... 16 Bảng 2.1. Thông tin các nguyên tố trong họ 232Th ................................................ 19 Bảng 2.2. Thông tin các nguyên tố trong họ 238U .................................................. 21 Bảng 2.3. Thông tin các nguyên tố trong họ 235U .................................................. 23 Bảng 2.4. Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên đơn lẻ ............................................... 24 Bảng 2.5. Thông tin các nguyên tố trong họ phóng xạ nhân tạo 237Np.................. 26 Bảng 2.6. Các nguyên tố phóng xạ tạo ra từ tia vũ trụ ........................................... 27 Bảng 2.7. Các nguyên tố phóng xạ chủ yếu trong vỏ Trái đất ............................... 27 Bảng 2.8. Các nguyên tố phóng xạ nhân tạo quan tâm .......................................... 28 Bảng 3.1. Thành phần cấu tạo tế bào và chức năng của chúng ............................. 31 Bảng 3.2. Phân loại các hiệu ứng bức xạ ............................................................... 36 Bảng 3.3. Các triệu chứng rõ ràng khi chiếu toàn thân .......................................... 37 Bảng 3.4. Các hội chứng bức xạ cấp ...................................................................... 38 Bảng 3.5. Giới hạn liều qua các thời kỳ của ICRP .......................................... 38 Bảng 4.1. Số liệu toạ độ và suất liều khảo sát tại quận Tân Bình .......................... 44 Bảng 4.2. Số liệu toạ độ và suất liều khảo sát tại quận Tân Phú ........................... 49 Bảng 4.3. Số liệu toạ độ và suất liều khảo sát tại quận 3 ....................................... 55 Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1. Chuỗi phân rã của họ 232Th .................................................................... 18 Hình 2.2. Chuỗi phân rã của họ 238U ...................................................................... 20 Hình 2.3. Chuỗi phân rã của họ 235U ...................................................................... 22 Hình 2.4. Chuỗi phân rã của họ nguyên tố phóng xạ nhân tạo 237Np .................... 25 Hình 3.1. Cấu tạo tế bào ......................................................................................... 30 Hình 4.1. Máy Gramin Etrex Legend HCx ............................................................ 41 Hình 4.2. Máy đo suất liều Inspector plus ............................................................. 42 Hình 4.3. Vị trí khảo sát tại quận Tân Bình .......................................................... 43 Hình 4.4. Đồ thị suất liều khảo sát tại quận Tân Bình ........................................... 46 Hình 4.5. Vị trí khảo sát tại quận Tân Phú ............................................................. 48 Hình 4.6. Vị trí khảo sát tại quận Tân Phú ............................................................. 48 Hình 4.7. Đồ thị suất liều khảo sát tại quận Tân Phú ............................................. 52 Hình 4.8. Ví trí khảo sát tại quận 3 ........................................................................ 54 Hình 4.9. Đồ thị suất liều khảo sát tại quận 3 ........................................................ 56 Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 7 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Những năm gần đây, công nghệ bức xạ đã phát triển mạnh mẽ và thu được những thành tựu nổi bật. Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, công nghệ bức xạ đã và đang có nhiều những ứng dụng trong thực tế: Chiếu xạ y tế, chiếu xạ tạo giống trong nông nghiệp, thanh trùng khử trùng, cấy ghép tạo bán dẫn, Tuy nhiên vấn đề an toàn bức xạ dường như vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Số người am hiểu về bức xạ và an toàn bức xạ còn rất hạn chế. Luận văn “Khảo sát suất liều phóng xạ một số khu vực ở thành phố Hồ Chí Minh“ trình bày những vấn đề cơ bản về bức xạ và an toàn bức xạ. Nội dung trình bày như sau: Chương 1: Hệ thống khái quát về các đại lượng và đơn vị đo lường trong an toàn bức xạ. [1] [2] Chương 2: Tìm hiểu các nguồn phóng xạ và phông phóng xạ môi trường. [1] [3] Chương 3: Các tác hại sinh học của bức xạ đối với tế bào con người. [4] [5] Chương 4: Khảo sát suất liều phóng xạ một số khu vực ở thành phố Hồ Chí Minh. Dựa trên tiêu chuẩn an toàn bức xạ của ICRP và IAEA, luận văn sẽ trình bày những so sánh, đánh giá kết quả đo thực nghiệm suất liều phóng xạ một số khu vực ở thành phố Hồ Chí Minh, từ đó đưa ra các khuyến cáo cho dân cư trong vùng khảo sát. 2. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp xạ trình đường bộ thu thập số liệu là suất liều chiếu ngoài tổng của mặt đất và tia vũ trụ ở điểm khảo sát bằng máy đo liều cầm tay Inspector plus và máy định vị GPS (để xác định toạ độ của điểm khảo sát). [3]  Xây dựng mạng lưới các vị trí khảo sát trước khi thực hiện đo ngoài hiện trường. Mục đích là nhằm đảm bảo được độ dày và sự phân bố đồng đều của các điểm khảo sát, người đo có thể chủ động được lịch trình để tiết kiệm thời gian, công sức trong quá trình thực hiện đề tài. Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 8  Đánh giá số liệu và đưa ra khuyến cáo dựa trên việc so sánh kết quả đo đạc với các tiêu chuẩn của Việt Nam cũng như của ICRP, IAEA và giá trị phông phóng xạ môi trường trung bình trên thế giới. Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 9 Chương 1: HỆ THỐNG KHÁI QUÁT VỀ CÁC ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG TRONG AN TOÀN BỨC XẠ 1.1. Hoạt độ phóng xạ Định nghĩa: Hoạt độ phóng xạ của một nguồn là số hạt nhân chất phóng xạ phân rã trong một đơn vị thời gian. Biểu thức định nghĩa: dt dNA = Trong đó: dN là số hạt nhân chất phóng xạ phân rã trong thời gian dt. A là hoạt độ phóng xạ của nguồn. Đơn vị của A là Becquerel (Bq): 1 Bq = 1 phân/giây Đơn vị cũ của hoạt độ phóng xạ A là Curie (Ci) với 1 Ci = 3,7.1010 Bq. 1.2. Suất liều bức xạ Định nghĩa: Suất liều bức xạ tỉ lệ thuận với hoạt độ phóng xạ và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Biểu thức định nghĩa: 2. r AKP = Trong đó: K được gọi là hằng số gamma của nguồn. Giá trị của hằng số K phụ thuộc vào đơn vị đo của suất liều P, hoạt độ phóng xạ A, khoảng cách r. Suất liều tại điểm cách nguồn một khoảng r1 là 2 1 1 . r AKP = Suất liều tại điểm cách nguồn một khoảng r2 là 2 2 2 . r AKP = Do đó ta có mối liên hệ giữa suất liều và khoảng cách như sau: 2 1 2 2 2 1 r r P P = Từ biểu thức định nghĩa suất liều bức xạ, ta tìm được biểu thức của hằng số gamma k của nguồn A rPK 2 .= Vì vậy có thể định nghĩa hằng số gamma K của nguồn như sau: Hằng số gamma K là suất liều của một nguồn có hoạt độ một đơn vị gây ra tại một điểm Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 10 cách nguồn một đơn vị khoảng cách. Giá trị của K phụ thuộc vào đơn vị đo của A, P, r cho bởi bảng 1.1. Bảng 1.1. Hằng số gamma K của một số nguồn phóng xạ A r P K 60Co 137Cs 226Ra 198Au 24Na 22Na mCi cm h R hmCi cmR . . 2 13,5 3,2 8,4 2,4 19 12 Ci m h R hmCi mR . . 2 1,35 0,32 0,84 0,24 1,9 1,2 MBq m hKg C . 9 2 10. .. . − hkgMBq mR 9,19 2,3 5,75 1,6 12,8 8,36 GBq m h mSv hGBq mmSv . . 2 0,351 0,081 A r P K 42K 125I 131I 192Ir 99mTc 170Tl mCi cm h R hmCi cmR . . 2 1,4 0,7 2,2 4,8 Ci m h R hmCi mR . . 2 0,14 0,07 0,22 0,48 MBq m hKg C . 9 2 10. .. . − hkgMBq mR 1,39 4,87 1,35 3,34 GBq m h mSv hGBq mmSv . . 2 0,13 0,022 0,034 Với các chú ý sau: R: Roentgen C: Coulomb 1 Ci = 37 GBq. 1 R = 1 rad = 1 rem = 10mSv. Khi nguồn gamma không đơn năng (tức nguồn phát gamma với nhiều năng lượng khác nhau) thì hằng số K gamma của nguồn được xác định theo biểu thức ii nKK .∑= Ki là hệ số gamma đối với tia gamma có năng lượng Ei. Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 11 Ni là số tia gamma có năng lượng Ei phát ra trong một phân rã. 1.3. Liều hấp thụ Định nghĩa: Liều hấp thụ là năng lượng bị hấp thụ bởi một đơn vị khối lượng vật chất mà bức xạ đi qua. Biểu thức định nghĩa: dm dED = Trong đó dE là năng lượng bức xạ bị hấp thụ bởi vật chất có khối lượng là dm. Đơn vị đo liều hấp thụ: J/Kg. Trong an toàn bức xạ sử dụng đơn vị Gy (Gray). Đơn vị cũ là rad: 1 Gy = 100 rad. Suất liều hấp thụ  Định nghĩa: Suất liều hấp thụ là năng lượng bị hấp thụ bởi một đơn vị khối lượng vật chất mà bức xạ đi qua trong một đơn vị thời gian.  Biểu thức định nghĩa: dtdm dED . * =  Đơn vị đo suất liều hấp thụ: Gy/s 1.4. Liều tương đương trong cơ quan hoặc trong mô Về mặt sinh học phóng xạ thì không những chỉ độ lớn của liều hấp thụ là quan trọng mà cả loại bức xạ cũng rất quan trọng. Cùng những liều hấp thụ như nhau nhưng sẽ gây ra các hiệu ứng sinh học khác nhau nếu bị chiếu xạ bởi các bức xạ khác nhau. Để đặc trưng cho mức độ khác nhau này của các loại bức xạ, người ta đưa ra hệ số có tên là trọng số bức xạ WR. Bảng 1.2. Trọng số bức xạ đối với một số tia STT Loại bức xạ và khoảng năng lượng WR 1 Tia gamma và điện tử với mọi năng lượng (trừ electron Auger) 1 2 Proton và các proton giật lùi có năng lượng > 2MeV 5 3 Alpha, mảnh phân hạch, hạt nhân nặng 20 4 Neutron Năng lượng < 10 KeV 5 Năng lượng từ 10 KeV đến 100 KeV 10 Năng lượng từ 100 KeV đến 2 MeV 20 Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 12 Năng lượng từ 2 MeV đến 20 MeV 10 Năng lượng > 20 MeV 5 Đối với neutron thì WR là một hàm của năng lượng: WR = 6/2)2(ln.175 Ee−+  Định nghĩa: Liều tương đương HT,R trong mô hoặc cơ quan T do bức xạ R gây ra là liều hấp thụ trong mô hoặc cơ quan đó nhân với trọng số của bức xạ tác dụng lên mô hoặc cơ quan đó.  Biểu thức định nghĩa: R,, W.RTRT DH = Đơn vị đo: Vì trọng số WR không có thứ nguyên nên đơn vị đo của liều hấp thụ DT,R cũng là đơn vị đo của liều tương đương HT,R: J/Kg. Trong an toàn bức xạ sử dụng đơn vị riêng là Sievert (Sv). Đơn vị cũ là rem: 1 Sv = 100 rem. Trong trường hợp có nhiều loại bức xạ và mỗi loại bức xạ lại có nhiều năng lượng khác nhau thì để tính liều tương đương cho một mô T nào đó ta phải tính riêng cho từng loại bức xạ theo từng khoảng năng lượng, sau đó mới tính tổng của chúng lại: ∑ ∑== R R RTRTT WDHH .,. Liều tương đương cho toàn cơ thể do đó là: ∑= T THH  Suất liều tương đương: Là liều tương đương tính trong một đơn vị thời gian.  Biểu thức suất liều tương đương: dt * T T dHH = Đơn vị của suất liều tương đương: Sv/s. 1.5. Liều hiệu dụng Các mô khác nhau khi nhận cùng một liều bức xạ như nhau thì tổn thất sinh học cũng khác nhau. Để đặc trưng cho tính chất này của từng mô hoặc từng cơ quan, người ta đưa ra một đại lượng có tên là trọng số mô WT. Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 13 Các trọng số mô đặc trưng trong cơ thể người được cho ở bảng 1.3. Bảng 1.3. Trọng số mô và cơ quan trong cơ thể Cơ quan (mô) WT Cơ quan (mô) WT Thận 0,20 Vú 0,05 Tuỷ xương 0,12 Gan 0,05 Phổi 0,12 Tuyến giáp 0,05 Dạ dày 0,12 Da 0,01 Ruột kết 0,12 Mặt xương 0,01 Thực quản 0,05 Còn lại 0,005 Bọng đái 0,05 Định nghĩa: Liều hiệu dụng ET trong mô hoặc cơ quan T do bức xạ R gây ra là liều tương đương trong mô hoặc cơ quan đó nhân với trọng số mô (cơ quan) của nó. Biểu thức định nghĩa: TTT WHE .= Đơn vị đo: Do trọng số mô WT không có thứ nguyên nên liều hiệu dụng ET và liều tương đương HT có cùng đơn vị đo là Sievert (Sv). Liều hiệu dụng cho toàn cơ thể khi đó sẽ là ∑= T TEE  Suất liều hiệu dụng: Là liều hiệu dụng tính trong một đơn vị thời gian.  Biểu thức định nghĩa suất liều hiệu dụng: dt dEE =*  Đơn vị đo của suất liều hiệu dụng: Sv/s. 1.6. Liều tích luỹ Chất phóng xạ xâm nhập vào cơ thể thông qua đường tiêu hoá, đường hô hấp và da; nhưng chủ yếu là qua đường tiêu hoá và đường hô hấp. Do đó, nó gây ra sự chiếu xạ bên trong cơ thể. Chất phóng xạ khi xâm nhập vào cơ thể sẽ chiếu xạ các cơ quan trong cơ thể trong một thời gian lâu dài cho đến khi chúng bị bài tiết ra ngoài (chu kỳ phân rã Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 14 sinh học) hoặc phân rã (chu kỳ phân rã vật lý) hoặc một sự hỗn hộp nào đó giữa hai quá trình trên. Vì vậy kể từ khi xâm nhập vào cơ thể người và chưa bị thải ra ngoài hay chưa bị phân rã hết thì chất phóng xạ sẽ gây ra một liều bức xạ cho cơ thể. Liều bức xạ này được gọi là liều tích luỹ. Thời gian làm việc của một nhân viên bức xạ là khoảng 50 năm. Nên khi tính liều cho một cơ quan hay mô nào đó ta phải lấy tổng (lấy tích phân) suất liều gây ra cho mô hay cơ quan đó trong thời gian 50 năm. Giả sử liều tương đương cho mô T tại thời điểm t là HT(t) thì liều tương đương tích luỹ cho mô T của nhân viên bức xạ làm việc trong thời gian 50 năm là: ∫= 50 )()50( dttHH TT HT(50) là liều tương đương tích luỹ cho mô T trong 50 năm thì liều hiệu dụng tích luỹ cho mô T trong thời gian 50 sẽ là: ET(50)= WT. HT(50) Nếu lấy tổng liều hiệu dụng tích luỹ trong 50 năm của tất cả các mô trong cơ thể thì ta sẽ được liều hiệu dụng tích luỹ trong 50 năm làm việc của nhân viên bức xạ ∑= T TEE )50()50( Đây là đại lượng thường được cho trong các bảng quy định các giới hạn liều. 1.7. Liều chiếu Định nghĩa: Liều chiếu của tia X và tia gamma là phần năng lượng của nó mất đi để biến đổi thành động năng của các hạt mang điện trong một đơn vị khối lượng của không khí, khí quyển ở điều kiện tiêu chuẩn. Kí hiệu là Dch. Biểu thức định nghĩa: dm dQDch = Đơn vị đo của liều chiếu: C/Kg. Chú ý rằng: 1 C/Kg = 34 Sv  Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian.  Biểu thức của suất liều chiếu: dt dDD chch = * Người hướng dẫn khoa học: ThS. Trương Trường Sơn 15  Đơn vị đo của suất liều chiếu: C/Kg.s 1.8. KERMA Biểu thức định nghĩa: dm dEK tr= dEtr là tổng động năng ban đầu của tất cả các hạt điện tích được giải phóng bởi hạt ion hoá không mang điện trong vật