Luận văn Xây dựng quy trình phân tích hoạt độ 238u, 232th, 40k của mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế gamma gmx - 35p470

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