Tài liệu Các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tự nhiên

Mục lục Mục lục ................................................................................................................... 1 Mở đầu ................................................................................................................... 3 Chương I Các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tự nhiờn. ...................................................................................................................... 5 1.1 Cỏc nguyờn tố phóng xạ trong tự nhiờn. .................................................. 5 1.1.1 Đồng vị phóng xạ của Kali -40K............................................................ 6 1.1.2 Các đồng vị phóng xạ của Thori và Uran 232Th, 235U,238U .................. 6 1.1.3 Đặc điểm của cỏc dóy phóng xạ tự nhiên và hiện tượng cân bằng phóng xạ. . Đặc điểm của các dãy phóng xạ tự nhiên và hiện tượng cân bằng phóng xạ. ........................................................................................................ 8 1.2 Quy luật phân bố của các nguyên tố phóng xạ trên trái đất. .................... 10 1.2.1 Quy luật phân bố của Uran và Thori trong vỏ Trái đất....................... 10 1.2.2 Quy luật phân bố của Kali và Rubidi trong đất đá: ............................ 13 1.3 Vai trò của bức xạ gamma trong địa vật lý. ............................................. 14 1.3.1 Vai trò của bức xạ gamma. ................................................................ 14 1.3.2 Phông bức xạ gamma. ......................................................................... 15 Chương II Suất liều bức xạ và ảnh hưởng của các đồng vị phóng xạ đến môi trường xung quanh. .............................................................................................. 18 2.1 Các đại lượng đo liều bức xạ dùng trong an toàn bức xạ. ....................... 18 2.1.1 Liều chiếu. ........................................................................................... 18 2.1.2 Liều hấp thô ........................................................................................ 18 2.1.3 Suất liều hấp thụ .................................. Error! Bookmark not defined. 2.1.4 Liều tương đương. ............................................................................... 19 2.1.4.1 Hệ số phẩm chất . ......................................................................... 19 2.1.4.2 Liều tương đương. ........................................................................ 20 2.1.4.3 Suất liều tương đương .................................................................. 20 2.1.4.4 Suất liều chiếu, mối quan hệ giữa suất liều chiếu và hàm lượng. 21 2.1.4.5 Liều hiệu dụng tương đương. ....................................................... 21 2.2 Ảnh hưởng của các đồng vị phóng xạ đến môi trường xung quanh: ....... 22 2.2.1 Ảnh hưởng của bức xạ đối với con người........................................... 23 2.2.2 Độ trung bình phóng xạ có trong người. ............................................. 24 2.2.3 An toàn phóng xạ. ............................................................................... 26 Chương III Phương pháp thực nghiệm ................................................................ 31 3.1 Chuẩn bị mẫu và mẫu chuẫn .................................................................... 31 3.1.1 Cách tạo mẫu ....................................................................................... 31 3.1.2 Mẫu chuẩn ........................................................................................... 32 3.2 Phương pháp tính hàm lượng các nguyên tố............................................ 33 3.2.1 Phương pháp tuyệt đối ........................................................................ 33 3.2.2 Phương pháp tương đối. ................... Error! Bookmark not defined. 3.2.3 Sai sè trong xử lý số liệu thực nghiệm. ............................................... 35 3.3 Hệ thống thiết bị đo. ................................................................................. 35 3.3.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo. ................................................................. 35 3.3.2 Detector bán dẫn. ................................................................................ 37 3.3.2.1 Nguyên tắc làm việc của detector bán dẫn. ................................. 37 3.3.2.2 Một số đặc trưng của detector bán dẫn. ....................................... 38 3.3.3 Máy đo suất liều bức xạ. ................................................................... 408 Chương IV Các kết quả thực nghiệm39............................................................... 39 4.1 Số liệu thực nghiệm.39 ............................................................................ 39 4.1.1 Số đếm đã trừ phông.39 ...................................................................... 39 4.1.2 Phổ bức xạ của các nguyên tố phóng xạ trong các mẫu đất. ............ 420 4.1.3 Hàm lượng của cỏc nguyờn tố 238U, 232Th và 40K ............................. 420 4.1.4 Suất liều bức xạ. ................................................................................ 431 Kết luận .............................................................................................................. 475 Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 476 Mở đầu Nhiều nghiên cứu ở trong nước cũng như nước ngoài đã sử dụng các kỹ thuật hạt nhân để đánh giá độ nhiễm bẩn phóng xạ tự nhiên. Đặc biệt đó cú một bảng số liệu cho các loại đất đá về các đồng vị phóng xạ tự nhiên cho các nước khác nhau trong UNSCEAR - NewYork - 1988 bằng số liệu thực nghiệm chứa các mức trung bình của bức xạ vũ trụ và các trường bức xạ, các phóng xạ của khí Radon trờn cỏc địa dư hành chính của các nước trong những thời gian xác định. Tuy nhiên các số liệu luụn cú sự biến đổi, vì các đồng vị này luôn luôn bị phân rã trong mụi trường.Vỡ vậy nghiên cứu các số liệu này biến đổi theo thời gian, theo không gian cũng là những việc cần làm. Hơn nữa ở nước ta nghiên cứu này không được triển khai thường xuyên và cũng chưa ở một diện rộng, mới chỉ đo ở cỏc vựng cục bộ. Do đó có thể nói chúng ta chưa có số liệu cơ bản ban đầu một cách đầy đủ, mà mới chỉ đo một vài điểm đặc trưng, đặc biệt chưa theo dõi suất liều trên cơ sở số liệu về hàm lượng phóng xạ tự nhiên ở trong thời gian từ năm 1980 đến 1998. Mục đích của khoá luận này tôi nghiên cứu cả hai phương pháp đo hàm lượng và suất liều trong cùng một không gian và thời gian ở một số địa điểm đặc trưng của khu đất Đại Học Khoa Học Tự Nhiờn-Hoà Lạc, bằng hệ thiết bị detector bán dẫn siêu tinh khiết. Đây là các số liệu cơ bản ban đầu cả về hàm lượng lẫn suất liều được đo, qua đó chúng ta có thể đánh giá được các loại đất đá ở khu vực này, cũng như ảnh hưởng của suất liều đến môi trường xung quanh. Ngoài ra, việc nghiên cứu hàm lượng phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ giúp chúng ta tìm kiếm quặng phóng xạ cũng như việc tìm kiếm các nguyên tố cộng sinh với các nguyên tố phóng xạ. Hoàn thanh khoá luận này tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS Đặng Huy Uyên, tập thể cán bộ trung tâm vật lý hạt nhân, đặc biệt là GS.TS Trần Đức Thiệp, PGS.TS Nguyễn Văn Đỗ và thầy Nguyễn Văn Khuê những người đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian vừa qua. Bản khoá luận này là kết quả của quá trình 4 năm học tập trong trường với sự giảng dạy của thầy cô giáo, là sự tổng hợp kiến thức của bản thân trong thời gian học, cũng như trong quá trình đi thực tập tại trung tâm Vật lý hạt nhân. Mặc dù đã cố gắng học hỏi, tìm tòi nghiên cứu các tài liệu, cũng như được sự hướng dẫn tận tình của thầy cô giáo và sự giúp đỡ của bạn bè. Nhưng do thời gian hạn hẹp, khả năng và kinh nghiệm còn có hạn, nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong được sự góp của quý thầy cô cùng tất cả các bạn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội tháng 06 năm 2003 ch-¬ng I các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tự nhiờn. 1.1 Cỏc nguyờn tố phóng xạ trong tự nhiên. Trong tự nhiên có sẵn những đồng vị có tính phóng xạ, đó là các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Về nguồn gốc phát sinh, người ta chia chúng thành 3 nhóm: + Nhóm thứ nhất: Theo quan điểm hiện nay, các đồng vị thuộc nhúm nàyliờn quan đến sự tổng hợp chúng khi hình thành thái dương hệ. Chu kỳ bỏn ró của các hạt nhân này vào cỡ tuổi trái đất(cỡ 5x10 9 năm). Nhóm này bao gồm cỏc nguyờn tố 238U,232Th,40K,87Rb,24Sn... và một số hạt nhân rất hiếm khác. + Nhóm thứ hai: Nhóm này sinh ra do sự phân rã và phân chia tự phát của nhóm thứ nhất. Chỳng cú chu kỳ bỏn ró từ bé hơn 1 giây đến 10 4 5 năm. +Nhóm thứ 3: Bao gồm các hạt nhân phóng xạ tự nhiên còn lại, chúng sinh ra do những nguyên nhân ngoài trái đất như do tương tác của các tia vũ trụ có năng lượng cao với khí quyển, đó là các nguyên tố như: 3H, 7Be, 10Be, 14C... và một số nguyên tố sinh ra do sự bắt notron hay có nguồn gốc từ cỏc thiờn thạch trong vũ trụ đi vào trái đất. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên tạo thành cỏc dóy cơ bản là 232 238 U, 235U, và Th. Chúng tạo thành cỏc dóy tương ứng là Uran, Actino Uran và Thori. Cỏc dóy cơ bản trên đều bắt đầu bằng đồng vị phóng xạ có chu kỳ bỏn rã lớn (238U: T1/2=4,5.109 năm, 235 U: T1/2=7.108 năm và 232 Th: T1/2=45.109 năm) và kết thúc bằng các đồng vị chì bền (Pb). Hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên trong đất đá được quy định bởi hoạt độ đá mẹ và tập hợp các quá trình tạo thành đất đá. Trong đó tồn tại các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bỏn ró dài như 40 K, 87Rb, 238 U, 232 Th. Các đặc trưng cơ bản như chu kỳ bỏn ró, hàm lượng trong các hợp chất tự nhiên của các đồng vị phóng xạ này được đưa ra ở bảng sau đây: Bảng 1: Chu kỳ bỏn ró và hàm lượng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên Đồng vị Hàm lượng trong hợp chất tự Chu kỳ bán rã (năm) nhiên của đồng vị (%) 40 87 K 0,019 1,39.109 Rb 27,85 5,0.1010 100 1,4.1010 232 Th 235 U 0,7 7,1.108 238 U 99,28 4,5.109 1.1.1 Đồng vị phóng xạ của Kali -40K. 40 40 + - - đồng vị chiếm K. Khi sẽ biến thành 40Ca. Hạt nhân con được tạo thành ở trạng thái cơ bản. Xác suất của quá trình này là 89 %. Chỉ có 11% 40 + hoặc chiếm K trở thành 40Ar. Hạt nhân con 40Ar ở trạng thái kích thích khi trở về trạng thái cơ bản có năng lượng 1,46 MeV. Vì vậy bức xạ gamma 1,46 MeV là bức xạ đặc trưng của 40K. Chu kỳ bỏn ró của 40K là 1,39.109 năm. Từ khi hình thành trái đất đến nay lượng 40K đã giảm đi 8 lần. 1.1.2 Các đồng vị phóng xạ của Thori và Uran 232Th, 235U,238U Cả 3 đồng vị phóng xạ trên đều là những đồng vị phân rã alpha. Các sản phẩm con cháu của 3 đồng vị trên đều không bền. Khi tạo thành chúng lại tiếp tục phân rã tạo thành 3 dãy tự nhiờn. Cả 3 dãy phóng xạ trên đều được kết thúc bởi đồng vị phóng xạ chì bền. Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy phóng xạ 232 Th có số khối được mô tả theo công thức A=4n, với n là số nguyên biến đổi từ 52 đến 58. Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy 235 U có số khối được mô tả theo công thức A= 4n+3, với n là số nguyên biến đổi từ 51 đến 58. Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy 238 U có số khối được mô tả theo công thức A= 4n+2, với n là số nguyên biến đổi từ 51 đến 59. Dãy phóng xạ 232Th được bắt đầu từ 232 Th và kết thúc bởi đồng vị chì bền 208 232  Th 228  Ra 228 (1,4.1010 năm) (5,7 năm)  220 Rn (5,3 giây) Ac  228 (6,13 giê)  Th 224 Ra (1,9 năm) (3,64 ngày) Po Pb Bi (0,445 giây) (10,6 giê) (60,6 phót) 212 (3.10-7giây)   208 Po 208 Tl Pb (bền) (3,1 phót) Dãy phóng xạ 238U được bắt đầu từ 238U và kết thúc bởi đồng vị chì bền 208 238 U  234 Th (4,5.109 năm) (24,1 ngày) 226 Ra  222 Rn (11,6.103năm) (3,82 ngày)  234 Pa (117 phót) 218 Po (3,05 phót)  234 U  230 Th (2,5.105 năm) (8,0.104năm) Pb (26,8 phót) Bi (19,7 phót) 214 210 Po  Pb 210 (1,6.10-4giây) (20,4 năm)  Bi 210 (5 ngày) Po  206 Pb(bền) . (138 ngày) Dóy phóng xạ 235U, gọi là dãy Actini, được bắt đầu từ 235U và kết thúc bởi đồng vị chì bền 207 235 231 U  Th (7,1.108 năm) (225giê) 231 Pa (3,25 năm) (21,6 năm) 227 Po 211 Pb  (1,78.10-3giây) (36,1 phót) 211 Bi 207 Tl Fr (22 phót) 219 Ra (11,44năm) Po (2,16giây) 223 223 Th (18,2 ngày) 215  Ac  Rn (4,0 giây) 207 Pb(bền) (0,5 giây) (4,79 phót) 1.1.3 Đặc điểm của cỏc dóy phóng xạ tự nhiờn và hiện tượng cân bằng phóng xạ. ró rất lớn so với chu kỳ bỏn ró của các hạt nhân con cháu trong dãy. Do tuổi của các mẫu quặng rất lớn, cỡ tuổi của Trái Đất, do đó đến nay cỏc dóy phóng xạ đều xảy ra hiện tượng cân bằng phóng xạ. Khi hiện tượng này xảy ra, hoạt độ phóng xạ của các nguyên tố trong cùng một dãy đều bằng nhau. Ta có phương trình cân bằng phóng xạ sau: 1N1 2N2 1Ni Trong đó i là hằng số phân rã phóng xạ của nguyên tố thứ i N1 là hoạt độ phóng xạ của nguyên tố thứ i Khi đó nếu biết hoạt độ phóng xạ của một nguyên tố nào đó trong dãy, sẽ suy ra được hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân khác, và do đó biết được hàm lượng của các nguyên tố trong dãy. Trong địa chất quan tâm đến hàm lượng của các nguyên tố U, Th, K. Trong cả 3 dãy phóng xạ tự nhiên các nguyên tố phóng xạ ở đầu dãy khi phân rã, hạt nhân con được tạo thành thường ở trạng thái cơ bản hoặc ở trạng thái kích thích thấp. Do đó, các bức xạ gamma do các nguyên tố đầu dãy phát ra có cường độ thấp. Các nguyên tố cuối dãy khi phân rã hạt nhân con được tạo thành ở trạng thái kích thích có năng lượng cao. Vì vậy, các nguyên tố này khi phân rã sẽ phát ra các bức xạ gamma có năng lượng lớn và cường độ mạnh. Cho nên có thể sử dụng các nguyên tố này để phân tích và xác định hàm lượng của Uran, Thori và Kali trong đất đá. Hoạt độ phóng xạ alpha của dãy 235 U chỉ cỡ 5% hoạt độ phóng xạ alpha của dãy 238U. Cường độ bức xạ gamma do các nguyên tố trong dãy phóng xạ 238 U rất mạnh so với cường độ bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ trong dãy 235 U và 232Th phát ra. Cả 3 dãy phóng xạ 238U, 235U, 232Th đều chứa 3 đồng vị phóng xạ của Radi là 226Ra, 222Ra và 224Ra. C vị phóng xạ của Radon. Các đồng vị phóng xạ của Radon là 220 222 Rn, 219 Rn và Rn. Khi đồng vị phóng xạ 219Rn tương tác với một proton tạo nên hạt nhân dật lùi và ở trạng thái đú nú có thể bay ra khỏi đất đá đi vào khí quyển. Đây là một trong những nguyên nhân gây ra tính phóng xạ của không khí. 1.2 Quy luật phân bố của các nguyên tố phóng xạ trên trái đất. Nghiên cứu phân bố hay hàm lượng cả các nguyên tố phóng xạ trong các loại đất đá cơ bản của Trái Đất sẽ cho phép tìm hiểu vai trò của các quá trình hạt nhân trong lịch sử hình thành của Trái Đất và các quá trình biến đổi địa chất đã xẩy ra. 1.2.1 Quy luật phân bố của Uran và Thori trong vỏ Trái đất. Trong đất đá Uran và Thori tồn tại dưới dạng UO2 và ThO2. Các loại đất đá khác nhau có hàm lượng Uran và Thori khác nhau. Hàm lượng trung bình của Uran và Thori cũng như tỷ số về hàm lượng của chúng là một trong những thông số đặc trưng cho từng loại đất đá và nguồn gốc của nó. Bảng dưới đưa ra hàm lượng trung bình của Uran và Thoritrong các loại đá macma và tỷ số về hàm lượng của Uran và Thori. Đặc trưng nổi bật của loại đá macma là tỷ số giữa hàm lượng của Uran và Thori (Th/U) luôn luôn lớn hơn 1, mặc dù hàm lượng của Uran và Thori trong các loại đất đá này là khác nhau. Tỷ số này biến thiên trong khoảng từ 2,7 đối với đá Peridiot đến 4 Bảng dưới đưa ra hàm lượng trung bình của Uran và Thoritrong các loại đá macma và tỷ số về hàm lượng của Uran và Thori. Đặc trưng nổi bật của loại đá macma là tỷ số giữa hàm lượng của Uran và Thori (Th/U) luôn luôn lớn hơn 1, mặc dù hàm lượng của Uran và Thori trong các loại đất đá này là khác nhau. Tỷ số này biến thiên kiềm. Bảng 2: Hàm lượng trung bình (ppm) của Uran và Thori trong các loại đá macma. Loại đá U Th Th/U Đá peridiot, peoxen 0,03 0,08 2,7 Đá gabro, đá diaba 0,6 1,8 3,0 Đá điorit 1,8 6,0 3,3 Đá plagionit 2,7 9,6 4,0 Đá granit 4,5 18,0 4,0 Đá granit có tính kiềm  6,0 25,0 4,05,0 Đá diaba, đá bazan 0,7 2,3 3,2 Đá andezit 1,2 4,0 3,3 Đá liparit 4,7 19,0 4,0 Loại đá xâm nhập: Các loại phun trào: Đối với các loại đá trầm tích, tỷ số Th/U biến thiên trong khoảng rộng và có loại tỷ số nhỏ hơn 2. Đặc điểm này được thể hiện ở bảng 3 dưới đây: Bảng 3: Hàm lượng trung bình (ppm) của các loại đá trầm tích. Loại đá U Th Th/U Đá cuội kết 2,4 9,0 3,7 Đá sa thạch 2,9 10,0 3,6 Đá alginit (sét kết) 4,0 11,5 2,4 Đá cuội kết thạch anh 6,3 31,0 5,1 Đá phiến sét chứa than >1020 15,0 <1,0 Đá phiếm sét silic 2,8 6,2 2,2 Đá phiếm silic 1,7 2,2 1,2 Loại đá U Th Th/U Đá vôi 1,6 1,8 1,1 Đá macma 2,8 2,5 0,9 Đá có nguồn gốc lục địa: Các loại đá silic: Các loại đá cacbonat: Đá dolomit 3,7 2,8 0,8 Đá thạch cao khan 1,0 1,0 1,0 Mỏ muối 0,9 1,0 1,1 Than đá 3,4 4,8 1,4 Đá phiếm dầu mỏ <100 1015 <0,5 Các loại đá chứa muối: 1.2.2 Quy luật phân bố của Kali và Rubidi trong đất đá: Trong điều kiện tự nhiên cả Kali và Rubidi đều có hoà trị 1, chúng tồn tại ở trạng thái liờn kết ion và đều là các kim loại thuộc nhóm kim loại kiềm. Trong điều kiện tự nhiên cả Kali và Rubidi đều có hoà trị 1, chúng tồn tại ở trạng thái liên kết ion và đều là các kim loại thuộc nhóm kim loại kiềm. 40K chiếm khoảng 0,0119% lượng Kali tự nhiên, còn 87Rb chiếm khoảng 27,85% Rubidi tự nhiên. Hàm lượng trung bình của Kali và Rubidi cũng như tỷ lệ hàm lượng của chúng trong các loại đất đá khác nhau là khác nhau. Các số liệu cụ thể về hàm lượng của Kali và Rubidi cũng như tỷ số hàm lượng giữa chúng được trình bày ở các bảng sau: Bảng 4: Hàm lượng trung bình (ppm) của Kali và Rubidi trong một số loại đá macma. Loại đá K Rb K/Rb Đá Granit 37700 145 240 Đá Andehit 13300 Loại đá Bazan Kali 64050 430 140 Đá Bazan Olivin có tính kiềm 13800 33 418 31 430 Bảng 5: Hàm lượng trung bình (ppm) của Kali và Rubidi trong một số loại đá trầm tích. Loại đá K Rb K/Rb Đá phiếm 26000 140 186 Đá pha cát 10700 60 167 Đá vôi 2700 3 900 Đá trầm tích cacbonat 2900 10 290 Đá trầm tích pha cát 2270 110 227 Từ các số liệu ta thấy rằng 40K trong các loại đá trầm tích nhỏ hơn trong các loại đá macma. 1.3 Vai trò của bức xạ gamma trong địa vật lý. 1.3.1 Vai trò của bức xạ gamma. Cường độ bức xạ do một nguyên tố nào đó phát ra luôn tỷ lệ với hàm lượng của nguyên tố đó trong đối tượng nghiên cứu. Nếu phân rã phóng xạ của các nguyên tố phát ra các dạng bức xạ khác nhau (alpha, beta và gamma) thì hàm lượng của nó có thể được xác định dùa vào việc ghi nhận một trong số các loại bức xạ trên. Phổ bức xạ gamma do hạt nhân phóng xạ phát ra là phổ gián đoạn, có năng lượng hoàn toàn xác định đặc trưng cho nguyên tố đó. Khả năng đâm xuyên của hạt alpha rất nhỏ, nên trước khi đo hoạt độ alpha cần phải tiến hành xử lý hoá học các mẫu.Việc xử lý mẫu để đo phổ gamma là rất phức tạp. Ngày nay trong địa vật lý hạt nhân phơưng pháp phổ alpha Ýt dược sử dụng để xác định hàm lượnh các nguyên tố. Bức xạ beta tuy có khả năng đâm xuyên lớn nhưng do phổ beta là phổ liên tục. Nên trong địa vật lý hạt nhân phương pháp phổ beta hầu như không được sử dụng để xác định hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ. Ngày nay với sự phát triển và ngày càng hoàn thiện của các thiết bị gamma, cho nên trong địa vật lý hạt nhân hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ Uran, Thori và Kali được xác định theo phương pháp phổ gamma. Các bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ phá ra do có phổ gián đoạn. Mỗi hạt nhân phóng xạ gamma đều phát ra một số vạch bức xạ gamma có năng lượng hoàn toàn xác định. Ngoài ra, các bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên lớn, do đó phương pháp gamma có tầm quan trọng lớn. Trong phòng thí nghiệm các mẫu đo phổ gamma không cần phải xử lý hoá học trước khi đo, chỉ cần xử lý sơ bộ như sấy khô và nghiền nhỏ. 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 do các nguyên tố phóng xạ có trong đất đá phát ra. Với việc trợ giúp của các phần mềm máy tính việc xác định diện tích của các đỉnh hấp thụ toàn phần cho độ chính xác rất cao. Như vậy, với phổ kế gamma bán dẫn có thể xác định hàm lượng phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ phát ra bức xạ gamma có trong mẫu đất. 1.3.2 Phông bức xạ gamma. Trong tất cả các loại đất đá thuộc vỏ trái đất đều chứa các nguyên tố phóng xạ tự nhiên Uran, Thori, Kali và Rubidi với hàm lượng khác nhau. Trong đó Rubidi là hạt nhân phân rã beta mềm thuần tuý, có chu kỳ rất lớn. Hàm lượng của nó trong đất đá rất nhỏ. Vì vậy Trong tất cả các loại đất đá thuộc vỏ trái đất đều chứa các nguyên tố phóng xạ tự nhiên Uran, Thori, Kali và Rubidi với hàm lượng khác nhau. Trong đó Rubidi là hạt nhân phân rã beta mềm thuần tuý, có chu kỳ rất lớn. Hàm lượng của nó trong đất đá rất nhỏ. Vì vậy 87 Rb Ýt được quan tâm trong địa vật lý hạt nhân. Bức xạ do 87Rb phát ra không đóng góp vào phông phóng xạ chung trên mặt đất. Các nguyên tố phóng xạ trong đất đá và trong các vật liệu xây dựng đều nằm trong 3 họ phóng xạ Uran, Thori và Kali. 40 K là nguyên tố phóng xạ kèm theo bức xạ gamma có năng lượng 1,46MeV. Các hạt nhân con cháu của Uran, Thori và Kali phân rã alpha hoặc beta thường được tạo thành ở các trạng thái kích thích, chúng phát ra các bức xạ gamma đặc trưng để trở về trạng thái cơ bản. Các bức xạ gamma nhất là các bức xạ có năng lượng cao, có hệ số suy giảm trong đất đá rất nhỏ. Quãng chạy của các bức xạ gamma trong đất đá rất lớn. Khi được sinh ra từ cỏc lớp đất đá gần mặt đất, các bức xạ gamma có thể bay ra khỏi mặt đất tạo thành phông phóng xạ gamma trên mặt đất. Ngoài ra phông bức xạ trên mặt đất còn do bức xạ vũ trụ gây ra. Thành phần phông phóng xạ gamma do tia vũ gây ra phụ thuộc vào chiều cao so với mực nước biển. Thành phần này thường rất nhỏ so với các bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ dưới mặt đất và vật liệu xây dựng xung quanh gây nên. Như vậy, khi nói đến phông phóng xạ có nghĩa là nó được tạo thành từ các nguyên tố có trong đất. Trong bảng dưới đây đưa ra một số bức xạ gamma đặc trưng của một số đồng vị phóng xạ trong dãy Uran, Thori và Kali: Bảng 6: Các đặc trưng của bức xạ gamma tự nhiên có trong dãy 232 238 U và dãy Th. Đồng vị phóng xạ Chu kỳ bán rã Năng lượng bức xạ Lượng bức xạ gamma gamma (KeV) có trong 100 phân rã Dãy 238U 234 Th 214 Pb 214 Bi 24,1 ngày 63 5,7 93 6,8 295 18,9 352 36,0 609 41,2 1120 16,3 1764 15,8 911 20,0 969 13,3 10,6 giê 239 43,1 3,1 phót 583 29,0 2614 33,7 1462 11,0 26,8 phót 19,8 phót Dãy 232Th 228 Ac 212 Pb 208 40 Tl K 6,1 giê 1,39.109 năm ch-¬ng II suất liều bức xạ và ảnh hưởng của các đồng vị phóng xạ đến môi trường xung quanh. Các đại lượng đo liều bức xạ dùng trong an toàn bức xạ. 2.1 2.1.1 Liều chiếu. Để định lượng một loại bức xạ nào đó là nhiều hay Ýt, ban đầu người ta dùng khái niệm liều và dùa vào tác dụng ion hoá của bức xạ đó gây ra trong không khí. Đơn vị đầu tiên được dùng là Roentgen (ký hiệu là R). ua 1cm3 không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn (00C, 760 mmHg) thì tạo thành một đơn vị diện tích của mỗi loại ion. Trong không khí liều hấp thụ 1R=0,86 Rad, trong tế bào sống thì 1R = 0,93 Rad. 2.1.2 Liều hấp thụ D. Liều hấp thụ D là năng lượng trung bình của bức xạ ion hoá cho vật chất D= d dm Một đơn vị khác của liều hấp thụ được sử dụng rộng rãi hơn là Rad, đó là lượng bức xạ khi đi qua vật chất và truyền năng lượng 100 erg cho vật chất: 1 Rad=100 erg/g=10-J/kg Trong hệ SI dùng đơn vị có tên là Gray (Gy): 1Gy=1 J/kg Như vậy: 1Gy=104 erg/g=100 Rad. Năng lượng trung bình của bức xạ ion hoá là năng lượng của bức xạ ion hoá được truyền cho vật chất trong một thể tích và bằng:  =Rin- Rout Trong đó: Rin là năng lượng bức xạ tới thể tích. Nó bằng tổng năng lượng của tất cả các hạt mang điện và không mang điện đi vào trong thể tớch đú trừ đi năng lượng tĩnh. Rout là năng lượng bức xạ thoát khỏi thể tích. lượng này mang dấu +, còn nếu tăng mang dấu -) của các hạt nhân và các hạt cơ bản trong mọi tương tác xẩy ra trong thể tích đó. 2.1.3 Suất liều hấp thô: D Suất liều hấp thụ là tỷ số dD trên dt, trong đó: dD là sự tăng của liều hấp thụ trong khoảng thời gian dt. D = dD dt -1 -1 D có thứ nguyên là J.Kg .s hay Gray/giõy. 2.1.4 Liều tương đương. 2.1.4.1 Hệ số phẩm chất Q. Được đưa ra để đánh giá hiệu ứng sinh học của các loại bức xạ ion hoá khác nhau ở mức chiếu thấp hàng ngày trong công tác an toàn phóng xạ. Hội đồng đơn vị bức xạ ICRU-1991 đã chỉ ra rằng sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất Q vào năng lượng truyền tuyến tính L trong môi trường nước tại điểm khảo sát được biểu diễn như sau: 1 khi L Q(L)= 0,32L - 2,2 khi 10 KeV 0,32L - 300/ L 2.1.4.2 Liều tương đương. Liều tương đương H tại một điểm trong mô tả là tích của hai đại lượng Q và D. Trong đó: D là liều hấp thô Q hệ số phẩm chất tại điểm đo. H=Q.D Đơn vị đo liều tương đương có tên là rem: 1 rem =1 Rad x Q Một đơn vị đo liều tương đương là J.Kg-1. Tên riêng của liều tương đương là Sievert (Sv). 1 Sv = 1 Gy x Q Vậy: 1 Sv = 100 rem 2.1.4.3 Suất liều tương đương H : Suất liều tương đương H là tỷ số của dH trên dt: