Phương pháp nghiên cứu phông tự nhiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ
Giáo viên hướng dẫn: Trương Trường Sơn Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Kim Hoàng Nguyễn Hiền Ngọc Oanh Phạm Thanh Bích Trăm Hoàng Thị Phương Thảo 30/09/2010,Tp Hồ Chí Minh MỤC LỤC MỤC LỤC 1 Giới thiệu về nguồn phóng xạ tự nhiên: 2 I.1. Các chất phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ: 2 I.2. Các nhân phóng xạ nguyên thủy: 3 I.2.1. Các chất phóng xạ trong vỏ trái đất: 3 I.2.2. Các chất phóng xạ trong không khí 4 I.2.3. Các nhân phóng xạ có trong lương thực, thực phẩm và cơ thể con người: 4 I.2.4. Các nhân phóng xạ có trong nước biển 4 II. Các phương pháp nghiên cứu phân tích phông phóng xạ tự nhiên: 5 II.1. Các phương pháp nghiên cứu: 5 II.2. phương pháp xạ trình đường bộ: nghiên cứu đo phông mẫu đất 5 II.2.1. phương pháp xạ trình đường bộ: 5 II.2.2. Thiết bị: 6 II.2.3. Thu thập và xử lý mẫu: 6 II.3. Phương pháp nghiên cứu phổ gamma phông thấp: nghiên cứu đo phông mẫu gạch men: 7 II.3.1. phương pháp phổ gamma phông thấp: 7 II.3.2. Thu thập mẫu và Xử lý mẫu: 9 II.3.3. Đo mẫu: 12 Giới thiệu về nguồn phóng xạ tự nhiên: Chiếu xạ bằng bức xạ ion hóa từ các nguồn khác nhau đang được quan tâm ngày càng nhiều do các hiệu ứng có thể có của nó tới sức khỏe con người và sinh quyển. Do đó con người và cả hệ thống đã và đang bị chiếu xạ bởi các bức xạ nói trên từ khi hình thành nên cuộc sống trên trái đất, suất liều bức xạ tự nhiên có thể được xem như một tiêu chuẩn khi nghiên cứu các hiệu ứng sinh học của bức xạ nhân tạo. Liều phóng xạ trong tự nhiên được gây bởi: các tia bức xạ vũ trụ, bức xạ từ các chất phóng xạ có trong môi trường và các nhân phóng xạ có ngay trong tế bào sống. Trong số các nguồn bức xạ này, nguồn bức xạ từ các nhân phóng xạ trong môi trường và các bức xạ trong nhân tế bào sống đóng gớp hơn 85% liều hiệu dụng hằng năm đối với mỗi người. Giá trị liều này vào khoảng 2.4mSv. Các chất phóng xạ tự nhiên này có mặt trong sinh quyển hầu hết có trong đất, đá, nước, không khí và tế bào sống. Chúng được chia thành các chất phóng xạ nguyên thủy ( các chất phóng xạ từ khi hình thành nên trái đất ), và các chất phóng xạ sinh ra từ các vũ trụ ( là các chất phóng xạ được tạo thành bởi tương tác tia vũ trụ với các nguyên tử trong khí quyển). Các chất phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ: Các chất phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ được tạo ra khi các tia vũ trụ tương tác với các nguyên tử qua các phản ứng tách hay bắt notron. Mặc dù có hơn 20 đồng vị phóng xạ khác nhau được biết là sản phẩm được tạo ra bởi trình này, song chỉ số ít trong số chúng có đóng góp liều bức xạ đối với cơ thể sống ví dụ như: 3H, 14C, 22Na và 7Be. Do trái đất có từ trường nên cường độ tia vũ trụ ở các cực lớn hơn so với xích đạo. vì thế mà gây bởi tia vũ trụ mà con người nhận được tăng theo vĩ độ. Hơn nữa khí quyển che chắn một phần lượng bức xạ đó nên khi người ta lên cao thì hiệu ứng che chắn này giảm đi và vì vậy liều bức xạ gây bởi tia vũ trụ cũng tăng theo việc tăng theo độ cao. Trung bình toàn cầu trong một năm, liều bức xạ gây bởi tia vũ trụ khoảng 0.4mSv. Các nhân phóng xạ nguyên thủy: Các chất phóng xạ nguyên thủy phổ biến nhất là 238U, 235U, 232Th và các sản phẩm phân rã của chúng, 40K và 87Rb. Cò có một số chất khác ít phổ biến hơn và có thời gian sống dài hơn nhiều. Bảng 3 số liệu dưới đây đưa ra giá trị độ giàu đồng vị của các chất phóng xạ.
Các chất phóng xạ trong vỏ trái đất: Hàm lượng trung bình của Uradium và Thôrium trong vỏ trái đất là thấp nhưng các nguyên tố này có mặt ở khắp mọi nơi trên trái đất. Hoạt độ của các chất phóng xạ này trong đất, đá có thể thay đổi rất khác nhau. Các chất phóng xạ này và nhiều phân rã của chúng có mặt hầu hết trong các mẫu môi trường ( sinh học, địa chất và thủy văn...) trong quá trinh rơi lắng của bụi, quá trình rửa trôi, phong hóa, trầm tích, và các quá trình vận chuyển sinh học cũng như các quá trình vận chuyển khác. Cùng với việc phát ra các bức xạ α và (. Các đồng vị phóng xạ này cũng phát ra tia gamma. Các tia gamma này chiếu đồng đều toàn thân của con người. Do các vật liệu lấy từ vỏ trái đất nên chúng có thể có một chút phóng xạ và do vậy con người bị chiếu xạ ngay cả trong nhà cũng như ở bên ngoài. Liều bức xạ thay đổi theo đất đá của từng đia phương cũng như các vật liệu xây dựng được sử dụng nhưng trung bình toàn cầu trong một năm mức liều này khoảng 0.5mSv. Các chất phóng xạ trong không khí Các nguồn phóng xạ chính trong quá trình hít thở là các sản phẩm phân rã 222Rn (radon) và 220Tn (thoron). Tốc độ xã khí của chúng từ đất phụ thuộc mạnh vào áp suất của khí quyển, độ ẩm và lớp tuyết phủ. Các sản phẩm sống ngắn của chúng dễ dàng bị rơi xuống theo mưa dẫn đến sự thay đổi mạnh nồng độ hoạt tính của chúng trong không khí theo thời gian. Mức khí radon trong nhà ảnh hưởng mạnh bởi tốc độ nhã khí của các vật liệu xây dựng, cấu trúc nền móng và chất đất dưới đó. Tăng cường thông thoáng để giảm nồng độ của radon và do đó các sản phẩm phân rã sống ngắn của nó. Các nhân phóng xạ có trong lương thực, thực phẩm và cơ thể con người: Do các chất phóng xạ có mặt ở khắp mọi nơi trong tự nhiên nên không tránh khói việc chúng có mặt trong đồ ăn thức uống hằng ngày và dẫn đến liều trung bình toàn cầu trong năm là khoảng 0.3mSv. Cơ thể con người được cấu tạo từ các nguyên tố hóa học, vì vậy trong có thể người có các nhân phóng xạ. một số nhân phóng xạ vào cơ thể ngườu là do ăn thực phẩm và uống nước cũng như do hít thở hằng ngày. Đặc biệt 40K là nguồn phóng xạ chính gây ra chiếu xạ trong. 40K thay đổi theo độ lớn của cơ bắp, ví dụ đối với nam thanh niên lượng 40K cao hơn 2 lần so với bà già. Một số loại thức ăn ví dụ như một sơ loại động vật có vỏ trai, cua, tôm...tập trung lượng phóng xạ nhiều hơn hẳn so với các thực phẩm khác. Các nhân phóng xạ có trong nước biển Toàn bộ nước trên trái đất, kể cả nước biển, đều chứa các nhân phóng xạ chính trong nước biển của đại dương. Các phương pháp nghiên cứu phân tích phông phóng xạ tự nhiên: Các phương pháp nghiên cứu: Có nhiều phương pháp phân tích phóng xạ như phương pháp hóa phóng xạ, phương pháp đo phổ alpha, nhấp nháy lỏng và khối phổ kế, phương pháp phân tích kích hoạt neutron, phương pháp đo phổ gamma phông thấp, phương pháp xạ trình đường bộ. Các phương pháp đo hóa phóng xạ được dùng để xác định cho các nguồn phát alpha, beta và các đồng vị phóng xạ tư nhiên mức dưới 103 pg/g. Phương pháp phân tích kích hoạt neutron dùng để phân tích các đồng vị phóng xạ tự nhiên nhưng không thuận lợi vì cần phải có nguồn neutron (lò phản ứng hạt nhân, máy phát neutron, nguồn neutron đồng vị). Hơn nữa, phương pháp này lại không thể xác định được Cs137 và Ra226. Phương pháp đo tổng alpha vả beta chỉ cho phep xác định hoạt độ tổng cộng mà không cho phép xác định hoạt độ các nhân phóng xạ quan tâm trong mẫu cần đo. Phương pháp đo phổ alpha cũng cho phép xác định hoạt độ của các nhân đồng vị trong dãy uranium và thorium nhưng quá trình xử lý mẫu rất phưc tạp. Phương pháp đo phổ gamma có khả năng đo trực tiếp các tia gamma do các nhân phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách các nhân phóng xạ ra khỏi chất nền của mẫu, giúp ta xác định một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ trong mẫu. phương pháp xạ trình đường bộ: nghiên cứu đo phông mẫu đất phương pháp xạ trình đường bộ: Được dùng để xác định nhanh, định tính các phông phóng xạ trong một vùng rộng lớn, người ta hay dùng phương pháp xạ trình đường bộ. Xạ trình là dùng các thiết bị đo xạ để đo theo các lộ trình đã được thiết lập kế hoạch. Tùy thuộc vào địa phương khảo sát, phương pháp đo phóng xạ hiện trường chia ra bao gồm xạ trình đường bộ, xạ trình bằng ô tô, xạ trình bằng máy bay, đo khí phóng xạ và đo phóng xạ công trình. Độ chính xác phương pháp đủ để nhận biết các thay đổi mức phóng xạ trong một vùng khảo sát mà kích thước lưới mạng nhỏ nhất khoảng 10m. Thiết bị: Thông thường người ta hay dùng các máy đo liều xách tay, vừa đơn giản vừa đủ công năng để ghi nhận mức độ phóng xạ tính theo liều chiếu ngoài. Trong trường hợp được trang bị tốt, có thể sử dụng phổ kế gamma hiện trường. điểm thuận lợi của phương pháp này là có thể xác định ngay các đồng vị phóng xạ chính như 238U, 322Th và 40hK . Tuy nhiên, độ chính xác của các phương pháp phổ kế gamma hiện trường sẽ không cao và thiết bị này tốn nhiều điện năng. Do đó người ta thường dùng ô tô chuyên biệt. Điểm thuận lợi của nó là sử dụng thiết bị đơn giản dùng dạng cầm tay hoặc bỏ túi. Thu thập và xử lý mẫu: Việc lấy mẫu để phân tích phóng xạ trong phòng thí nghiệm sẽ cho các kết quả đối chiếu đủ tin cậy để xây dựng nên bức tranh phông phóng xạ. Các yếu tố thời gian, không gian (tọa độ lấy mẫu), địa hình và các tính chất mẫu vật được thu nhận cẩn thận. nếu không có các thông tin này, mẫu sẽ không có lý lịch và việc khảo sát không có ý nghĩa. Ví dụ tại Hàm Tân người ta dùng máy xách tay được sử dụng trong kỹ thuật xạ trình đường bộ theo lưới, khoảng cách lưới đo từ 20m đến 50m.tọa độ được định vị bằng hệ GPS ( Global Position System) hai loại máy là Monitor-5 (Mỹ) có dải đo từ 0,01 µSv/h đến 500 µSv/h và Rados (Phần Lan) có dải đo từ 0,01 µSv/h đến 1000 µSv/h được dùng để đo suất liều. Máy đo liều được đặt song song với mặt đất1m và luôn giữ khoảng cách này trong xạ trình. Việc khảo sát vùng Đông Nam Bộ Việt Nam được tiến hành nhiều đợt bằng ô tô, mỗi đợt một tuần. lưới lấy mẫu có kích thước cỡ 10km × 10km. Như vậy với diện tích 5 triệu hecta sẽ có khoảng 250 điểm. thực tế khoảng 300 mẫu được lấy, trong đó các vùng quan trọng như thành phố Hồ Chí Minh 40 mẫu, Hàm Tân 60 mẫu, núi Cấm 30 mẫu. Hầu hết mỗi huyện thuộc 18 tỉnh Nam Bộ Việt Nam đều có vài điểm khảo sát. Tất cả các điểm đo đều lấy mẫu kèm theo về phòng thí nghiệm phân tích phóng xạ bằng phổ kế gamma phông thấp. Các đồng vị phóng xạ được xác định là 238U, 322Th và 40hK và 137Cs Phương pháp nghiên cứu phổ gamma phông thấp: nghiên cứu đo phông mẫu gạch men: phương pháp phổ gamma phông thấp: Phương pháp đo phổ gamma có khả năng đo trực tiếp các tia gamma do các nhân phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách các nhân phóng xạ ra khỏi chất nền của mẫu, giúp ta xác định một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ trong mẫu. Trong điều kiện phòng thí nghiệm và mức hàm lượng nguyên tố trong mẫu cỡ (g/g, phương pháp phổ kế gamma phông thấp được sử dụng để phân tích các đồng vị phóng xạ tư nhiên và nhân tạo trong các mẫu vật liệu xây dựng. Phương pháp đo hàm lượng các nhân phóng xạ bằng hệ phổ kế gamma phông thấp dựa trên cơ sơ lý thuyết về tương tác của tia gamma với vật chất.Bức xạ hạt nhân bao gồm các loại hạt mang điện như tia alpha, beta hay các bức xạ điện từ như tia gamma, tia X có cường độ và năng lượng xác định. Quà trình phân rã alpha và beta thường kèm theo phân rã gamma vì sau kh phân rã alpha và beta, hạt nhân phóng xạ mẹ biến thành hạt nhân con thường nằm ở trạng thái kích thích. Khi hạt nhân con chuyển thành trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản nó có thể phát ra các tia gamma. Tia gamma là một dạng sóng điện từ nhưng có tần số hay năng lượng rất lớn. khi phân rã gamma hạt nhân ZAX không thay đổi các giá trị Z và A. Khi bức xạ đi vào môi trường vật chất bên trong của một detector ghi bức xạ nó sinh ra một tín hiệu điện. đây là cơ sở vật lý của việc ghi nhận bức xạ. Tín hiệu ban đầu rất bé, sau một loạt các quá trình biến đổi và khuyeesch đại trong các thiết bị điện tử. tín hiệu thu được có thể hiện trên màn hình dạng xung (số đếm). Các máy phân tích phóng xạ đều sử dụng nguyên lý này để ghi phóng xạ. Hệ phổ kế gamma là thiết bị ghi nhận và phân tích phóng xạ hiện đại nhất. Cấu tạo hệ phổ kế gamma phông thấp: Bao gồm detector Germanium siêu tinh khiết để thu nhận các bức xạ photon gamma phát ra từ mẫu vật cần đo rồi chuyển chúng thành các tính hiệu điện để có thể xử lý được bằng các thiết bị điện tử. tín hiệu từ detector được khuếch đại sơ bộ qua tiền khuếch đại và được đưa vào bộ khuếch đại tuyến tính. Sau khi tính hiện được khuếch đại, chúng được đưa qua bộ phận phân tích đa kênh rồi được đưa ra trên màn hình máy tính ở dạng phổ năng lượng gamma.
Thu thập mẫu và Xử lý mẫu: Chọn các mẫu gạch men với mức độ nhẵn bóng(mua ở các cửa hàng vật liệu xây dựng). mẫu lấy có khối lượng từ 1.5kg -2 kg, đánh dấu ký hiệu và sau đó được vận chuyển về phòng thí nghiệm.
Các mẫu gạch men được rửa sạch bẩn và để khô ở nhiệt độ phòng. Sau đó được đập vụn rồi nghiền nhỏ bằng máy nghiền li tâm cho mẩu vào 2 cối đựng, sau đó cho thêm từ 5 đến 7 viên bi zircon vào mỗi cối rồi đậy kín, lắp cối vào máy. Mỗi mẫu được nghiền trong 5 phút. Khi máy quay, các viên bi zircon sẽ nghiền nát mẫu thành các hạt mịn và đảm bảo không làm bẩn mẫu vì các viên bi này rất cứng. sau mỗi lần nghiền bi thường bị các hạt mẫu mịn bám vào do hiệu ứng tĩnh điện trong quá trình ma sát với mẫu tạo ra. Để các mẫu nghiền sau không bị bẩn ta phải rửa cối và bi: sau khi đã lấy hết mẫu ra, cho các viên bi bị bẩn vào cối rồi đổ đầy cối “cát rửa cối”(là zercon ZrSiO4 khô, cứng, mịn) sau đó cho máy chạy trong 5 phút (bằng thời gian nghiền mẫu), cát này sẽ làm sạch hoàn toàn cối và bi. Các mẫu sau khi được nghiền nhỏ cùng với cát, xi măng (đã mịn sẵn) được rây 1 lần nữa qua rây 1/10 mm dể chọn các hạt mẫu có kích cỡ đồng đều, tiện cho việc đo đạc.
Tất cả các mẫu được đem cân, lấy khoảng 450g- 650g. thực hiện việc “nhốt mẫu”: các mẫu được đựng trong hộp nhựa, đậy kín và dán kỹ bằng băng keo trong rồi để vào nơi khô thoáng nhằm giúp các đồng vị cân bằng thế kỷ để các kết quả về sau đượ chính xác.
Sơ đồ xử lý mẫu:
Đo mẫu: Cách đo: Việc đo phóng xạ các mẫu gạch men được thực hiện trên phổ kế gamma phông thấp trong thời gian 10 giờ để lấy đủ thống kê diện tích đỉnh của các đồng vị quan tâm. Chuẩn phóng xạ: Để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong các mẫu gạch men ta phải dựa vào mẫu chuẩn. mẫu được chọn làm mẫu chuẩn phải có đặc điểm giống như mẫu phân tích: mẫu chuẩn phải cùng loại, chứa các đồng vị quan tâm như mẫu phân tích, có mật độ khối xấp xỉ với mẫu phân tích và được tiến hành đo trong điều kiện như mẫu phân tích. Mẫu chuẩn phóng xạ là uran IAEA (740g), kali IAEA (825g), thori IAEA (690g), cesi IAEA375 (760g) đựng trong hộp nhựa cùng kiểu với hộp nhựa đựng mẫu và được đo trong 10 giờ. Phương pháp tính toán hoạt độ của mẫu So sánh với mẫu chuẩn đã biết trước hoạt độ phóng xạ, ta áp dụng công thức:
Trong đó: Cm: hoạt độ phóng xạ của mẫu (Bq/kg) Cc: hoạt độ phóng xạ của chuẩn Nm: vận tốc đếm đã trừ phông tại đỉnh năng lượng của đồng vị cần phân tích trong mẫu Nc: vận tốc đếm đã trừ phông tại đỉnh năng lượng của đồng vị cần phân tích trong chuẩn Mm: khối lượng của mẫu cần phân tích Mc: khối lượng của chuẩn tm: thời gian đo mẫu tc: thời gian đo chuẩn Ti: chu kỳ bán rã của đồng vị cần đo Sai số của phương pháp đo Đánh giá sai số trong kết quả phân tích phụ thuộc vào các tham số như sai số diện tích đỉnh gamma của mẫu chuẩn, sai số diện tích đỉnh của mẫu đo, sai số khối lượng của mẫu đo và mẫu chuẩn, sai số do nhiễm bẩn trong quá trình xử lý mẫu… Sai số tương đối của phương pháp được xác định theo công thức sau:
Thực tế, với cách xác định hoạt độ theo phương pháp này thì sai số lớn nhất đến từ sai số diện tích đỉnh gamma của mẫu đo. Do vậy, các sai số ở phần thực nghiệm được xác định theo công thức sau:
Trong đó: σ là độ lệch chuẩn của các giá trị tương ứng ở công thức trên. DA (%) là sai số diện tích đỉnh của mẫu đo. Kết quả: Quá trình xử lý phổ gamma và tính toán kết quả được thể hiện qua sơ đồ sau:
Phân tích định tính : Phổ gamma của các mẫu đo được hiển thị trong chương trình MCA chạy trên máy vi tính nối với hệ phổ kế gamma phông thấp. sử dụng chương trình AXIL để chuyển định dạng phổ sang ASCII, sau đó thể hiện phổ trên chương trình Microsoft Excel dưới dạng các đồ thị. Các đỉnh phổ được dò năng lượng để xác định tên của các nhân phóng xạ tương ứng. Phân tích định lượng hoạt độ phóng xạ: Diện tích đỉnh phổ được tính toán một cách tự động bằng chương trình GAMMAW nhờ việc chuyển dữ liệu từ phổ MCA vào GAMMAW bằng chương trình SPECDAC. Khi đã có các số liệu về diên tích đỉnh phổ, sử dụng công thức (6) để tính toán hoạt độ của các nhân phóng xạ quan tâm cùng với các đỉnh năng lượng tương ứng bằng các chương trình chuyên dụng.