ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ MINH NGHIÊN CỨU ĐO HOẠT ĐỘ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MỘT SỐ LOẠI LƯƠNG THỰC Ở VÙNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG NINH BẰNG HỆ THỐNG PHỔ KẾ GAMMA PHÂN GIẢI CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ MINH NGHIÊN CỨU ĐO HOẠT ĐỘ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MỘT SỐ LOẠI LƯƠNG THỰC Ở VÙNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG NINH BẰNG HỆ THỐNG PHỔ KẾ GAMMA PHÂN GIẢI CAO Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LƯU TAM BÁT Hà Nội – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập thời gian làm luận văn tốt nghiệp nhận nhiều quan tâm, động viên giúp đỡ Qua xin gửi lời cảm ơn tới Ts Lưu Tam Bát, người hướng dẫn tạo điều kiện cho hoàn thành luận văn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô Hội đồng chấm luận văn góp ý cho để luận văn hoàn thiện Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trang bị kiến thức bổ ích tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp xung quanh giúp đỡ, động viên suốt khóa học sống Học viên Nguyễn Thị Minh MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG LƯƠNG THỰC 1.1 Phóng xạ lương thực thực phẩm 1.2 Cơ sở vật lý 1.2.1 Phân rã gamma 1.2.2 Quy luật phân rã phóng xạ 1.2.3 Chuỗi phân rã phóng xạ 1.2.4 Sự cân phóng xạ chuỗi phân rã 10 1.2.5 Tương tác tia gamma với vật chất .12 1.2.5.1 Hiệu ứng quang điện 12 1.2.5.2 Tán xạ Compton .13 1.2.4.3 Hiệu ứng tạo cặp .16 1.2.6 Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma .17 1.2.6.1 Phương pháp phổ gamma 17 1.2.6.2 Các chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên 22 CHƯƠNG – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .28 2.1 Hệ phổ kế gamma bán dẫn SEGe – Canberra .28 2.1.1 Sơ đồ khối 28 2.1.2 Detector 29 2.1.3 Các thông số hệ phổ kế gamma SEGe 31 2.1.4 Phần mềm Genie 2000 .32 2.1.5 Quy trình vận hành .33 2.2 Chuẩn lượng 34 2.3 Khảo sát độ phân giải lượng vào lượng xạ gamma 35 2.4 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi 36 2.5 Lấy mẫu, xử lý mẫu chuẩn bị mẫu đo 38 2.6 Phương pháp tính hoạt độ 39 2.7 Phương pháp tính MDA 40 CHƯƠNG III – KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .42 3.1 Chuẩn lượng 42 3.2 Xác định số thông số hệ phổ kế gamma 44 3.2.1 Sự phụ thuộc độ phân giải lượng vào lượng xạ gamma 44 3.2.2 Khảo sát phông hệ đo 46 3.3 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu lương thực 48 3.4 Xác định hoạt độ riêng mẫu 50 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các đỉnh gamma có cường độ mạnh đồng vị phóng xạ tự nhiên phát 19 Bảng 2.1: Thông tin mẫu sử dụng để phân tích hệ phổ kế gamma .38 Bảng 3.2: Độ phân giải lượng detector SEGe – Canberra 44 Bảng 3.3: Số đếm đỉnh lượng phổ phông hệ phổ kế gamma SEGe đo thời gian 150000 giây .47 Bảng 3.4: Kết thực nghiệm xác định hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần xạ gamma đặc trưng mẫu chuẩn .49 Bảng 3.5: Kết thực nghiệm xác định hoạt độ số đồng vị phóng xạ mẫu gạo Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g .52 Bảng 3.6: Kết thực nghiệm xác định hoạt độ số đồng vị phóng xạ mẫu ngô Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g .52 Bảng 3.7: Kết thực nghiệm xác định hoạt độ số đồng vị phóng xạ mẫu khoai Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g 53 Bảng 3.8: Hoạt độ riêng số đồng vị mẫu gạo đo hệ phổ kế gamma bán dẫn siêu tinh khiết 53 Bảng 3.9: Hoạt độ riêng số đồng vị mẫu ngô đo hệ phổ kế gamma bán dẫn siêu tinh khiết 54 Bảng 3.10: Hoạt độ riêng số đồng vị mẫu khoai đo hệ phổ kế gamma bán dẫn siêu tinh khiết 54 Bảng 3.11: Hoạt độ riêng trung binh số đồng vị mẫu gạo, ngô, khoai 55 MỞ ĐẦU Lương thực sản phẩm thiết yếu người, trước hết giúp nuôi sống người sử dụng để phát triển chăn nuôi tạo nên loại thực phẩm quan trọng khác Như biết môi trường tồn chất phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên với nhân phóng xạ nhân tạo sót lại từ hoạt động thử vũ khí hạt nhận, cố nhà máy điện hạt nhân lịch sử Cũng sinh vật khác, lương thực bị nhiễm phóng xạ có môi trường, kết người bị nhiễm xạ tiêu thụ loại thức ăn Liều hiệu dụng người xác định thông qua hoạt độ đồng vị phóng xạ lương thực Chính vậy, giới nước ta coi trọng việc xác định nồng độ nhân phóng xạ lương thực, thực phẩm Nhất vùng gần với nhà máy điện hạt nhân, thường phải xây dựng sở liệu phóng xạ lương thực thực phẩm phục vụ cho việc khảo sát, đánh giá giám sát ảnh hưởng nhà máy điện hạt nhân vào hoạt động Quảng Ninh tỉnh giáp với nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành Trung Quốc (cách khoảng 60km), hoàn thành đưa vào sử dụng tổ máy vào năm 2015, tổ máy thứ hai vào năm 2016 Khi hoàn thành, nhà máy có tổ máy với công suất 1.080 MW điện Đây tỉnh địa đầu phía đông bắc Việt Nam, có biên giới quốc gia hải phận giáp giới nước Cộng hoà Nhân dân Trung Hoa Trên đất liền, phía bắc tỉnh (có huyện Bình Liêu, Hải Hà thị xã Móng Cái) giáp huyện Phòng Thành thị trấn Đông Hưng, tỉnh Quảng Tây với 132,8 km đường biên giới; phía đông vịnh Bắc Bộ; phía tây giáp tỉnh Lạng Sơn, Bắc Giang, Hải Dương; phía nam giáp Hải Phòng; bờ biển dài 250 km Dựa vào liệu khí tượng thấy rằng: Trong trường hợp nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành Trung Quốc xảy cố vùng biên giới duyên hải Đông Bắc bị nặng nhất, có tỉnh Quảng Ninh Hình 1.1 trình bày tần suất hướng gió thổi đến Việt Nam Hơn nữa, năm nước ta có từ 15-17 đợt gió mùa Đông Bắc, gần số lượng đợt gió mùa Đông Bắc bổ sung, tốc độ gió 15m/s, vận chuyển chất ô nhiễm nhanh Theo phân tích trên, khu vực nghiên cứu tập trung tỉnh Quảng Ninh, vùng ven biển Hải Phòng hai huyện ven biển Thái Bình, tất nhiên vùng núi Đông Bắc Châu thổ Sông Hồng chịu ảnh hưởng mức độ khác có tai nạn hạt nhân Hình 1.1: Tần suất, hướng gió thổi đến Việt Nam từ nhà máy điện hạt nhân Vì việc tiến hành đề tài “Nghiên cứu đo hoạt độ đồng vị phóng xạ số loại lương thực vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh hệ thống phổ kế gamma phân giải cao” nhằm khảo sát hoạt độ phóng xạ số đồng vị phóng xạ tự nhiên đồng vị phóng xạ nhân tạo số loại lương thực vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh cần thiết Có nhiều kỹ thuật để khảo sát hàm lượng nhân phóng xạ môi trường Một kỹ thuật biết đến kỹ thuật đo phổ tia gamma Trong môi trường có nhiều nguồn phóng xạ tạo tia gamma với lượng hiệu suất phát khác nhau, tia gamma thu thập dạng phổ phân tích hệ phổ kế gamma Trong khuôn khổ luận văn tác giả đưa phương pháp thực nghiệm xác định hoạt độ hệ phổ kế đại diện, quy trình phân tích hệ phổ kế gamma khác Luận văn sử dụng detector Gecmani siêu tinh khiết SEGe-Canberra Trung tâm Kiểm định Phóng xạ - Viện Y học phóng xạ U bướu quân đội để phân tích xác định hàm lượng số đồng vị phóng xạ phân rã gamma số mẫu lượng thực tỉnh Quảng Ninh - Về mặt lý thuyết, luận văn tìm hiểu sở vật lý kỹ thuật xác định hoạt độ phóng xạ đồng vị phóng xạ phương pháp phổ gamma - Về mặt thực nghiệm: Xác định số đặc trưng hệ phổ kế Gecmani siêu tinh khiết SEGe; Chuẩn lượng; Xây dựng đường cong hiệu suất ghi với cấu hình đo hình trụ phục vụ cho việc phân tích mẫu lương thực; Tiến hành phân tích xác định hoạt độ phóng xạ số đồng vị mẫu lương thực Luận văn gồm có chương: Chương Tổng quan xác định hoạt độ phóng xạ lương thực thực phẩm Chương Đối tượng phương pháp thực nghiệm Chương Kết thực nghiệm CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG LƯƠNG THỰC 1.1 Phóng xạ lương thực, thực phẩm Đồng vị phóng xạ xuất tự nhiên môi trường, bao gồm quan thể, lương thực thực phẩm nước uống người Chúng ta tiếp xúc với nguồn xạ hàng ngày Bức xạ đến từ không gian (các tia vũ trụ) nhân phóng xạ tự nhiên có đất, nước, không khí Hoạt độ riêng chất phóng xạ tự nhiên lương thực thực phẩm nước thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố điều kiện thổ nhưỡng, phân bón trồng (địa chất), thức ăn loài nuôi thả; điều kiện khí hậu tình hình sản xuất nông nghiệp khu vực Ngoài ra, người tiếp xúc với xạ từ hoạt động tạo chất phóng xạ như: Tập trung nhân phóng xạ tự nhiên, vận hành thiết bị, vụ vận hành hạt nhân dân quân Chất phóng xạ gây ô nhiễm lương thực thực phẩm sau thải môi trường Cho dù có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo chất phóng xạ qua chuỗi thức ăn theo cách giống vật chất không phóng xạ Mức độ nguy hại tới sức khỏe người phụ thuộc vào loại nhân phóng xạ khoảng thời gian người tiếp xúc với Lượng xạ người tiếp xúc thay đổi từ nơi đến nơi khác cá nhân Các mức phông phóng xạ thức ăn khác phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại thức ăn vùng địa lý sản xuất loại thức ăn Các nhân phóng xạ thường có thức ăn là: K40, Ra226, U238 đồng vị cháu liên quan Nhìn chung, K40 thường đồng vị phóng xạ tự nhiên Các đồng vị phóng xạ khác tồn nồng độ thấp, có nguồn gốc từ chuỗi phân rã uran thori Khi xảy cố hạt nhân, lượng lớn chất phóng xạ phát thải vào môi trường, loại rau lương thực bị nhiễm xạ chủ yếu tiếp xúc trực tiếp với không khí nhiễm phóng xạ hấp thụ nhân phóng xạ từ đất thông qua hệ thống rễ Trong lượng nhỏ nhân phóng xạ vận chuyển lên Bảng 3.2 kết thực nghiệm xác định độ phân giải detector SEGe (FWHM) theo lượng tia gamma Từ số liệu thu được, sử dụng chương trình Origin ta xây dựng đường cong mô tả phụ thuộc độ phân giải lượng vào lượng xạ gamma (Hình 3.4) Hình 3.4: Độ phân giải lượng phụ thuộc vào lượng xạ gamma Độ phân giải lượng tăng theo lượng xạ gamma theo hàm số có dạng: ∆ = −2 × 10 + 0.002 + 4.863 R = 0.996 Trong đó: E lượng tia gamma (keV) R hệ số đánh giá chất lượng khớp Từ đồ thị ta thấy lượng xạ tăng, lượng hao phí detector tăng, số cặp điện tử - lỗ trống tạo nhiều dẫn tới độ phân giải 45 lượng tăng Từ số liệu thực nghiệm ta thấy độ phân giải lượng detector đỉnh 1332 keV đồng vị 60 Co 2.72 keV Giá trị lớn độ phân giải 1.8 keV nhà sản xuất đưa Sự sai khác chấp nhận 3.2.2 Khảo sát phông hệ đo Phông hệ đo ảnh hưởng đáng kể đến giới hạn phát độ xác phép đo hoạt độ mức thấp Phông thường có nguồn gốc sau đây: Các thành phần cứng mềm xạ vũ trụ, xạ gamma vật liệu cấu trúc detector thiết bị, xạ gamma môi trường xung quanh Bức xạ vũ trụ sơ cấp hạt nhân lượng cao từ không gian vũ trũ, vào bầu khí chúng va chạm không đàn hồi với hạt nhân không khí tạo nên xạ vũ trụ thứ cấp Thành phần cứng hạt muôn có khả đâm xuyên cao, thành phần mềm cặp electron – positron lượng tử gamma Bức xạ vũ trụ tác dụng trực tiếp lên detector gây ion hóa thể tích nhạy detector tạo lên xạ thứ cấp vật liệu xung quanh Trong vật liệu cấu trúc detector vật liệu xung quanh gồm có 40K, đồng vị thuộc dãy uran thori Các đồng vị 222Ra 220Rn luôn có sẵn môi trường không khí xung quanh hệ đo với sản phẩm cháu chúng Vì đo đạc phông thực thường xuyên trước phép đo cần thiết cho việc hiệu chỉnh phông phân tích phổ đo mẫu Thời gian đo phông đủ dài để thu số liệu thống kê tốt Luận văn tiến hành đo khảo sát phông hệ phổ kế SEGe thời gian 150000 giây đóng nắp buồng chì, phổ phông đưa hình 3.5 bên 46 Hình 3.5: Phổ phông hệ phổ kế SEGe trường hợp đóng nắp buồng chì với thời gian đo 150000 giây Bảng 3.3: Số đếm đỉnh đỉnh lượng phổ phông hệ phổ kế gamma SEGe đo thời gian 150000 giây Đồng vị phóng xạ 212 Pb Pb 214 Pb 214 Bi 208 Tl 214 Bi 137 Cs 212 Bi 228 Ac 214 Bi 214 Bi 40 K 214 Bi 214 Bi 214 Năng lượng (keV) 239 242 295.2 351.9 583 609.3 662 727 911 1120.3 1238.1 1461 1764.5 2204.1 47 Số đếm phông (xung) 0 146±35 198±27 0 49±8 0 333±40 0 3.3 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu lương thực Dưới hình ảnh phổ mẫu chuẩn ghi nhận hệ phổ kế gamma SEGe thời gian 85000 giây Hình 3.6: Phổ gamma mẫu chuẩn dùng để phân tích mẫu thực vật ghi nhận hệ phổ kế SEGe thời gian 85000 giây Sử dụng phần mềm xử lý phổ Genie 2000 xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần sử dụng công thức (2.6) để tính hiệu suất ghi tương ứng với đỉnh lượng Kết ghi bảng đây: 48 Bảng 3.4: Kết thực nghiệm xác định hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần xạ gamma đặc trưng mẫu chuẩn Đồng vị 214 Pb E (keV) 242 0.0743 Diện tích đỉnh (xung) 13800±146 Tốc độ đếm trừ phông (xung/giây) 0.1624±0.0017 0.0245±0.0003 214 Pb 295.2 0.193 29100±179 0.3424±0.0021 0.0199±0.0001 214 Pb 351.9 0.376 46900±141 0.5502±0.0017 0.0164±5E-05 Iγ Hiệu suất ghi 214 Bi 609.3 0.461 32600±64 0.3815±0.0008 0.0093±2E-05 214 Bi 1120.3 0.151 5820±38 0.0685±0.0004 0.0051±3E-05 214 Bi 1238.1 0.058 1970±6 0.0232±0.0001 0.0045±1E-05 214 Bi 1764.5 0.153 3730±47 0.0439±0.0006 0.0032±4E-05 214 Bi 0.0508 936±14 0.011±0.0002 0.0024±4E-05 2204 Hình 3.7: Đồ thị đường cong hiệu suất ghi ghi nhận hệ phổ kế gamma SEGe – Canberra Sử dụng chương trình Origin số liệu bảng 3.4 ta thiết lập đường cong hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần có dạng: 49 y = exp(1.99205 – 1.03937ln(x)) với x lượng tia gamma (keV) y hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần tương ứng 3.4 Xác định hoạt độ riêng mẫu Các mẫu sau nhốt khoảng thời gian tuần để đạt trạng thái cân kỷ nhân phóng xạ mẹ hạt nhân cháu đem đo Trước đặt mẫu vào phổ kế dùng khăn lau hộp đựng mẫu để tránh làm bẩn phổ kế loại trừ phông Đặt hộp mẫu cần đo vào phổ kế cho chuẩn trực với detector Sau tiến hành đo mẫu phân tích phổ Các mẫu đo hệ phổ kế SEGe khoảng thời gian 150000 Trong hình (3.8), hình (3.9) hình (3.10) tương ứng dạng phổ mẫu gạo với khối lượng 175.8 g, mẫu ngô với khối lượng 175.2 g mẫu khoai với khối lượng 175.5 g Hình 3.8: Phổ gamma mẫu gạo đo hệ phổ kế gamma siêu tinh khiết SEGe thời gian 150000 giây 50 Hình 3.9: Phổ gamma mẫu ngô đo hệ phổ kế gamma siêu tinh khiết SEGe thời gian 150000 giây Hình 3.10: Phổ gamma mẫu khoai đo hệ phổ kế gamma siêu tinh khiết SEGe thời gian 150000 giây 51 Sử dụng phần mềm Genie 2000 để xác định diện tích đỉnh tương ứng đồng vị phóng xạ quan tâm Dựa vào đường chuẩn hiệu suất ghi mục 3.3 để xác định hiệu suất đỉnh lượng toàn phần tương ứng Từ xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ có mẫu theo công thức (2.9) Hoạt độ riêng tính cách chia hoạt độ đồng vị phóng xạ mẫu cho khối lượng mẫu dùng để tro hóa (khối lượng mẫu tươi) Số liệu thực nghiệm trình bày bảng Bảng 3.5: Kết thực nghiệm xác định hoạt độ số đồng vị phóng xạ mẫu gạo Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g Chuỗi phân rã 232 Th 212 Pb 239 0.433 0.0248 Diện tích đỉnh (xung) 306±19 U 214 Pb 295 0.1932 0.0199 38±5 0.066±0.0087 Th 208 Tl 583 0.8457 0.0098 144±29 0.116±0.0234 Bi 609 0.4615 0.0093 226±17 0.104±0.0263 Cs 662 0.8512 0.0086 356±24 0.3248±0.0219 Bi 727 0.0658 0.0078 36±8 0.4689±0.1042 Ac 911 0.258 0.0062 207±15 0.546±0.0396 1,461 0.11 0.0038 21900±620 343.8571±9.7348 238 232 238 137 Đồng vị U 214 Cs 137 232 Th 212 232 Th 228 40 K K E (keV) Iγ Hiệu suất ghi ε Hoạt độ (Bq) 0.1902±0.0118 Bảng 3.6: Kết thực nghiệm xác định hoạt độ số đồng vị phóng xạ mẫu ngô Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g Chuỗi phân rã 232 Th 238 232 Đồng vị 212 Pb Diện tích đỉnh (xung) 1.3 Hoạt độ (Bq) 0.433 Hiệu suất ghi ε 0.0248 295 0.1932 0.0199 2.9 [...]... ph gamma ta quan tõm n h s phõn nhỏnh I ca bc x gamma H s phõn nhỏnh ca bc x gamma c trng cho s gamma phỏt ra trong mt phõn ró Nh vy h s phõn nhỏnh 0< I