Tài liệu 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 LỜI CẢM ƠN B 0 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 MỤC LỤC B 1 LỜI CẢM ƠN............................................................................................................ 3 T 3 T 3 MỤC LỤC ................................................................................................................. 4 T 3 T 3 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 6 T 3 T 3 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN .............................. 8 T 3 T 3 1.1 Vài nét về hiện tượng phóng xạ .................................................................................8 T 3 T 3 1.1.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên ...............................................................................9 T 3 T 3 1.1.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo ............................................................................ 15 T 3 T 3 1.2 Tình hình nghiên cứu phông phóng xạ tự nhiên .................................................... 17 T 3 T 3 1.2.1 Thế giới ............................................................................................................. 18 T 3 T 3 1.2.2 Việt Nam ........................................................................................................... 19 T 3 T 3 1.2.3. Những ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên đối với con người và môi trường ......................................................................................................................... 20 T 3 T 3 1.2.4 Độ trung bình phóng xạ có trong người .............................................................. 22 T 3 T 3 1.3 Tương tác của tia gamma với vật chất. Hệ phổ kế gamma phông thấp ................ 23 T 3 T 3 1.3.1 Các tương tác của bức xạ gamma với vật chất .................................................... 23 T 3 T 3 1.3.2 Detector bán dẫn Germanium ............................................................................. 31 T 3 T 3 1.4 Nhận xét ................................................................................................................... 49 T 3 T 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM ................................................................. 50 T 3 T 3 2.1 Các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường ............................ 50 T 3 T 3 2.1.1 Phương pháp tương đối ...................................................................................... 52 T 3 T 3 2.1.2 Phương pháp tuyệt đối ....................................................................................... 53 T 3 T 3 2.2 Phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất ghi của detector đối với mẫu dạng hình trụ .......................................................................................................................... 54 T 3 T 3 2.3 Thực nghiệm ............................................................................................................ 55 T 3 T 3 2.3.1 Chuẩn bị mẫu chuẩn ........................................................................................... 55 T 3 T 3 2.3.2 Chuẩn bị mẫu đo ................................................................................................ 56 T 3 T 3 2.4 Phương pháp đo ....................................................................................................... 57 T 3 T 3 2.4.1 Cách đo .............................................................................................................. 57 T 3 T 3 2.4.2 Hệ phổ kế gamma .............................................................................................. 57 T 3 T 3 2.5 Xử lí phổ ................................................................................................................... 58 T 3 T 3 2.6 Nhận xét ................................................................................................................... 62 T 3 T 3 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 63 T 3 T 3 3.1 Hiệu suất ghi nhận của detector đối với mẫu khối dạng hình trụ ......................... 63 T 3 T 3 3.2 Hoạt độ và hoạt độ riêng của mẫu Moss-soil .......................................................... 66 T 3 T 3 3.3 Nhận xét ................................................................................................................... 68 T 3 T 3 KẾT LUẬN.............................................................................................................. 70 T 3 T 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 72 T 3 T 3 MỞ ĐẦU B 2 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 nguyên…Song 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. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN B 3 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. 1.1 Vài nét về hiện tượng phóng xạ B 8 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 (β-) và các positron(β+). P P P 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. 1.1.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên B 1 2 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]. 1.1.1.1 Nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy B 5 3 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 232 P Th (4n); họ Uranium P 238 P U (4n+2); Họ Actinium P 235 P U P (4n+3) và họ phóng xạ nhân tạo Neptunium 241Pu (4n+1). P P 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 220 P Rn 86 (Thoron); trong họ Actinium là P R R 219 P 222 P Ra(Radon); trong họ Thorium là P Rn 86 (Actinon). Trong họ phóng xạ nhân tạo P R R Neptunium không có thành viên khí phóng xạ. + Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ tự nhiên đều là chì: 206 Pb trong họ Uranium, P 207 P P Pb trong họ Actinium và 208 P P P Pb trong họ Thorium. Trong họ phóng xạ nhân tạo Neptunium, thành viên cuối cùng là 209 Bi [7]. P Họ Thorium (4n) P Họ Uranium (4n +2) Họ Actinium (4n + 3) Họ Neptunium (4n +1) 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 40K là có tính phóng P P xạ với độ phổ cập 0,0117% và thời gian bán rã T 1/2 = 1,28.109 năm, phát ra tia gamma có R R P P 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 40K là tất yếu nhưng có sự biến thiên về độ tuổi trong vạch phổ với những P P thay đổi tương ứng trong nồng độ Kali. Sự có mặt của 40K trong đá và đất tạo ra nguồn phát P P xạ ngoài.40K có hàm lượng trung bình trong đất đá là 27 g/kg và trong đại dương ~ 380 P P mg/lít. 40K phân rã thành đồng vị ổn định 40Ca (88,8%) bằng bức xạ beta, cũng như phân rã P P thành đồng vị P 40 P P Ar (11,2%) bằng cách bắt điện tử hoặc bằng bức xạ positron kết hợp với P việc phát ra bức xạ gamma 1,461 MeV [2]. Hình 1.2.40K phân rã β+ và bắt electron tạo 40Ar và phân rã β- tạo 40Ca [8] P P P P P P Một đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là P 14 P P P P C với chu kỳ bán rã 5600 năm. P C là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân 14N. Trước khi xuất 14 P P P hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của 14 P P C trong khí quyển khoảng 1,5.1011 MBq P P P (4MCi), trong thực vật khoảng 4,8.1011 MBq (13MCi), trong đại dương khoảng 9.1012 MBq P P P P (240 MCi). Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng 14C. Cho đến năm P P 1960, tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.1011 MBq P P (3MCi). Cacbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí CO 2 đi vào cơ thể động vật R R 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 14C của chúng [7]. P P 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 235 P U P Chu kỳ bán rã Hàm lượng / Hoạt độ tự nhiên 7,04.108 năm 0,72% của tổng số Uran tự nhiên P P 99,2745% của tổng số Uran tự 238 P U P 4,47.109 năm P P nhiên, 0,5 – 4,7 ppm Uran trong đất đá. (ppm = g/kg) 232 P Th P 226 P Ra P 1,41.1010 năm P P 1,6.103 năm P P 1,6 – 20 ppm trong tất cả các loại đá 16 Bq/kg trong các loại đá vôi, 48 Bq/kg trong đá nham thạch. Nồng độ trung bình hàng năm tại 222 Rn P Mỹ từ 0,6 – 28 Bq/cm3 trong 3,82 ngày P P P không khí 1,2504.1010 năm 40 K P P P 37 – 1000 Bq/kg trong đất P Trong cơ thể con người có gần 3.10-3 g Kali phóng xạ và 6.10-9 g Radi. Do sự hiện P P P P 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 14C, mà trong cơ thể con người mỗi giây xảy ra thêm 2500 phân hủy beta/giây. Nhìn P P 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. 1.1.1.2 Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ B 6 3 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 14C, 3T, 7Be,….với tốc độ không đổi. Các hạt nhân phóng xạ này theo nước mưa đến P P P P P P 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 3T, 14C, và 7Be. P P P P P P  Tritium (3T) P P 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 14N. P n + 14N 12C + 3T P P P P P P (1.1) P Phản ứng này tạo ra khoảng 2500 nguyên tử Tritium trong mỗi giây, trên mỗi mét vuông bề mặt Trái đất. Tritium phóng xạ β-, có chu kì bán rã là 12,33 năm và phần lớn thời P P gian tồn tại của nó ở trong nước, tham gia vào chu trình Hidro toàn cầu.  Cacbon – 14 (14C) P P C là hạt nhân phóng xạ β- mềm (E max = 158 keV) có chu kì bán rã 5715 năm. 14 P P P P R R 14 P C P 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 14N. P n + 14N 14C + 1H P P P P P P (1.2) P Phản ứng này tạo ra khoảng 22000 nguyên tử 14 P C trong mỗi giây trên mỗi mét vuông bề P mặt của Trái đất. Nếu kể đến sự đóng góp từ các vụ thử hạt nhân, các nhà máy điện hạt nhân, và sự đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thì hoạt độ riêng trung bình toàn cầu hiện tại của C là 13,56 ± 0,07 dpm/gC. 14C được dùng trong các phương pháp để xác định niên đại. 14 P P P P  Beryllium-7 (7Be) P P Beryllium-7 được tạo ra khi bức xạ vũ trụ tương tác với các hạt nhân nitơ và ôxi khí quyển. Nó có chu kì bán rã là 53,28 ngày.Bảng 1.2 đưa ra hoạt độ trung bình của các hạt nhân có nguồn gốc từ bức xạ vũ trụ. Ta có thể nhận thấy rằng hoạt độ của các nhân phóng xạ này tương đối nhỏ và nhìn chung là gần như ít ảnh hưởng đến phông nền phóng xạ môi trường. Bảng 1.2.Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ [7] Đồng vị phóng xạ 14 C P P Chu kỳ bán rã 5730 năm Nguồn gốc Hoạt độ tự nhiên Các tương tác vũ 220 Bq/kg trong trụ14N(n,p)14C vật liệu hữu cơ P P P P Các tương tác vũ 3 P H P 12,3 năm trụ N và O 6Li(n, P P 1,2.10-3 Bq/kg P P α)3H P 7 P Be P 53,28 ngày P Các tương tác vũ trụ với N và O 0,01 Bq/kg  Bức xạ vũ trụ Cùng với các nhân phóng xạ tạo nên khi tia vũ trụ tương tác với lớp khí quyển, bản thân các tia vũ trụ cũng góp phần vào tổng liều hấp thụ của con người. Bức xạ vũ trụ được chia làm hai loại là bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp [7]. Bức xạ vũ trụ sơ cấp được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kì cao (lên đến 108 P eV), đa phần là proton cùng với một số hạt khác nặng hơn. Phần lớn các tia vũ trụ sơ cấp P đến từ bên ngoài hệ Mặt trời của chúng ta và chúng cũng được tìm thấy trong không gian vũ trụ. Một số ít bắt nguồn từ Mặt trời do quá trình của Mặt trời [7]. Một số nhỏ bức xạ vũ trụ sơ cấp xuyên xuống bề mặt Trái đất còn phần lớn chúng tương tác với khí quyển. Khi tương tác với khí quyển, chúng sinh ra các bức xạ vũ trụ thứ cấp hoặc ánh sáng mà ta có thể thấy trên mặt đất. Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ có năng lượng thấp hơn, bao gồm việc hình thành các photon ánh sáng, các electron, các neutron và các hạt muyon rơi xuống mặt đất. Lớp khí quyển và từ trường Trái đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che chắn các tia vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt của Trái đất. Như vậy, liều bức xạ con người nhận được sẽ phụ thuộc vào độ cao người ấy đang ở. Từ bức xạ vũ trụ, hàng năm con người có thể nhận một liều cỡ 0,27 mSv và sẽ tăng gấp đôi nếu độ cao tăng 2000m. Lượng bức xạ vũ trụ trên mặt biển chỉ giảm 10% từ vùng cực tới xích đạo nhưng tại độ cao khoảng 20000m thì mức giảm này là 75%. Rõ ràng là có sự ảnh hưởng của địa từ trường của Trái đất và từ trường của Mặt trời lên các bức xạ vũ trụ sơ cấp [7]. 1.1.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo B 2 Trong quá trình sử dụng phóng xạ trong hơn 100 năm trở lại đây, loài người đã đưa vào tự nhiên những hạt nhân phóng xạ mới, đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên [7]. Các nguồn phát phóng xạ nhân tạo có thể kể đến như là các nhà máy điện hạt nhân, các vụ thử vũ khí hạt nhân, các khu chứa chất thải phóng xạ, chất thải rắn,…[2].Những hạt nhân phóng xạ này ngày càng tăng trong những lần thử vũ khí hạt nhân và trong những sự cố hạt nhân. Tuy nhiên, chúng có chu kì bán rã ngắn hơn nhiều so với các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy nên hoạt độ của chúng đã giảm đáng kể từ khi ngừng thử vũ khí hạt nhân trên Trái đất [7]. Nếu kể đến đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên thì các hạt nhân phóng xạ nhân tạo đóng góp ít hơn cả, kế đến là các hạt nhân phóng xạ tự nhiên [8].Năm 1934, Irene và Frederic Joliot Curie tạo ra và cô lập được nguyên tố phóng xạ đầu tiên, đó là P30 có được P bằng cách bắn tia α vào một lá nhôm [8]. α + 13 Al27  15 P31  15 P30 + 0 n1 R 30 30 15 P  14 Si R R P P R R P P +e+ P P (1.4) R P P R R P P R R P P R R P (1.3) P P 1.1.2.1 Vũ khí hạt nhân B 7 3 Rơi lắng từ các vụ thử vũ khí hạt nhân là nguồn phóng xạ nhân tạo lớn nhất trong môi trường. Dấu hiệu của bom hạt nhân là các sản phẩm phân hạch của 235 P U và 239Pu. Dấu hiệu P P P của phản ứng nhiệt hạch là Triti đi kèm các phản ứng phân hạch thứ cấp khi neutron nhanh tương tác với 238 P U ở lớp vỏ bọc ngoài.Các đồng vị phóng xạ khác cũng được tạo ra do kết P quả của việc bắt neutron với các vật liệu làm bom và không khí xung quanh. Một trong những sản phẩm quan trọng nhất là 14C được tạo ra do phản ứng sau 14N (n,p) 14C làm cho P P P P P P hàm lượng 14C trong khí quyển tăng gấp đôi vào giữa những năm 1960 [7]. P P Từ khí quyển, các đồng vị phóng xạ sẽ lắng đọng trên địa cầu dưới dạng rơi lắng tại chỗ (12%), nằm trên tầng đối lưu (10%) và tầng bình lưu (78%). Rơi lắng ở tầng bình lưu là rơi lắng toàn cầu và sẽ gây nhiễm bẩn toàn cầu với hoạt độ thấp. Trong khi hầu hết các đồng vị phóng xạ nằm trên bề mặt Trái đất thì 3H và P P 14 P C đi vào các chu trình khí quyển, thủy P quyển và sinh quyển toàn cầu. Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào khí quyển qua các thử vũ khí hạt nhân là 3,017 Sv/ người với 70% là C14, các đồng vị khác như Cs137, Sr90, Zr95 và Ru106 chiếm phần còn lại P P P P P P P P P P [7]. 1.1.2.2 Điện hạt nhân B 8 3 Chương trình hạt nhân bắt đầu từ lò phản ứng Calder Hall ở Tây bắc nước Anh năm 1956. Số các lò phản ứng hạt nhân tăng nhanh, cho đến cuối năm 2002, theo thống kê của IAEA, điện hạt nhân đã chiếm 16% sản lượng điện toàn thế giới và đang có chiều hướng gia tăng. Các đồng vị phóng xạ thải vào môi trường đều từ các chu trình nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ, nghiền Uran, sản xuất và tái chế các thanh nhiên liệu. Việc thải các chất phóng xạ từ các nhà máy điện có thể lên đến cỡ TBq/năm hoặc nhỏ hơn [7]. 1.1.2.3 Tai nạn hạt nhân B 9 3 Khoảng 150 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân đã xảy ra, lớn nhất là tai nạn Chernobyl xảy ra ở Ucraina 1986 gây nên sự nhiễm bẩn phóng xạ bởi các chất thải rắn và lỏng – là hỗn hợp các hợp chất hóa học và các đồng vị phóng xạ. Ngoài ra, một số nhân phóng xạ nhân tạo còn được tạo thành từ các khu chứa chất thải phóng xạ, các chất thải rắn hay đồng vị phóng xạ nhân tạo [8]. Bảng 1.3.Liệt kê một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến nhất trong tự nhiên và nguồn gốc tạo ra chúng Hạt nhân Chu kì bán rã Nguồn tạo ra 3 12,3y Được tạo ra từ các vụ thử nghiệm và chế tạo P H P vũ khí hạt nhân và từ các lò phản ứng phân hạch. 121 I P P Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí 8,04d hạt nhân, lò phản ứng phân hạch và từ việc điều trị bệnh tuyến giáp. 129 I P P 1,57.107y P P Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí hạt nhân, lò phản ứng phân hạch. 90 P Sr P Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí 28,78y hạt nhân, lò phản ứng phân hạch. 99 P Tc P 2,11.105y P P Sản phẩm của 99Mo được sử dụng trong P P chuẩn đoán bệnh. 239 P Pu P 2,41.104y P P Được tạo ra khi neutron bắn phá 238U. P P 1.2 Tình hình nghiên cứu phông phóng xạ tự nhiên B 9 Khảo sát phông phóng xạ tự nhiên là một trong những hướng nghiên cứu môi trường nói chung. Việc nghiên cứu này là một yêu cầu bắt buộc của các nước đã, đang và sẽ phát triển năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình. Cơ Quan Năng Lượng Nguyên Tử Quốc Tế - IAEA đã lập những dự án hỗ trợ kĩ thuật khi tiến hành việc khảo sát nền phông phóng xạ môi trường cho các nước thành viên, trong đó có Việt Nam. Các nghiên cứu đo đạc phóng xạ môi trường đầu tiên đã được tiến hành vào những năm đầu của thế kỉ 20. Năm 1900, Geitel H.., người Đức và R Wilson C.T., đã khảo sát phóng xạ trong không khí và xác định được Radon. Họ cũng đã phát hiện ra bức xạ vũ trụ và được xác nhận lại vào năm 1910, bằng việc đo phóng xạ trên tháp Eiffel và khinh khí cầu. Vào năm 1902, Wilson đã nhận ra các sản phẩm phân rã của Radon trong khí quyển bị rửa trôi theo nước mưa. Trong thập kỉ đầu thế kỉ 20, nhiều nhà nghiên cứu khác nhau đã xác định được các chất phóng xạ trong đất, đá, nước biển và nước ngọt từ mỏ nước khoáng và suối nước nóng. Sau năm 1945, việc đo rơi lắng phóng xạ toàn cầu, từ các vụ thử hạt nhân trong khí quyển đã được thực hiện bởi nhiều quốc gia. [10] Quá trình nhiễm bẩn toàn cầu của môi trường bắt đầu từ ngày 16 tháng 07 năm 1945 sau vụ nổ nguyên tử tại Alamosgordo sa mạc New Mexico. Các vụ thử hạt nhân trong khí quyển tăng mạnh sau chiến tranh thế giới thứ hai, cả về số lượng lẫn công suất bởi Mỹ và Liên Xô. Các chương trình cảnh báo môi trường được thiết lập trong nhiều quốc gia, để đảm bảo về an toàn phóng xạ cho dân chúng. Ví dụ, sau tai nạn Chernobyl tháng 4 năm 1986, các cuộc kiểm tra thực tế đã được tiến hành trên 15 năm qua dưới sự tài trợ của IAEA, viện nghiên cứu phóng xạ Thụy Điển và các tổ chức khác.[10] Việc khảo sát các nhân phóng xạ trong tự nhiên, bao hàm cả chuỗi thực phẩm nhằm: nhận biết các nguyên tố phóng xạ đóng góp chính vào liều chiếu tới con người, xác định cơ chế dịch chuyển để có thể đánh giá tình trạng hiện tại, quá khứ và tương lai, xác định tần suất các hoạt động cảnh báo ngắn và dài hạn. Nhiều quốc gia và các vùng lãnh thổ trên thế giới đã tiến hành khảo sát phông phóng xạ tự nhiên và đã thành lập bản đồ phông phóng xạ tự nhiên ở phạm vi quốc gia, trong đó có: Ấn Độ (1986), Liên Xô cũ(1987), Mỹ(1988), Nhật(2005).[10] Hầu hết các quốc gia trên thế giới đều có các chương trình kiểm soát phóng xạ tự nhiên và các trạm quan trắc phóng xạ nhân tạo, để kiểm soát hiện trạng phóng xạ theo thời gian.[10] 1.2.1 Thế giới B 3 2 Phông phóng xạ tự nhiên phụ thuộc vào hàm lượng chất phóng xạ chứa trong đất, nước của từng vùng. Do vậy, việc tồn tại các vùng có phông phóng xạ cao hoặc thấp khác nhau là lẽ đương nhiên [2]. Các nghiên cứu gần đây đã cho thấy, có khoảng 5% dân số trên thế giới sống ở các khu vực có phông phóng xạ tự nhiên cao. Mức phông phóng xạ cao chủ yếu do nồng độ các chất khoáng có các nguyên tố đất hiếm rất khó hòa tan có trong các bãi cát ven biển cùng với khoáng chất ilnemit, cát có màu đen đặc trưng. Các đồng vị phóng xạ chính có trong monazit là các đồng vị có trong dãy Thorium và đôi khi cũng có cả Uranium và con cháu của nó như 226Ra [2]. P P Ở Phần Lan, phông phóng xạ tự nhiên rất cao, gần 8 mSv/năm, kế đến là Pháp và Tây Ban Nha với gần 5 mSv/năm.Có những vùng dân chúng sống trong một môi trường tự nhiên bức xạ rất cao như ở: Ramsar (Iran), Kerala ( Ấn Độ), Guarpapi (Braxin) và Yangjang (Trung Quốc). Một số ngôi nhà ở Ramsar, người dân nhận liều bức xạ vào cỡ 132 mSv/ năm, cao hơn trung bình thế giới khoảng 50-70 lần.Tuy nhiên, môi trường phóng xạ trong lành nhất là hai nước Anh và Australia với phông phóng xạ (hay liều hiệu dụng trung bình) khoảng 1,6 mSv/năm [2]. Nguồn từ tổ chức nghiên cứu sức khỏe thuộc Kyoto – Nhật Bản Vùng Ramsar tại miền Bắc Iran có nền phông phóng xạ cao nhất trên thế giới. Ở Guarapari – Brazil, một thành phố có dân số 80000 dân cũng có độ phóng xạ cao vào cỡ 40 µSv/giờ (cao hơn mức trung bình trên thế giới khoảng 200 lần). Hình 1.3. Những vùng có phông phóng xạ cao trên thế giới (đơn vị sử dụng là mSv/năm).[10] 1.2.2 Việt Nam B 4 2 Ở nước ta, một số số liệu đo trên các vùng dân cư ở thành phố, thị xã, ven đường quốc lộ, đồng bằng và trung du đều chứng tỏ phông phóng xạ tự nhiên nằm trong khoảng 2- 2,5 mSv/năm.Nói chung không vượt quá phông trung bình của thế giới [2]. Còn ở những vùng mỏ phóng xạ và đất hiếm (Tây Bắc), mỏ Graphit (vùng Quảng Nam) hay vùng mỏ sa khoáng (dọc bờ biển Trung bộ)….., hàm lượng các nguyên tố phóng xạ trong đất đá cao hơn, và phông phóng xạ cũng cao hơn mức trung bình khoảng 1,5 – 2 lần. Có những khu vực, giữa thân các mỏ quặng, phông phóng xạ cao hơn nhiều lần, liều hiệu dụng nằm trong khoảng 10 -30 mSv/năm [2].Đặc biệt, tại huyện Thanh Sơn, Phú Thọ, Cục Kiểm soát và An toàn Bức xạ đã lấy nhiều mẫu đất và đo đạc vào tháng 9 vừa qua, đã khám phá rằng mức phóng xạ là 10,27 mSv/năm, gấp 10 lần mức phóng xạ trung bình mà một người dân bình thường tiếp nhận trong một năm. Hình 1.4. Phần trăm liều hiệu dụng trung bình hàng năm 1.2.3. Những ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên đối với con người và môi B 5 2 trường Mỗi người trung bình trong một năm nhận khoảng 1,1 mSv tia phóng xạ tự nhiên (nếu gộp cả 1,3 mSv nhận từ Radon trong không khí thì con số này trở thành 2,4 mSv). Trong đó khoảng 0,38 mSv từ không gian như các tia vũ trụ, khoảng 0,46 mSv từ đất, ngoài ra còn có khoảng 0,24 mSv được phát từ cơ thể con người thông qua thức ăn, nước uống hằng ngày [2]. Dù phải nhận một lượng tia phóng xạ tự nhiên như vậy nhưng sinh vật vẫn sống bình thường. Chính vì vậy mà chúng ta có thể hiểu là nếu ở mức độ này thì sẽ không có vấn đề gì. Hơn nữa, do cấu trúc địa chất ở mỗi nơi khác nhau, mức độ phóng xạ tự nhiên cũng khác nhau theo khu vực. Có những nơi ở Trung Quốc hay Ấn Độ giá trị này lên tới 10 mSv/ năm nhưng những cuộc điều tra từ trước tới nay cho thấy không hề có biểu hiện bất thường nào xuất hiện ở người và sinh vật.