Luận văn Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu moss – soil bằng hệ phổ kế gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của Iaea

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ------------------------- NGUYỄN THUỲ DUNG XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MẪU MOSS – SOIL BẰNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP CHO BÀI TOÁN SO SÁNH QUỐC TẾ CỦA IAEA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ---------------------------------------- TP.HỒ CHÍ MINH – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ------------------------- NGUYỄN THUỲ DUNG XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MẪU MOSS – SOIL BẰNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP CHO BÀI TOÁN SO SÁNH QUỐC TẾ CỦA IAEA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Giảng viên hướng dẫn: ThS. HOÀNG ĐỨC TÂM ---------------------------------------- TP.HỒ CHÍ MINH – 2011 0BLỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh em đã được sự hướng dẫn, giảng dạy, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, đặc biệt là trong thời gian em thực hiện khoá luận tốt nghiệp đại học. Để hoàn thành được luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy Hoàng Đức Tâm – người đã theo dõi trong suốt quá trình làm luận văn của em. Thầy là người đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn em nhữngkiến thức bổ ích và rất quí báu để giúp em hoàn thành khóa luận này. Thầy luôn giúp đỡ và động viên em rất nhiều trong thời gian qua. Thầy đã chỉ dẫn em nhiệt tình những phần mềm, những chương trình mới, bên cạnh đó Thầy còn hướng dẫn rất chi tiết về luận văn, luôn hỗ trợ và giúp em giải quyết những khó khăn gặp phải trong thực nghiệm và quá trình hoàn thiện luận văn này. Qua quá trình được làm việc với Thầy em đã học hỏi được rất nhiều điều mới mẻ, rất nhiều kinh nghiệm quí giá trong quá trình nghiên cứu, giảng dạy và trong cuộc sống. Em xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến Thầy. Em xin gửi lời biết ơn đến gia đình đã ủng hộ, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em có thể thực hiện được khoá luận tốt nghiệp. Em xin gửi lời cảm ơn đến các bạn ở tập thể Lớp Lý 5 Ninh Thuận - Đồng Nai đã quan tâm, chia sẻ, giúp đỡ em trong suốt thời gian học đại học cũng như quá trình thực hiện luận văn này. Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn đến quí Thầy cô trong hội đồng đọc, nhận xét, đánh giá và đóng góp những ý kiến rất quí báu cho khoá luận của em. Nguyễn Thuỳ Dung 1BMỤC LỤC 3TLỜI CẢM ƠN3T ............................................................................................................ 3 3TMỤC LỤC3T ................................................................................................................. 4 3TMỞ ĐẦU3T .................................................................................................................... 6 3TCHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN3T .............................. 8 3T1.1 Vài nét về hiện tượng phóng xạ3T .................................................................................8 3T1.1.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên3T ...............................................................................9 3T1.1.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo3T ............................................................................ 15 3T1.2 Tình hình nghiên cứu phông phóng xạ tự nhiên3T .................................................... 17 3T1.2.1 Thế giới3T ............................................................................................................. 18 3T1.2.2 Việt Nam3T ........................................................................................................... 19 3T1.2.3. Những ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên đối với con người và môi trường3T ......................................................................................................................... 20 3T1.2.4 Độ trung bình phóng xạ có trong người3T .............................................................. 22 3T1.3 Tương tác của tia gamma với vật chất. Hệ phổ kế gamma phông thấp3T ................ 23 3T1.3.1 Các tương tác của bức xạ gamma với vật chất3T .................................................... 23 3T1.3.2 Detector bán dẫn Germanium3T ............................................................................. 31 3T1.4 Nhận xét3T ................................................................................................................... 49 3TCHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM 3T ................................................................. 50 3T2.1 Các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường3T ............................ 50 3T2.1.1 Phương pháp tương đối3T ...................................................................................... 52 3T2.1.2 Phương pháp tuyệt đối3T ....................................................................................... 53 3T2.2 Phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất ghi của detector đối với mẫu dạng hình trụ3T .......................................................................................................................... 54 3T2.3 Thực nghiệm3T ............................................................................................................ 55 3T2.3.1 Chuẩn bị mẫu chuẩn3T ........................................................................................... 55 3T2.3.2 Chuẩn bị mẫu đo3T ................................................................................................ 56 3T2.4 Phương pháp đo3T ....................................................................................................... 57 3T2.4.1 Cách đo3T .............................................................................................................. 57 3T2.4.2 Hệ phổ kế gamma3T .............................................................................................. 57 3T2.5 Xử lí phổ3T ................................................................................................................... 58 3T2.6 Nhận xét3T ................................................................................................................... 62 3TCHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN3T .......................................................... 63 3T .1 Hiệu suất ghi nhận của detector đối với mẫu khối dạng hình trụ3T ......................... 63 3T .2 Hoạt độ và hoạt độ riêng của mẫu Moss-soil3T .......................................................... 66 3T .3 Nhận xét3T ................................................................................................................... 68 3TKẾT LUẬN3T .............................................................................................................. 70 3T ÀI LIỆU THAM KHẢO3T ...................................................................................... 72 2BMỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành vật lí hạt nhân nói riêng đã thải vào môi trường sống của chúng ta một lượng chất phóng xạ đáng kể. Các nhân phóng xạ phân bố không đều giữa nơi này và nơi khác vì hàm lượng phóng xạ trong môi trường phụ thuộc vào vị trí địa lí, kiến tạo địa chất, nơi con người sống và làm việc,[1]. Môi trường đang chịu tác động ngày càng lớn từ những hoạt động của con người như: quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, thăm dò, khai thác tài nguyênSong song đó khoa học công nghệ đặc biệt là kỹ thuật hạt nhân ngày càng phát triển và hiện đại. Và vấn đề về phóng xạ môi trường cũng là mối quan tâm hàng đầu. Nghiên cứu phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc đo hoạt độ của các mẫu môi trường: đất, nước, bụi khí, Ngày nay, hệ phổ kế gamma phông thấp được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong việc xác định hoạt độ của các nguyên tố quan tâm trong các mẫu môi trường [1]. Luận văn được hình thành trên cơ sở: tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ phổ kế gamma phông thấp tại phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân trường Đại học Sư phạm TpHCM [1]. Hệ phổ kế gamma phông thấp có khả năng ghi nhận trực tiếp các tia gamma do các đồng vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách chiết các nhân phóng xạ khỏi chất nền của mẫu, giúp chúng ta thu được một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ trong mẫu [9]. Nhờ những kết quả phân tích trong nghiên cứu môi trường này, chúng ta có thể đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các chất phóng xạ có trong môi trường đối với cuộc sống con người. Xuất phát từ ý tưởng tìm hiểu cách vận hành hệ đo gamma phông thấp và xác định hoạt độ của các mẫu môi trường có hoạt độ thấp dựa trên việc sử dụng hệ phổ kế, tác giả của luận văn đã lựa chọn đề tài :“Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu Moss – soil bằng hệ phổ kế gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của IAEA”. Đối tượng của luận văn là mẫu Moss-soil (mẫu rong rêu) do cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) cung cấp nằm trong chương trình so sánh chéo giữa các phòng thí nghiệm trên thế giới (300 phòng thí nghiệm) để xác định hoạt độ của các đồng vị có trong mẫu Moss-soil và so sánh với kết quả của IAEA. Nội dung được trình bày trong luận văn gồm 3 chương:  Chương 1: Trình bày cơ sở lí thuyết về bức xạ hạt nhân và tìm hiểu về hệ phổ kế gamma phông thấp.  Chương 2: Trình bày phương pháp thực nghiệm trên hệ phổ kế gamma phông thấp và phương pháp xác định hoạt độ của mẫu Moss-soil.  Chương 3:Kết quả và thảo luận. 3BCHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN Môi trường xung quanh chúng ta luôn tồn tại các hạt nhân phóng xạ. Các hạt nhân này có thể được tạo ra do tia vũ trụ tương tác với các hạt nhân khác trong bầu khí quyển xung quanh Trái Đất, do sự tiến bộ của khoa học trong lĩnh vực hạt nhân, hay có nguồn gốc từ thời kì ban đầu hình thành nên vũ trụ. Thông thường, các chất phóng xạ này thường có hoạt độ thấp. Tuy nhiên, do sự tồn tại khắp mọi nơi của chúng trong cả mẫu đo, ngay bên trong và xung quanh detector nên cũng ảnh hưởng đáng kể đến các phép đo mẫu môi trường có hoạt độ thấp. Việc hiểu rõ đặc điểm của một số hạt nhân và các chuỗi phóng xạ tự nhiên phổ biến đặc biệt là các chuỗi Thorium, Uranium, và Actinium sẽ giúp ích rất nhiều trong việc đo đạc mẫu môi trường. Bên cạnh đó, việc nắm vững về lý thuyết tương tác của tia gamma do các hạt nhân phóng xạ phát ra với vật chất sẽ giúp chúng ta có những hiệu chỉnh cần thiết khi xác định diện tích của những đỉnh gamma mà chúng ta quan tâm. Chương này trình bày sơ lược một số hạt nhân phóng xạ phổ biến trong tự nhiên và sự tương tác gamma với vật chất. 8B1.1 Vài nét về hiện tượng phóng xạ Phóng xạ là một hiện tượng tự nhiên xuất hiện từ thuở khai thiên lập địa, nhưng chưa được biết đến cho đến năm 1896, khi Henri Becquerel tình cờ phát hiện các bức xạ từ muối của Uranium. Sau đó, năm 1889 Pierre và Marie Curie tìm ra hai chất phóng xạ mới là Polonium và Radium. Năm 1934, Frederic Jiolot và Iren Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo của phospho và nitrogen. Phát minh này đã mở ra kỉ nguyên của phóng xạ nhân tạo. Theo định nghĩa, phóng xạ là biến đổi tự xảy ra của hạt nhân nguyên tử đưa đến sự thay đổi trạng thái hoặc bậc số nguyên tử hoặc số khối của hạt nhân. Khi chỉ có sự thay đổi trạng thái xảy ra hạt nhân sẽ phát ra tia gamma mà không biến đổi thành hạt nhân khác, khi bậc số nguyên tử thay đổi sẽ biến hạt nhân này thành hạt nhân của nguyên tử khác, khi chỉ có số khối thay đổi hạt nhân sẽ biến thành đồng vị khác của nó .[7] Các công trình nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng phóng xạ đã xác nhận sản phẩm phân rã của hạt nhân gồm: + Tia alpha: là chùm các hạt tích điện dương, bị lệch trong điện trường và từ trường, dễ bị các lớp vật chất mỏng hấp thụ. Về bản chất, tia alpha là chùm các hạt nhân của nguyên tử Helium. + Tia beta: cũng bị lệch trong điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu hơn tia alpha. Về bản chất, tia beta là các electron (βP-P) và các positron(βP+P). + Tia gamma: không chịu tác dụng của điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu vật chất. Về bản chất, tia gamma là các photon có năng lượng cao [7].  Nguồn gốc phóng xạ Từ các tro bụi của vụ nổ các ngôi sao, khoảng 4,5 tỉ năm trước đây đã hình thành hệ Mặt trời. Trong các đám tro bụi đó có một lượng lớn các nguyên tố phóng xạ. Theo thời gian đa số các nguyên tố phóng xạ này phân rã và trở thành các đồng vị bền, chúng là thành phần chính của hệ thống hành tinh chúng ta ngày nay. Tuy nhiên, trong vỏ Trái đất vẫn còn những nguyên tố phóng xạ, đó là những nguyên tố có thời gian bán rã có tuổi của Trái đất hoặc lớn hơn. Các đồng vị phóng xạ này cùng một sản phẩm của chúng là nguồn gốc chính của bức xạ ion hóa tự nhiên tác dụng lên mọi vật trên Trái đất. Phóng xạ có ở khắp mọi nơi: trong đất, nước, không khí, thực phẩm, vật liệu xây dựng, kể cả con người. Do đó, việc tìm hiểu áp dụng và phát triển các kĩ thuật đo lường bức xạ ngày càng nhiều với qui mô rộng lớn trong các lĩnh vực như quân sự, công nghiệp, nông nghiệp, y học, sinh học,... Nguồn phóng xạ được chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo[2]. Nguồn phóng xạ tự nhiên (thường gọi là phông phóng xạ tự nhiên) là các chất đồng vị phóng xạ có mặt trên Trái đất, trong nước hay bầu khí quyển. Nguồn phóng xạ nhân tạo là do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc. 21B .1.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên Các nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy – có từ khi tạo thành Trái đất và vũ trụ và nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ - được tia vũ trụ tạo ra [7]. 35B1.1.1.1 Nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy Phông phóng xạ trên Trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và sau khi Trái đất được hình thành. Chúng có chu kỳ bán rã ít nhất khoảng vài triệu năm, gồm có Uranium, Thorium và con cháu của chúng, cùng với một số nguyên tố phóng xạ khác tạo thành 4 họ phóng xạ cơ bản: Họ Thorium P232PTh (4n); họ Uranium P238PU (4n+2); Họ Actinium P235PU (4n+3) và họ phóng xạ nhân tạo Neptunium P241P u (4n+1). Các đặc điểm của 4 họ phóng xạ tự nhiên: + Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. + Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố Radon. Ví dụ trong họ Uranium là P222PRa(Radon); trong họ Thorium là P 220 PRnR86R(Thoron); trong họ Actinium là P219PRnR86R(Actinon). Trong họ phóng xạ nhân tạo Neptunium không có thành viên khí phóng xạ. + Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ tự nhiên đều là chì: P206 P b trong họ Uranium, P 207 P Pb trong họ Actinium và P208P Pb trong họ Thorium. Trong họ phóng xạ nhân tạo Neptunium, thành viên cuối cùng là P209 PBi [7]. Họ Thorium (4n) Họ Uranium (4n +2) Hình 1.1.Các họ phóng xạ [2] Ngoài các đồng vị phóng xạ trong bốn họ Thorium, Uranium, Neptunium, Actinium, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp, một trong số đó là Kali [2]. Kali là kim loại kiềm có 3 đồng vị ở dạng tự nhiên, nhưng chỉ có P40PK là có tính phóng xạ với độ phổ cập 0,0117% và thời gian bán rã TR1/2R = 1,28.10P9P 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%. Kali có chủ yếu trong sinh vật vì vậyviệc phát xạ P40PK là tất yếu nhưng có sự biến thiên về độ tuổi trong vạch phổ với những thay đổi tương ứng trong nồng độ Kali. Sự có mặt của P40 PK trong đá và đất tạo ra nguồn phát xạ ngoài.P40PK có hàm lượng trung bình trong đất đá là 27 g/kg và trong đại dương ~ 380 mg/lít. P40PK phân rã thành đồng vị ổn định P40PCa (88,8%) bằng bức xạ beta, cũng như phân rã thành đồng vị P40PAr (11,2%) bằng cách bắt điện tử hoặc bằng bức xạ positron kết hợp với việc phát ra bức xạ gamma 1,461 MeV [2]. Họ Neptunium (4n +1) Họ Actinium (4n + 3) Hình 1.2.P40PK phân rã βP+P và bắt electron tạo P40PAr và phân rã βP-P tạo P40PCa [8] Một đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là P14PC với chu kỳ bán rã 5600 năm. P 14 PC là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân P14PN. Trước khi xuất hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của P14PC trong khí quyển khoảng 1,5.10P11P MBq (4MCi), trong thực vật khoảng 4,8.10P11P MBq (13MCi), trong đại dương khoảng 9.10P12P MBq (240 MCi). Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng P14PC. Cho đến năm 1960, tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.10P11P MBq (3MCi). Cacbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí COR2R đi vào cơ thể động vật qua quá trình hô hấp và vào thực vật qua quá trình quang hợp nên được sử dụng để đánh giá tuổi các mẫu khảo cổ vật liệu hữu cơ thông qua các số liệu hoạt độ riêng P14PC của chúng [7]. Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên quan trọng nhất được dẫn ra trong bảng dưới đây: Bảng 1.1. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên phổ biến trong vỏ Trái Đất [2] Đồng vị phóng xạ Chu kỳ bán rã Hàm lượng / Hoạt độ tự nhiên P 235 PU 7,04.10P8P năm 0,72% của tổng số Uran tự nhiên P 238 PU 4,47.10P9 Pnăm 99,2745% của tổng số Uran tự nhiên, 0,5 – 4,7 ppm Uran trong đất đá. (ppm = g/kg) P 232 PTh 1,41.10P10P năm 1,6 – 20 ppm trong tất cả các loại đá P 226 PRa 1,6.10P3P năm 16 Bq/kg trong các loại đá vôi, 48 Bq/kg trong đá nham thạch. P 222 PRn 3,82 ngày Nồng độ trung bình hàng năm tại Mỹ từ 0,6 – 28 Bq/cmP3P trong không khí P 40 PK 1,2504.10P10P năm 37 – 1000 Bq/kg trong đất Trong cơ thể con người có gần 3.10P-3P g Kali phóng xạ và 6.10P-9P g Radi. Do sự hiện diện của các đồng vị phóng xạ này, trong cơ thể mỗi giây xảy ra 6000 phân hủy beta và 220000 phân hủy anpha. Ngoài ra, do hậu quả tác dụng của các tia vũ trụ, trong cơ thể con người xuất hiện các thành phần phóng xạ nhân tạo khác. Nhờ các nguyên tố phóng xạ Cacbon P14PC, mà trong cơ thể con người mỗi giây xảy ra thêm 2500 phân hủy beta/giây. Nhìn chung trong cơ thể con người mỗi giây xảy ra 10000 phản ứng phân hủy. Khi mà không khí xung quanh ta, nước, đất đá đều là những chất phóng xạ, cơ thể con người – một bộ máy phóng xạ, cũng tham gia vào một tiến trình chung tạo nên “quỹ” phóng xạ của tự nhiên. 36B1.1.1.2 Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ Các bức xạ đến từ vũ trụ, chủ yếu là từ ngoài hệ Mặt trời của chúng ta, có thể là chùm hạt photon năng lượng cao, hạt muon, hay chùm hạt nặng mang điện [7]. Các bức xạ này tương tác với các hạt nhân nitơ và oxi trong tầng cao khí quyển và tạo ra các hạt nhân phóng xạ như P14PC, P3PT, P7PBe,.với tốc độ không đổi. Các hạt nhân phóng xạ này theo nước mưa đến bề mặt của Trái đất. Mặc dù mật độ các hạt nhân phóng xạ này nhỏ nhưng xét đến toàn cầu thì lượng hạt nhân phóng xạ này không nhỏ. Chúng có chu kì bán rã dài nhưng phần lớn đều nhỏ hơn chu kì của các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy. Trong số các hạt nhân phóng xạ do bức xạ vũ trụ tạo ra, ba hạt nhân phổ biến nhất là P3PT, P14PC, và P7PBe.  Tritium (P3PT) Tritium có trên Trái đất một ít là do từ Mặt trời, phần lớn là do các phản ứng hạt nhân, ví dụ như phản ứng giữa neutron nhanh với P14PN. n + P14PN P12PC + P3PT (1.1) Phản ứng này tạo ra khoảng 2500 nguyên tử Tritium trong mỗi giây, trên mỗi mét vuông bề mặt Trái đất. Tritium phóng xạ βP-P, có chu kì bán rã là 12,33 năm và phần lớn thời gian tồn tại của nó ở trong nước, tham gia vào chu trình Hidro toàn cầu.  Cacbon – 14 (P14PC) P 14 PC là hạt nhân phóng xạ βP-P mềm (E RmaxR= 158 keV) có chu kì bán rã 5715 năm. P14PC được tạo ra trong bầu khí quyển bởi rất nhiều phản ứng hạt nhân khác nhau, trong đó phản ứng quan trọng nhất là giữa neutron chậm và P14PN. n + P14PN P14PC + P1PH (1.2) Phản ứng này tạo ra khoảng 22000 nguyên tử P14PC trong mỗi giây trên mỗi mét vuông bề mặt của Trái đất. Nếu kể đến sự đón