Tài liệu Nghiên cứu ứng dựng phương pháp phổ gamma tự nhiên đánh giá tính phóng xạ đất đá trên bề mặt tại miền trung nước lào

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN SOMSAVATH LEUANGTAKOUN NGHIÊN CỨU ỨNG DỰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA TỰ NHIÊN ĐÁNH GIÁ TÍNH PHÓNG XẠ ĐẤT ĐÁ TRÊN BỀ MẶT TẠI MIỀN TRUNG NƯỚC LÀO . LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN SOMSAVATH LEUANGTAKOUN NGHIÊN CỨU ỨNG DỰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA TỰ NHIÊN ĐÁNH GIÁ TÍNH PHÓNG XẠ ĐẤT ĐÁ TRÊN BỀ MẶT TẠI MIỀN TRUNG NƯỚC LÀO. Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9440130.04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Bùi Văn Loát TS. Phan Việt Cương Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu riêng của tôi, các dữ liệu và kết quả nghiên cứu được nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được người khác công bố trong các công trình khác. Tác giả SOMSAVATH LEUANGTAKOUN i LỜI CẢM ƠN Bản Luận án được hoàn thành tại Bô ̣ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại hoc Khoa hoc Tự nhiên, ĐHQGHN dươi sự hương dân của PGS.TS. Bùi Văn Loát và TS. Phan Việt Cưnng. Tác giả xin bày tỏy lònng biết nn sâu sắc đối vơi hai thyy đã tận tình hương dân, đô ̣ng viên, gip, đỡú tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án này. Hoàn thành bản Luận án này, tác giả xin chân thành cảm nn các thyy, cô Bô ̣ môn Vật lý hạt nhân, Lãnh đạo Khoa Vật lý, Phònng Sau đại hoc, Ban Giám hiệu Trường Đại hoc Khoa hoc Tự nhiên. Tác giả cũng cám nn Bô ̣ Giáo duc và Đào tạo Việt Nam đã cấ, hoc bổng và Đại sứ quán Lào tại Việt Nam đã tạo điêu kiện gip, đỡú Nghiên cứu sinh hoàn thành Bản Luận án này. Tác giả xin bày tỏy lònng biết nn tơi Viện Y hoc Phóng xạ và U bươu Quân đô ̣i, Trung tâm Vật lý hạt nhân Viện Vật lý, Viện Khoa hoc và Ky thuật hạt nhân, Trung tâm Môi trường và Hóa hoc Quân sự đã tạo điêu kiện cho Nghiên cứu sinh tiến hành thí nghiệm, ,hân tích mâu trong suốt thời gian làm Luận án. Cuối cùng tác giả xin bày tỏy lònng biết nn gia đình, bạn bè, đồng nghiệ, đã đô ̣ng viên, gip, đỡú trong suốt thời gian hoc tậ,, nghiên cứu và hoàn thành Luận án này. Tác giả SOMSAVATH LEUANGTAKOUN ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i LỜI CẢM ƠN.........................................................................................................ii MỤC LỤC..............................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT..................................................x DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................................vi DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................viii MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ VÀ TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA VỎ TRÁI ĐẤT........................................................................5 1.1. Phóng xạ tự nhiên và tính chất ,hóng xạ của đất đá...........................................5 1.1.1. Phông ,hóng xạ tự nhiên......................................................................5 1.1.2. Hạt nhân ,hóng xạ tự nhiên trên bê mặt Trái Đất.................................6 1.1.3. Tia vũ tru..............................................................................................8 1.1.4. Các dạng ,hân rã ,hóng xạ tự nhiên trong đất đá............................................8 Hiện tượng chiếm electron........................................................................... 10 1.2. Chuỗi ,hân rã ,hóng xạ liên tiế, và hiện tượng cân bằng ,hóng xạ................12 1.2.1. Quy luật ,hân rã ,hóng xạ.................................................................. 12 1.2.2. Chuỗi ,hân rã ,hóng xạ liên tiế,........................................................ 13 1.2.3. Hiện tượng cân bằng tạm thời và cân bằng bên..................................13 238 232 235 1.2.4. Ba dãy ,hóng xạ U, Th và U................................................. 15 1.3. Các thông số đánh giá mức đô ̣ nguy hiểm ,hóng xạ tự nhiên trong mâu đất. . .16 1.3.1. Liêu chiếu và suất liêu chiếu.............................................................. 16 1.3.2. Liêu hấ, thu và suất liêu hấ, thu........................................................ 17 1.3.3. Các thông số đánh giá tính ,hóng xạ của đất đá................................. 17 1.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giơi và trong nươc............................................ 20 1.4.1. Các nghiên cứu trên Thế giơi............................................................. 20 1.4.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam và Lào.................................................... 26 Tiểu kết Chưnng 1................................................................................................... 28 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM.....................29 2.1. Hệ ,hổ kế gamma............................................................................................. 29 iii 2.1.1. Sn đồ khối và nguyên tắc hoạt đô ̣ng của hệ ,hổ kế gamma................29 2.1.2. Các đặc trưng cn bản của ,hổ kế gamma........................................... 31 2.1.2.1. Vài nét cn bản tưnng tác của bức xạ gamma vơi vật chất................31 2.1.3. Mô ̣t vài thông số của các hệ hệ ,hổ kế gamma sử dung trong Luận án ..................................................................................................................... 36 2.2. Phưnng ,há, lấy mâu và xử lý mâu................................................................. 41 2.2.1. Vê địa lý khu vực nghiên cứu và nguyên tắc chon vị trí lấy mâu.......41 2.2.2. Đặc điểm chung địa chất khu vực nghiên cứu.................................... 42 2.2.3. Quy trình lấy mâu............................................................................... 44 2.2.4. Xử lý mâu và tạo mâu ,hân tích........................................................ 44 2.2.5. Nguồn và mâu chuẩn ,hóng xạ.......................................................... 45 2.3. Xác định hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của các đồng vị ,hóng xạ theo ,hưnng ,há, ,hổ gamma.............................................................................................................. 47 2.3.1. Xác định hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của các đồng vị ,hóng xạ bằng ,hổ kế gamma bán dân........................................................................................ 47 238 2.3.2. Xác định hoạt đô ̣ riêng của U cân bằng và không cân bằng...........48 Tiểu kết Chưnng 2................................................................................................... 54 CHƯƠNG 3 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG PHÓNG XẠ RIÊNG TRÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA NHẤP NHÁY VÀ BÁN DẪN.............................................................................................................. 29 40 3.1. Phưnng ,há, ma trận xác định hoạt đô ̣ K, 226 Ra, 232 Th trong mâu bằng hệ ,hổ gamma nhấ, nháy NaI(Tl)...................................................................................... 55 3.1.1. Cn sở của ,hưnng ,há,...................................................................... 55 40 226 232 3.1.2. Xây dựng ,hưnng trình xác định hoạt đô ̣ K, Ra và Th trên ,hổ kế gamma nhấ, nháy.................................................................................... 57 3.1.3. Phân tích đối chứng vơi các ,hònng thí nghiệm uy tín.........................59 3.2. Phát triển ,hưnng ,há, chuẩn nô ̣i hiệu suất ghi nâng cao đô ̣ chính xác...........59 3.2.1. Đường cong chuẩn nô ̣i hiệu suất ghi.................................................. 59 3.2.2. Kết hợ, sử dung đường cong hiệu suất ghi tưnng đối và hiệu suất ghi tuyệt đối tại vạch năng lượng 1460,82 keV nâng cao đô ̣ chính xác..............62 40 3.2.3. Xác định hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của các đồng vị K, iv 226 Ra và 232 Th . 64 3.2.4. A, dung đường cong chuẩn nô ̣i hiệu suất ghi đánh giá trạng thái cân 226 238 bằng ,hóng xạ giữa Ra và U............................................................... 65 3.3. Hiện chỉnh kết quả đo, đánh giá sai số kết qủa ,hân tích................................. 68 3.3.1. Hiệu chỉnh sự sai khác giữa khối lượng mâu chuẩn và mâu ,hân tích 68 3.3.2. Công thức truyên sai sô...................................................................... 69 3.3.3. Các nguồn gây ra sai số...................................................................... 69 Tiểu kết Chưnng 3................................................................................................... 70 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................... 71 40 226 232 4.1. Hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của K, Ra, Th và Radi tưnng đưnng trong mâu đất........................................................................................................................... 71 40 226 232 4.1.1. Hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng K, Ra, Th và Radi tưnng đưnng theo nhóm địa chất............................................................................................... 71 40 226 232 4.1.2. Đánh giá đóng gó, của các đồng vị K, Ra và Th vào hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng......................................................................................... 76 4.2. Hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng 40 K, 226 Ra, 232 Th và hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng theo vị trí địa lý................................................................................................................... 77 4.2.1. Đặc điểm chung.................................................................................. 77 4.2.2. Hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 40 4.2.3. Hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 226 K......................................................... 81 Ra...................................................... 83 232 4.2.4. Hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của Th...................................................... 85 4.3. Các hệ số ,hóng xạ nguy hiểm do các đồng vị ,hóng xạ trong đất gây ra.......86 4.3.1. Hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng................................................................. 88 4.3.2. Suất liêu hấ, thu trong không khí trên bê mặt đất cao 1 m.................89 4.3.3. Liêu hiệu dung chiếu ngoài hàng năm................................................ 89 4.3.4. Các chỉ số nguy hiểm chiếu ngoài và chiếu trong...............................89 Tiểu kết Chưnng 4................................................................................................... 90 KẾT LUẬN............................................................................................................ 91 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN ..93 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 93 PHỤ LỤC............................................................................................................. 104 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Mô ̣t số đặc trưng của 4 dãy ,hóng xạ tự nhiên.........................................6 Bảng 1.2. Các vạch gamma có cường đô ̣ mạnh lơn do các đồng vị ,hóng xạ trong 3 dãy ,hóng xạ tự nhiên ,hát ra................................................................. 11 Bảng 1.3. Hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 40 K, 226 Ra và 232 Th trên thế giơi................25 Bảng 2.1. Thông số của buồng chì che chắn detector.............................................. 38 Bảng 2.2. Mô ̣t số thông số đặc trưng của các detector sử dung trong Luận án........39 Bảng 2.3a. Diện tích dân số và số điểm lấy mâu trong 3 tỉnh miên trung nươc CHDCND Lào........................................................................................ 41 Bảng 2.3b. Đưa ra tổng số mâu được chon theo các nhóm điạ chất........................42 Bảng 2.4. Các đặc trưng của nguồn chuẩn ,hóng xạ sử dung trong Luận án..........45 Bảng 2.5. Hiệu suất ghi tuyệt đốicủa detector tại các đỉnh đặc trưng......................50 Bảng 2.6. Ngưỡúng ,hát hiện của hệ ,hổ kế gamma bán dân HPGe tại Viện Y hoc Phóng xạ và U bươu Quân đô ̣i............................................................... 52 Bảng 2.7a. Kết quả xác định hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của mâu chuẩn IAEA 375. . .53 Bảng 3.1. Vùng cửa sổ năng lượng đặc trưng cho 40 K, 226 Ra và 232 Th...................56 Bảng 3.2. Mô ̣t số thông số của mâu chuẩn dùng để xác định hệ số aik....................57 Bảng 3.3. Các kết quả xác định tỉ só hoạt đô ̣ 214 214 Pb/ Bi và 238 U/ 214 Bi vơi ba cấu hình khác nhau bằng ,hưnng ,há, chuẩn nô ̣i hiệu suất ghi....................61 Bảng 3.4. Hiệu suất ghi tại đỉnh hấ, thu toàn ,hyn năng lượng 1460,8 keV vơi mật đô ̣ mâu khác nhau................................................................................... 63 Bảng 3.5. Phân tích thử nghiệm mâu chuẩn thứ cấ, TN1 theo đường cong chuẩn nô ̣i hiệu suất ghi............................................................................................ 65 Bảng 3.6. Kết quả đánh giá ty số hoạt đô ̣ 238 U và 226 Ra của mô ̣t số mâu địa chất và đất........................................................................................................... 67 Bảng 4.1. Hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 40 K, 226 Ra, 232 Th và hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng theo các nhóm loại đất Bảng 4.2. Giá trị trung bình và dải biến thiên hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của và 40 K, 71 226 Ra 232 Th và hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng trong đất đá lấy từ 30 huyện khác nhau trong 3 tỉnh miên trung Lào............................................................ 78 vi Bảng 4.3. So sánh hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 40 K, 226 Ra và 232 Th trong mâu đất tại 3 tỉnh miên trung Lào vơi mâu đất của mô ̣t số nươc trên thế giơi và các tỉnh của Việt Nam giá, 3 tỉnh miên trung Lào........................................ 82 Bảng 4.4. Các chỉ số nguy hiểm trong mâu đất tại miên trung Lào và thế giơi.......87 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các nguồn gây ra liêu trung bình hàng năm cho con người.......................5 Hình 1.2. Quy luật suy giảm của hạt nhân ,hóng xạ theo thời gian........................12 Hình 2.1. Sn đồ khối của hệ ,hổ kế HPGe.............................................................. 29 Hình 2.2. Quá trình tưnng tác của bức xạ gamma trong tinh thể kích thươc trung bình và hàm ,hản ứng của đyu đo............................................................. 34 Hình 2.3. Hệ ,hổ kế gamma nhấ, nháy tại Bô ̣ môn Vật lý hạt nhân.......................37 Hình 2.4. Đường chuẩn năng lượng của hệ ,hổ kế gamma nhấ, nháy NaI (Tl) dùng trong Luận án............................................................................................. 38 Hình 2.5. Đồ thị mô tả sự ,hu thuô ̣c bê rô ̣ng nửa chiêu cao vào năng lượng của hệ ,hổ kế gamma nhấ, nháy NaI(Tl) dùng trong Luận án.............................39 Hình 2.6. Hệ ,hổ kế gamma HPGe CANBERRA................................................... 40 Hình 2.7. Bản đồ lấy mâu đất của 3 tỉnh miên trung nươc CHDCND Lào.............43 Hình 2.8. Mô ̣t số mâu đất đá được nhốt chờ đo ,hổ................................................ 45 Hình 2.9. Các hô ̣, mâu chuẩn RGU-1, RGTh-1, RGK-1, TN1 và TNK1...............46 Hình 2.10. Dạng ,hổ của mâu chuẩn IAEA RGU-1 đo trên hệ ,hổ kế HPGe tại Viện Y hoc Phóng xạ và U bươu Quân đô ̣i trong 24h...............................50 Hình 2.11. Đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấ, thu toàn ,hẩn của hệ ,hổ kế tại Viện Y hoc ,hóng xạ và U bươu Quân đô ̣i...............................51 40 Hình 3.1. Vùng cửa sổ năng lượng đặc trưng cho 40 Hình 3.2. Kết quả đo hoạt đô ̣ K, 226 Ra và K, 226 Ra và 232 Th..................56 232 Th trong mâu TN1.........................58 Hình 3.3. Đường cong chuẩn nô ̣i hiệu suất ghi dựa trên các đỉnh gamma của 214 Bi vơi ba cấu hình khác nhau......................................................................... 60 Hình 3.4. Đồ thị mô tả sự ,hu thuô ̣c của hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh năng lượng 1460,8 keV vào mật đô ̣ mâu đo đối vơi hệ ,hổ kế gamma tai Viện Y hoc Phóng xạ và U bươu Quân đô ̣i................................................................... 64 Hình 4.1. Mối tưnng quan giữa hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 232 Th và hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng.............................................................................................. 76 Hình 4.2. Biểu đồ hoạt đô ̣ riêng trung bình của 40 K, 226 Ra, 232 Th và hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng trong đất tại 30 huyện thuô ̣c 3 tỉnh miên trung Lào: a. viii 40 K, b . 226 Ra, c. 232 Th và d. Radi tưnng đưnng tưnng ứng. Hình 4.3. Bản đồ hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng trung bình của 80 40 K trong đất của 30 huyện thuô ̣c 3 tỉnh miên trung nươc Lào.............................................................. 81 Hình 4.4. Bản đồ hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng trung bình của 226 Ra trong đất của 30 huyện thuô ̣c 3 tỉnh miên trung nươc Lào................................................... 84 Hình 4.5. Bản đồ hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng trung bình của 232 Th trong đất tại 30 huyện thuô ̣c 3 tỉnh miên trung nươc Lào................................................... 85 Hình 4.6. Bản đồ hoạt đô ̣ ,hóng xạ Radi tưnng đưnng trung bình tại 30 huyện thuô ̣c 3 tỉnh miên trung Lào...................................................................... 88 ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng việt Tiếng anh CHDCND Lào Cô ̣ng hòna Dân chủ Nhân dân Lào UNSCEAR Ủy ban Khoa hoc Liên Hiệ, Quốc vê Tác đô ̣ng của bức xạ Nguyên tử Lao ,eo,le Demogatic Re,lublic United Nations Scientific Committee on the Effect of Atomic Radiation LHQ Liên Hiệ, Quốc United Nations Scientific IAEA Cn quan Năng lượng nguyên tử quốc tế International Atomic Energy Agency HPGe Germanium siêu tinh khiết High Pure Germanium FWHM Bê rô ̣ng nửa chiêu cao Full Width Half Maximium Raeq Dair Hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng Radium equivalent activity Suất liêu hấ, thu trong không khí Absorbed dose rate in air AEDO Liêu hiệu dung chiếu ngoài hàng năm Annual Effective Dose Outdoor Hex Chỉ số nguy hiểm chiếu ngoài External hazard index Hin Chỉ số nguy hiểm chiếu trong Internal hazard index x MỞ ĐẦU Con người luôn bị chiếu xạ ở khắ, moi lpc, moi nni. Các bức xạ chiếu vào con người có nguồn gốc từ tia vũ tru, từ các đồng vị ,hóng xạ tự nhiên và từ chính các đồng vị ,hóng xạ có trong cn thể con người [51.. Từ chiếu xạ dùng để chỉ sự tác đô ̣ng của bức xạ tơi con người đô ̣ng vật và môi trường xung quanh. Liêu bức xạ là đại lượng đánh giá mức đô ̣ chiếu xạ vào các đối tượng. Mặc dù, mô hình định lượng dự đoán đô ̣ rủi ro do bức xạ ion hóa gây ra cònn nhiêu gây tranh cãi, nhưng các mô hình đêu chấ, nhận rô ̣ng rãi là xác suất gây ung thư trong cả cuô ̣c đời, đặc biệt là ung thư bạch cyu, tăng theo liêu nhận được. Khi liêu hiệu dung tăng lên 1 Sv thì ty lệ mắc ung thư tăng lên 5,5% [16, 46.. Điêu này có nghĩa ,hông ,hóng xạ tự nhiên cao sẽ gây nguy hiểm đối vơi sức khỏye cô ̣ng đồng. Các hạt nhân ,hóng xạ tự nhiên bao gồm 40 K, 238 U, 232 Th có trong lơ, vỏy Trái Đất kể từ khi Trái Đất hình thành. Chpng được goi là các hạt nhân ,hóng xạ nguyên thủy. Các hạt nhân ,hóng xạ nguyên thủy có trong đất bê mặt đóng gó, chủ yếu liêu chiếu do bức xạ gamma tự nhiên gây ra trên mặt đất [94.. Hạt nhân ,hóng xạ tự nhiên 40 K, 226 Ra, 238 U và 232 Th trong đất bê mặt gây ra liêu bức xạ gamma trên mặt đất và đóng gó, khoảng 80% liêu hiệu dung hàng năm cho con người [19, 37, 48, 57, 95.. Các hạt nhân ,hóng xạ trong đất có thể được di chuyển vào cây cối và tích lũy trong cn thể con người thông qua việc ăn lưnng thực và rau quả [18, 30, 43, 52, 53, 54, 90.. Do đó, ,hé, đo các hạt nhân ,hóng xạ tự nhiên trong đất đá và đánh giá các nguy cn bức xạ đã được quan tâm đặc biệt trong vật lý sức khỏye, đặc biệt là khu vực có đô ̣ ,hóng xạ cao [20, 22, 31, 36, 39, 62, 76, 81, 86, 96.. Trong 2 thậ, ky gyn đây đã có nhiêu công trình công bố kết quả đánh giá tính chất ,hóng xạ và hệ số nguy hiểm bức xạ do đất ở trong mô ̣t vùng hoặc mô ̣t địa ,hưnng gây ra [23, 34, 58, 79, 86, 95.. Tổng hợ, các số liệu thu được từ nhiêu công trình của các tác giả khác nhau có thể thu được bức tranh vê ,hông ,hóng xạ nói chung và tính chất ,hóng xạ của đất nói riêng của mô ̣t quốc gia và của quốc tế [94.. - Đa số các công trình, mâu đất được lấy từ lơ, đất bê mặt đến đô ̣ sâu 1 30 cm. Tuy nhiên để không bị ảnh hưởng của cỏy, rác và vật liệu xây dựng có nhiêu công trình lấy mâu từ đô ̣ sâu 5 cm đến 25 cm hoặc đến 30 cm [82, 89.. Các mâu đất sau khi xử lý, được nhốt trong vònng 30 ngày. Hoạt đô ̣ riêng của các đồng vị 238 226 U( Ra) và 40 K, 232 Th được đo bằng ,hưnng ,há, ,hổ gamma, hoặc bằng ,hổ kế gamma vơi detector bán dân [9, 10, 11, 12, 24, 69, 74. hoặc ,hổ kế gamma vơi detector nhấ, nháy [10, 13, 41, 50, 67, 83.. Từ hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của các đồng vị 40 K, 238 226 U( Ra) và 232 Th trong đất, các chỉ số nguy hiểm do đất đá gây ra cho dân chpng đã được xác định. Tại nươc Cô ̣ng hòna Dân chủ Nhân dân Lào (CHDCND Lào), số liệu vê tính ,hóng xạ của đất cònn rất ít. Năm 2018 nhóm tác giả Sonexay và Lê Hồng Khiêm [84. mơi chỉ đưa ra số liệu vê hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 10 mâu đất tại khu vực huyện Thoulakhom, tỉnh Viêng Chăn của Lào được lấy để làm gạch. Vì vậy việc nghiên cứu đánh giá ,hông ,hóng xạ tự nhiên tại CHDCND Lào là cyn thiết. Trong khuôn khổ của Luận án tiến sĩ của mình, Nghiên cứu sinh đã chon đất đá bê mặt trong khu vực miên trung Lào là đối tượng nghiên cứu. Trong 3 tỉnh thuô ̣c khu vực miên trung nươc Lào, tỉnh Bolikhamxay là tỉnh miên npi. Trong 6 huyện chỉ có 1 huyện thuô ̣c đồng bằng. Trong đó có 1 mỏy vàng ở huyện Khamkeut đã được khai thác. Tỉnh Khammue có 9 huyện, trong đó 3 huyện miên npi và 6 huyện đồng bằng. Tỉnh Savannakhet có diện tích lơn nhất, trong 15 huyện có tơi 13 huyện đồng bằng. Chỉ có huyện Se,hone và Vilabuly là 2 huyện miên npi, trong đó huyện Se,one có chứa mỏy vàng đã được khai thác. Khu vực miên trung nươc CHDCND Lào là khu vực đông dân nhất trong cả nươc, có cả đồng bằng và miên npi, chứa 2 mỏy vàng đêu đã được khai thác, là khu vực có nên địa chất ,hong ,hp. Chính vì vậy Nghiên cứu sinh đã chon đê tài “Nghiên cứu ứng dụng phhương phháph phh̉ gamma ṭ nhiên đáánh giá tnnh phh́ng xạ đáất đáá trên bề mă ̣t tại miền trung nức Lào” làm đê tài Luận án của mình. 2. Ṃc tiêu nghiên cứu của Lunn án - Tìm hiểu và ,hát triển ,hưnng ,há, ,hổ gamma xác định tính chất ,hóng xạ trong mâu đất trên cả hệ ,hổ kế gamma bán dân HPGe có đô ̣ ,hân giải cao và ,hổ kế gamma nhấ, nháy NaI(Tl). 2 - Đưa ra bô ̣ số liệu ban đyu vê hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 40 K, 226 Ra và 232 Th trong mâu đất tại 3 tỉnh miên trung Lào, từ đó đánh giá hệ số nguy hiểm do bức xạ từ đất gây ra cho dân cư sống trong khu vực: Hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng, suất liêu hấ, thu trong không khí, liêu hiệu dung chiếu ngoài hàng năm, chỉ số nguy hiểm chiếu ngoài và chỉ số nguy hiểm chiếu trong. 3. Các nội duung nghiên cứu chnnh của Lunn án - Tổng quan vê tính chất ,hóng xạ của đất đá và tình hình nghiên cứu xác định tính ,hóng xạ trong đất, đánh giá các chỉ số nguy hiểm do bức xạ từ đất gây ra: Hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng, suất liêu hấ, thu trong không khí, liêu hiệu dung chiếu ngoài hàng năm, chỉ số nguy hiểm chiếu ngoài, chỉ số nguy hiểm chiếu trong. - Nghiên cứu xây dựng ,hưnng ,há, xác định hoạt đô ,hóng xạ riêng của 40 K, 226 Ra và 232 Th trong đất bằng hệ ,hổ kế gamma nhấ, nháy NaI(Tl). - Kết hợ, ,hưnng ,há, đường cong chuẩn nô ̣i hiệu suất ghi và hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh gamma 1460,82 keV để nâng cao đô ̣ chính kết quả xác định hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 40 K, 226 Ra và 232 Th trong mâu đất đá và đánh giá trạng thái cân bằng của mâu đất và mâu địa chất. - Xác định hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 40 K, 226 Ra và 232 Th trong mâu đất được lấy từ 3 tỉnh miên trung Lào. Tiến hành đánh giá các chỉ số nguy hiểm do các đồng vị tự nhiên trong đất đá gây ra cho dân chpng. 4. Ý nghĩa tḥc tiễn của Lunn án Kết quả nghiên cứu chính của Luận án là bô ̣ số liệu thực nghiệm vê hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của các đồng vị ,hóng xạ 40 K, 226 Ra và 232 Th trong mâu đất được lấy tại tỉnh miên trung nươc Lào. Đây là bô ̣ số liệu ban đyu vê hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng được sử dung để đánh giá tính chất ,hóng xạ đất và theo dõi ô nhiễm ,hóng xạ đối vơi đất đá trong khu vực sau này. 5. Tnnh ḿi của Lunn án Luận án đã ,hát triển ,hưnng ,há, xác định hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng của 226 Ra và 40 K, 232 Th trên hệ ,hổ kế gamma nhá, nháy NaI(Tl). Sử dung ky thuật chuẩn nô ̣i hiệu suất ghi để khắc ,huc sự sai khác thành ,hyn chất nên giữa mâu chuẩn và mâu ,hân tích nhằm nâng cao kết quả ,hân tích. 3 Luận án cung cấ, bô ̣ số liệu mơi ban đyu, vơi đô ̣ chính xác cao vê tính ,hóng xạ của đất bê mặt tại 3 tỉnh miên trung nươc CHDCND Lào. Các số liệu vê ,hóng xạ tự nhiên trong mâu đất, các bản đồ ,hóng xạ: Hoạt đô ̣ ,hóng xạ riêng 40 K, 226 Ra, 323 Th, hoạt đô ̣ Radi tưnng đưnng, suất liêu hấ, thu trong không khí, liêu hiệu dung hàng năm, hệ số nguy hiểm chiếu ngoài và hệ số nguy hiểm chiếu trong do đất đá ở 3 tỉnh miên trung Lào gây ra đêu là số liệu mơi. Ngoài các ,hyn mở đyu, kết luận, tài liệu tham khảo và ,hu luc Luận án được chia thành 4 chưnng như sau: Chưnng 1: Trình bày tổng quan vê hiện tượng ,hóng xạ và tính chất ,hóng xạ của vỏy Trái Đất. Chưnng 2: Đối tượng nghiên cứu, ,hưnng ,há, và thiết bị thực nghiệm. Chưnng 3: Phát triển ,hưnng ,há, ,hổ gamma nâng cao đô ̣ chính xác để xác định hoạt đô ̣ ,hóng xạ của 40 K, 226 Ra và 232 Th trong mâu đất. Chưnng 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ VÀ TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA VỎ TRÁI ĐẤT 1.1. Ph́ng xạ ṭ nhiên và tnnh chất phh́ng xạ của đáất đáá 1.1.1. Phông phóng xạ tự nhiên Liêu chiếu mà con người nhận được có nguồn gốc từ các đồng vị ,hóng xạ có trong đất đá, ,hóng xạ từ tia vũ tru, từ y tế, từ thực ,hẩm và từ các nhân ,hóng xạ có trong cn thể con người. Các nguồn bức xạ này rất đa dạng tùy thuô ̣c vào vị trí và môi trường xung quanh. Trong [51. đưa ra các nguồn bức xạ và đóng gó, trung bình vào liêu hiệu dung hàng năm mà con người nhận được (Hình 1.1). Liêu tưnng đưnng hàng năm mà con người nhận được: Cỡú 14% có nguồn gốc từ y tế, 1% có nguồn gốc từ công nghiệ, hạt nhân, cònn lại 85% có nguồn gốc từ các nguồn ,hóng xạ tự nhiên. Đóng gó, của các thành ,hyn bức xạ vào liêu chiếu xạ hàng năm gây ra cho con người ,hu thuô ̣c vào vị trí địa lý, vào hàm lượng các nguyên tố ,hóng xạ có trong đất đá. Các bức xạ tự nhiên có nguồn gốc từ tia vũ tru và từ các nguyên tố ,hóng xạ nguyên thủy có trong vỏy Trái Đất [51, 65.. Hình 1.1. Các nguồn gây ra liều trung bình hàng năm cho con người [92]. 5 1.1.2. Hạt nhân phóng xạ tự nhiên trên bề mặt Trái Đất Trái Đất và các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời được hình thành cách đây khoảng 4,5 ty năm, chứa nhiêu nguyên tố sắt, carbon, oxy, silic, các nguyên tố trung bình và nguyên tố nặng. Các nguyên tố này được hình thành từ hidro và heli do kết quả của các vu nổ Big Bang cách đây 13,6 ty năm [51.. Trong khoảng 10 ty năm từ các vu nổ Big Bang cho đến khi hình thành hệ Mặt Trời, hidro và heli được “đốt nóng” thành các nguyên tố nặng hnn. Các nguyên tố được hình thành do quá trình ,hản ứng và ,hân rã ,hóng xạ cho đến khi tạo thành hạt nhân bên. Có 4 đồng vị ,hóng xạ có chu kỳ bán rã lơn đó là 238 237 U, N,, 235 232 U và Th. Các hạt nhân này 206 trải qua các ,hân rã al,ha và beta liên tiế, để trở thành 3 đồng vị chì bên là 207 Pb, 208 Pb, và đồng vị Pb, 209 Bi. Trong Bảng 1.1 đưa ra 4 dãy ,hóng tự nhiên được hình thành từ các vu nổ Big Bang và quá trình đốt cháy hidro và heli trươc khi hình 6 thành hệ Mặt Trời. Trong đó dãy ,hóng xạ Ne,tun có chu kỳ bán rã 2,41.10 năm, 237 quá nhỏy so vơi thời gian hình thành hệ Mặt Trời. Vì vậy, dãy ,hóng xạ N, ,hân rã hết trươc khi Trái Đất được hình thành. Ngày nay chỉ cònn 3 dãy ,hóng xạ 238 U và 232 Th, 235 U trong vỏy Trái Đất. Ngoài các đồng vị ,hóng xạ trong 3 dãy trên, trong vỏy Trái Đất cònn có các đồng vị ,hóng xạ 87 Rb và 40 K. Bảng 1.1. Một số đặc trưng của 4 dãy phóng xạ tự nhiên [101]. Hạt nhân cuii cùng Tên duãy Dãy Thori 4n Ne,tun 4n+1 Uran 4n +2 Actini 4n+3 (đáồng vị bềnn Hạt nhân mẹ (đáồng vị sing lâu 1,4.10 N, 2,41.10 228 U 4,47.10 235 U 7,04.10 232 Bi 237 Pb Pb 206 207 10 Th Pb Năm đồng vị ,hóng xạ có chu kỳ bán rã lơn đó là: 232 rã (nămn nhấtn 208 209 Chu kỳ bán 6 9 8 40 K, 238 U, 87 Rb, 235 U và Th [51., được hình thành trươc khi Trái Đất hình thành, cònn tồn tại đến ngày nay, được goi là các đồng vị ,hóng xạ nguyên thủy. Ngoài các đồng vị ,hóng xạ nguyên 6 thủy trong vỏy Trái Đất cònn có các đồng vị do bức xạ vũ tru tưnng tác vơi khí quyển tạo thành được chia thành 4 loại sau [51.: Nhóm 1: Các nguyên tố sinh ra trong ở giai đoạn đyu hình thành Trái Đất, 238 các nguyên tố có chu kỳ bán rã lơn, đó là 3 dãy ,hóng xạ U, 232 Th và 235 U. Cả 3 đồng vị này đêu ,hân rã al,ha và ,hát ra bức xạ gamma. Nhóm 2: Các đồng vị con cháu nhóm 1. Mô ̣t số đồng vị con cháu của Radi và Radon do quá trình ,hong hóa thoát khí ra ngoài, bay vào không khí và có thể lắng đong xuống mặt đất, đi vào nươc. Các đồng vị ,hóng xạ trong 3 dãy ,hóng xạ tự nhiên trên có những đồng vị sau khi ,hân rã al,ha hoặc beta, hạt nhân con được tạo thành ở trạng thái kích thích. Khi trở vê trạng thái cn bản sẽ ,hát ra bức xạ gamma có năng lượng lơn và hệ số ,hân nhánh cao. Chính các bức xạ gamma này chiếu vào sinh vật và con người gây ra liêu chiếu ngoài. Radon và đồng vị ,hóng xạ của nó có trong không khí, theo con đường hô hấ, sẽ đi vào cn thể con người, gây ra liêu chiếu trong. Do quãng chạy của các bức xạ al,ha và beta rất nhỏy, do đó khi toàn bô ̣ năng lượng bức xạ al,ha hoặc beta do các đồng vị ,hóng xạ Radon và sản ,hẩm con cháu của nó đêu bị hấ, thu hết trong cn thể. Nhóm 3: Các đồng vị ,hóng xạ đnn (không tạo thành dãy ,hóng xạ ) được xuất hiện ở giai đoạn đyu hình thành Trái Đất, có chu kỳ bán rã lơn như 87 147 40 K, 147 Sb 87 và Rb. Hai đồng vị Sb và Rb có hàm lượng rất nhỏy, đêu ,hân rã beta mêm thuyn tpy, nên nó đóng gó, vào liêu chiếu xạ tự nhiên không đáng kể. Kali tự nhiên gồm 3 đồng vị xạ, đô ̣ giàu đồng vị của 39 K, 40 K, và K, trong đó 40 K là đồng vị ,hóng 40 K trong Kali tự nhiên cỡú 0,0117%. Chu kỳ bán rã của 9 cỡú 1,26 ×10 năm. Cỡú 89,23 % hạt nhân 40 41 40 40 40 K - K ,hân rã β vê trạng thái cn bản của 40 Ca và cỡú 10,67 % hạt nhân K chiếm electron quy đạo trở vê Ar ở trạng thái kích thích, năng lượng 1460,82 keV. Từ trạng thái kích thích trên ,hát ra bức xạ gamma có năng lượng 1460,82 keV để trở vê trạng thái cn bản [51.. Nhóm 4: Các đồng vị ,hóng xạ được hình thành do bức xạ vũ tru tưnng tác vơi hạt nhân nguyên tử có trong khí quyển. Ngoài các đồng vị ,hóng xạ nguyên thủy, trong môi trường cònn có các đồng vị ,hóng xạ có nguồn gốc từ tia vũ tru. Đó 7 3 7 10 là các đồng vị H, Be, Be, 26 Al, 14 C, 36 Cl, 38 S [51.. Trong đó, xạ có chu kỳ bán rã lơn, luôn có mặt trên Trái Đất. 14 C là đồng vị ,hóng 14 C là đồng vị ,hân rã beta thuyn tpy, có chu kỳ bán rã 5730 năm, năng lượng cực đại 185 keV và năng lượng trung bình 49,47 keV. Hàm lượng 14 C trong cn thể con người được coi là không đổi, khi ,hân rã toàn bô ̣ năng lượng ,hân rã của 14 C đêu bị hấ, thu trong cn thể. 1.1.3. Tia vũ trụ Trái Đất bị bắn ,há liên tuc bởi bức xạ bắt nguồn từ Mặt Trời, và từ các nguồn bên trong và bên ngoài thiên hà. Các tia vũ tru bao gồm các hạt nhân nguyên tử năng lượng cao, trong đó: khoảng 87% trong số đó là ,roton, 11% là các hạt al,ha, xấ, xỉ 1% là những nguyên tử nặng hnn, và 1% cònn lại là các electron [51.. Những "tia" này có năng lượng rất cao, mô ̣t số tia có năng lượng đến 10 14 MeV, tuy nhiên ,hổ biến nằm trong khoảng 10 MeV đến 100 GeV. Các tia vũ tru là những bức xạ ngoài Trái Đất. Chpng bao gồm các hạt "thiên hà" bắt nguồn từ bên ngoài hệ Mặt Trời và các hạt "hidro và electron" ,hát ra từ Mặt Trời. Khi chpng đi vào byu khí quyển, tưnng tác vơi các hạt nhân trong khí quyển tạo ra nhiêu hạt thứ cấ,, rất quan trong trong việc tạo ra các hạt nhân ,hóng xạ sinh hoc [51.. Khi đi tơi bê mặt Trái đất, bức xạ vũ tru ,hải đi qua lơ, không khí đủ dày. 2 Tại mặt nươc biển bê dày khối của lơ, khí quyển lên tơi 1033 g/cm . Càng đến gyn mặt đất liêu do bức xạ vũ tru gây ra càng giảm. Điêu này có nghĩa liêu do bức xạ vũ tru gây ra tăng theo chiêu cao tính từ mặt nươc biển. 1.1.4. Các dạng phân rã phóng xạ tự nhiên trong đất đá Phân rã alpha Hạt nhân ZA X không bên đối vơi ,hân rã al,ha, tự biến đổi thành hạt nhân có số khối giảm đi 4 đnn vị, điện tích giảm đi 2 đnn vị bằng cách ,hát bức xạ al,ha. Phổ al,ha do các hạt nhân ,hóng xạ al,ha tự nhiên ,hát ra là ,hổ gián đoạn. Phưnng trình ,hân rã ,hóng xạ al,ha có dạng: z A X  zA24Y   (1.1) trong đó hạt nhân zA X goi là hạt nhân mẹ, zA24 Y là hạt nhân con và α là hạt al,ha. 8