BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Thị Oanh

XÁC ĐỊNH ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ VÀ HOẠT ĐỘ
TRONG MẪU CÓ HOẠT ĐỘ CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Thành phố Hồ Chí Minh - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Thị Oanh
XÁC ĐỊNH ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ VÀ HOẠT ĐỘ
TRONG MẪU CÓ HOẠT ĐỘ CAO

Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử
Mã số: 60 44 01 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. VÕ HỒNG HẢI

Thành phố Hồ Chí Minh – 2015

i

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn này, tác giả đã nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị và các bạn. Với lịng kính
trọng và biết ơn sâu sắc tác giả xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:
Tiến sĩ Võ Hồng Hải, người thầy kính mến đã hết lịng giúp đỡ, chỉ bảo, động
viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt q trình học tập và hồn
thành luận văn tốt nghiệp.
Thạc sĩ Nguyễn Quốc Hùng người đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn kỹ thuật đo
đạc trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Vật lý trường Đại học Sư
Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh đã hết sức nhiệt huyết để truyền đạt những kiến thức
chuyên sâu và những bài học làm người bổ ích.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới phịng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, trường đại
học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG TP. HCM đã tạo điều kiện và hỗ trợ để tác giả thực
hiện thí nghiệm, đo đạc để thu được kết quả cho luận văn này.
Cảm ơn tất cả anh chị và các bạn đang làm việc tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân
trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để
tác giả hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng con xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, nhưng người luôn quan tâm, động
viên, giúp đỡ con trong suốt quá trình học tập và hồn thành luận văn này.
Thành phố Hồ Chí Minh, 2015
Nguyễn Thị Oanh


ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................................. i

MỤC LỤC .................................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................................ 3
1.1. Phóng xạ và nguồn gốc phóng xạ .................................................................................... 3
1.1.1. Các nguồn gốc phóng xạ tự nhiên ............................................................................ 3
1.1.2. Các nguồn phóng xạ nhân tạo .................................................................................. 7
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngồi nước ............................................................ 9
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM................................................................... 12
2.1. Phương pháp phân tích phổ gamma .............................................................................. 12
2.2. Hệ phổ kế gamma phông thấp ....................................................................................... 13
2.2.1. Cấu trúc của nhệ phổ kế gamma............................................................................. 13
2.2.1.1. Đầu dò gamma siêu tinh khiết HPGe .............................................................. 13
2.2.1.2. Buồng chì bảo vệ ............................................................................................. 15
2.2.1.3. Hệ thống điện tử .............................................................................................. 16
2.2.2. Các đặc trưng vật lý của hệ phổ kế Gamma với đầu dò Ge ................................... 17
2.2.3. Phần mềm phân tích phổ ........................................................................................ 20
2.3. Các quy trình phân tích phóng xạ ................................................................................. 22
2.3.1. Một số thơng tin về mẫu đá .................................................................................... 22
2.3.2. Thiết lập phép đo suất liều...................................................................................... 22
2.3.3. Thiết lập phép đo trên hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe .................................. 24
2.4. Các phương pháp xác định hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ ............................ 24
2.4.1. Phương pháp tương đối .......................................................................................... 24
2.4.2. Phương pháp tuyệt đối ............................................................................................ 25
Chương 3. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ......................................................... 28
3.1. Đánh giá suất liều của mẫu ............................................................................................ 28
3.2. Xác định các đồng vị phóng xạ trong mẫu đá ............................................................... 29
3.3. Xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu ............................................ 36

3.3.1. Hoạt độ phóng xạ của đồng vị 234Th ...................................................................... 36


iii

3.3.2. Hoạt độ phóng xạ của đồng vị

235

3.3.3. Hoạt độ phóng xạ của đồng vị

40

3.3.4. Hoạt độ phóng xạ của đồng vị

234

3.3.5. Hoạt độ phóng xạ của đồng vị

234m

3.3.6. Hoạt độ phóng xạ của đồng vị

208

U ....................................................................... 37

K ........................................................................ 39
Pa ....................................................................... 39
Pa ..................................................................... 41


Tl ....................................................................... 43

3.3.7. Hoạt độ phóng xạ của đồng vị 206Tl ....................................................................... 44
3.3.8. Hoạt độ của đồng vị phóng xạ 231Th....................................................................... 45
3.3.9. Phân tích 238U qua đồng vị 234mPa .......................................................................... 45
3.4. Nhận xét chương 3......................................................................................................... 45
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 49
PHỤ LỤC ................................................................................................................................ 51


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

IAEA

International Atomic Energy Agency

HPGe

High - Purty Germanium

Ge siêu tinh khiết


MCA

Multi Channel Analyzer

Bộ phân tích đa kênh

ADC

Analog - to Digital Converter

Bộ biến đổi tương tự - số

FWHM

Full Width at Half Maximum

P/C

Tỷ số đỉnh/ Compton

Cơ quan năng lượng
nguyên tử quốc tế

Bề rộng một nửa ở đỉnh
cực đại
Peak/Compton
Độ rộng đỉnh năng lượng

FWTM


Full Width at Tenth Maximum

toàn phần tại 1/10 chiều
cao cực đại


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Chỉ số

Danh mục

hình
1.1

K phân rã β + và bắt electron tạo ra 40Ar và phân rã β − tạo ra

40

Trang
4

40

Ca

1.2


Chuỗi phân rã của 3 họ phóng xạ tự nhiên uranium, actinium và

5

thorium
2.1

Hệ phổ kế gamma GC3520 đầu dò HPGe tại PTN Kỹ thuật Hạt

13

nhân, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM.
2.2

Cấu trúc đầu dò GC3520.

14

2.3

Cấu trúc buồng chì 747.

15

2.4

Đường chuẩn năng lượng trên hệ đo gamma HPGe.

19


2.5

Đồ thị biểu diễn giữa hiệu suất tương đối theo năng lượng của hệ

20

đo gamma HPGe.
2.6

Giao diện phần mềm Genni 2000.

21

2.7

Giao diện phần mềm Colegram.

21

2.8

Giao diện phần mền Origin8.1.

21

2.9

Mẫu đá được sử dụng để đo suất liều.

22


2.10

Máy đo suất liều Inspector+.

23

2.11

Bố trí thí nghiệm đo suất liều mẫu đá với các khoảng cách từ (0 –

23

50) cm.
2.12

Sơ đồ khối cấu tạo hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe.

24

3.1

Biểu diễn sự phụ thuộc của suất liều vào khoảng cách đo.

28


vi

3.2


Phổ gamma của mẫu đá đo được bởi hệ đo HPGe, thời gian đo là

30

70400 giây (khoảng 24 giờ đo).
3.3

Phổ năng lượng của mẫu trong vùng năng lượng từ 50 keV đến 300

31

keV.
3.4

Phổ năng lượng của mẫu trong vùng năng lượng từ 550 keV đến

31

840 keV.
3.5

Phổ năng lương của mẫu trong vùng năng lượng từ 850 keV đến

32

1250 keV.
3.6

Phổ năng lượng của mẫu trong vùng năng lượng từ 1400 keV đến


32

2650 keV.
3.7

Sự chồng chập các đỉnh gần nhau 110,6 keV; 112,6 keV và 114,7

33

keV, được tách bởi chương trình Colegram nhằm xác định diện
tích đỉnh.
3.8

Đỉnh gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ 234Th được ghi nhận

37

trong phổ của mẫu đo.
3.9

Đỉnh gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ

U được ghi nhận

235

38

trong phổ của mẫu đo.

3.10

Đỉnh gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ

K được ghi nhận trong

40

39

phổ của mẫu đo.
3.11

Đỉnh gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ

Pa được ghi nhận

234

40

trong phổ của mẫu đo.
3.12

Đỉnh gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ

Pa được ghi nhận

234m


42

trong phổ của mẫu đo.
3.13

Đỉnh gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ 208Tl được ghi nhận trong

43

phổ của mẫu đo.
3.14

Đỉnh gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ

Tl được ghi nhận

206

44


vii

trong phổ của mẫu đo.
3.15

Đỉnh gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ
trong phổ của mẫu đo.

Th được ghi nhận


231

45


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Chỉ số

Danh mục

bảng

Trang

1.1

Hoạt độ phóng xạ của một số hạt nhân nguyên thủy.

6

1.2

Hoạt độ trung bình của một số hạt nhân phóng xạ phổ biến được

7

tạo ra do bức xạ vũ trụ .

1.3

Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên.

9

3.1

Kết quả đo suất liều của mẫu đá phụ thuộc vào khoảng cách đo.

29

3.2

Các đồng vị phóng xạ phân tích được từ phổ gamma .

33

3.3

Các đỉnh gamma và hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ 234Th.

37

3.4

Các đỉnh gamma và hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ 235U.

38


3.5

Các đỉnh gamma và hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ 234Pa.

41

3.6

Các đỉnh gamma và hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ 234mPa.

42

3.7

Các đỉnh gamma và hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ 208Tl.

44

3.8

Hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ phát hiện được trong mẫu.

46

A

Năng lượng gamma và diện tích đỉnh thu được từ phổ gamma đo

51


được, sử dụng hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe.


1

MỞ ĐẦU
Thế giới chúng ta đang sống có chứa nhiều chất phóng xạ, các đồng vị phóng xạ
này đã tồn tại ngay từ khi hình thành nên Trái Đất. Phơng phóng xạ tự nhiên được sinh
ra bởi các đồng vị phóng xạ chứa trong đất, đá, nước, khơng khí, thực phẩm, nhà ở và
ngay trong cơ thể chúng ta.
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung,
ngành năng lượng hạt nhân nói riêng đã mang lại nhiều ứng dụng vô cùng thiết thực
phục vụ cho đời sống con người [1]. Tuy nhiên bên cạnh những đóng góp tích cực ấy,
những ứng dụng này đã vơ tình thải vào mơi trường sống của chúng ta một lượng chất
phóng xạ đáng kể làm tăng nền phơng phóng xạ tự nhiên. Đó chính là các nguồn
phóng xạ nhân tạo. Từ các vụ nổ nhà máy điện hạt nhân đến hàng loạt các vụ thử
nghiệm vũ khí nguyên tử đã để lại nhiều vùng đất chết trên Trái Đất. Ở những nơi này
hàm lượng đồng vị phóng xạ rất lớn ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sống và
sức khỏe của con người.
Trong mơi trường đâu đó tiềm ẩn một số nơi có hoạt độ phóng xạ cao [16] hay
đâu đó một số mẫu phóng xạ được tìm thấy trong mơi trường. Ở Nhật Bản, sau sự cố
tai nạn nhà máy điện hạt nhân Fukushima 2011, một khảo sát rộng rãi khắp cả nước về
đo ghi nhận phóng xạ mơi trường trong nước, khơng khí, mẫu đất. Một cách ngẫu
nhiên, ở một công viên tại Tokyo đã phát hiện một số mẫu đất có hoạt độ phóng xạ
cao.
Tại khoa Địa Chất trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM một
cách “vơ tình” tìm thấy một số mẫu đá. Bước đầu xác định bởi thiết bị đo suất liều
phóng xạ, cho kết quả có hoạt độ rất cao. Do đó, cần phải khảo sát về đồng vị phóng
xạ, hoạt độ trong các mẫu này. Đây là việc làm rất cần thiết, nhằm để cảnh báo. Vì lý
do trên, trong luận văn này, chúng tôi thực hiện đề tài: “Xác định đồng vị phóng xạ và

hoạt độ trong mẫu có hoạt độ cao”. Hệ đo gamma phơng thấp HPGe được sử dụng
trong việc nghiên cứu này. Đề tài này được thực hiện tại phịng thí nghiệm Kỹ thuật
Hạt nhân, trường đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM. Cụ thể, chúng tôi
thực hiện đo suất liều của mẫu đá sử dụng đầu dò đo liều Inspector+; kế đó trích một


2

mẫu nhỏ từ trong mẫu đá thực hiện đo phổ gamma sử dụng hệ đo gamma phông thấp
HPGe nhằm phân tích đồng vị phóng xạ và hoạt độ. Phương pháp phân tích đồng vị
phóng xạ có trong mẫu dựa vào tất cả các đỉnh phổ ghi nhận được trong phổ; việc phân
tích hoạt độ phóng xạ ứng với từng đồng vị, chúng tôi dựa vào nhiều đỉnh năng lượng.
Với nghiên cứu này, chúng tơi muốn trình bày phương pháp nghiên cứu về hoạt
độ của các mẫu có phóng xạ cao, khi mà việc sử dụng năng lượng hạt nhân ngày nay
càng nhiều trong đời sống xã hội con người. Từ đó đánh giá về mẫu và xác định nguồn
gốc của mẫu.
Nội dung của luận văn bao gồm ba chương:
Chương 1 nêu tổng quan phóng xạ, nguồn gốc phóng tự nhiên và phóng xạ nhân
tạo. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngồi nước.
Chương 2 giới thiệu phương pháp phân tích phổ gamma, các đặc trưng của hệ
phổ kế gamma phông thấp với đầu dị HPGe, trình bày các quy trình phân tích phóng
xạ. Phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ.
Chương 3 trình bày các kết quả thu được từ việc đo suất liều và phân tích phổ
gamma, xác định các đồng vị phóng xạ chứa trong mẫu cũng như hoạt độ riêng của
các đồng vị đó.


3

Chương 1. TỔNG QUAN

1.1. Phóng xạ và nguồn gốc phóng xạ
Phóng xạ là sự 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 [6].
Nguồn phóng xạ được chia thành hai loại, gồm nguồn phóng xạ tự nhiên và
nguồn phóng xạ nhân tạo. Nguồn phóng xạ nhân tạo do con người tạo ra bằng cách
chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc. Nguồn phóng xạ tự nhiên
(phơng phóng xạ tự nhiên) gồm các chất phóng xạ có nguồn gốc bên ngoài Trái Đất
như các tia vũ trụ và các chất phóng xạ có nguồn gốc từ Trái Đất như các nhân phóng
xạ có trong đất đá, trong khí quyển, trong nước.
1.1.1. Các nguồn gốc phóng xạ tự nhiên
Nguồn gốc phóng xạ tự nhiên gồm 2 nhóm sau: nhóm thứ nhất là nhóm các đồng
vị phóng xạ nguyên thủy có từ khi tạo thành Trái Đất, vũ trụ. Nhóm thứ hai là nhóm
đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ - được tia vũ trụ tạo ra. Các đồng vị phóng xạ
tự nhiên gồm cỡ 70 đồng vị, trong đó quan trọng nhất là các đồng vị 235U, 238U, 232Th
cùng các đồng vị con cháu trong dãy phân rã của chúng.
Nhóm đồng vị phóng xạ nguyên thủy
Các nhân phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại từ trước và khi
Trái Đất được hình thành. Đa số các nhân này có chu kỳ bán rã rất lớn, khoảng hàng
triệu năm. Tính từ khi Trái Đất được hình thành, những hạt nhân có chu kì bán rã lớn,
so sánh với tuổi của Trái Đất thì vẫn tồn tại như

238

U, 235U, 232Th, 40K. Ngoại trừ 40K,

các sản phẩm này không bền nên tiếp tục phân rã tạo thành ba họ phóng xạ trong tự
nhiên: thorium


232

Th (4n); uranium

238

U (4n+2); actinium

bày sơ đồ phân rã của ba họ phóng xạ trong tự nhiên.

235

U (4n+3). Hình 1.2 trình


4

Ba họ phóng xạ tự nhiên có các đặc điểm sau:
 Thành viên thứ nhất của mỗi họ là đồng vị phóng xạ sống lâu với thời gian bán
rã có thể so sánh với thời gian tồn tại của Trái Đất.
 Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, đây là một trong các lý
do chính gây nên phơng phóng xạ mơi trường. Chúng là các đồng vị khác nhau của
nguyên tố radon: trong họ uranium là

222

Rn (radon), trong họ thorium là

220


Rn

(thoron), trong họ actinium là 219Rn (action).
 Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ tự nhiên đều là chì: 206Pb trong họ
uranium, 207Pb trong họ actinium và 208Pb trong họ thorium.
Bảng 1.1 trình bày thống kê hoạt độ trung bình của các nhân phóng xạ tự nhiên
phổ biến nhất trong vỏ trái đất.
Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là

K, rất phổ biến trong môi trường

40

(hàm lượng K trong đất đá là 27g/kg và trong đại dương khoảng 380 mg/lít), trong
thực vật, động vật và cơ thể người (hàm lượng K trung bình trong cơ thể khoảng
1,7g/kg). Sơ đồ phân rã được thể hiện ở hình 1.1.

Hình 1.1. 40K phân rã β + và bắt electron tạo ra 40Ar và phân rã β − tạo ra 40Ca.


5

Chuỗi uranium

Con cháu của radon

Chuỗi thorium

Chuỗi actinium


Phân rã
alpha

Phân rã
beta

Hình 1.2. Chuỗi phân rã của 3 họ phóng xạ tự nhiên uranium, actinium và thorium.


6

Bảng 1.1. Hoạt độ phóng xạ của một số hạt nhân nguyên thủy [17].
Hạt nhân
238

U

235

U

Độ giàu trong tự nhiên
99,2745% uran tự nhiên

Th

≈ 0,7 pCi/g (25Bq/kg)

0,5 - 4,7 ppm trong đá

0,72% uran tự nhiên
1,6 - 20ppm trong đá thông thường

232

Hoạt độ

≈ 1,1 pCi/g (40 Bq/kg)

Trung bình khoảng 10,7ppm lượng
đá trên bề mặt Trái Đất
0,42 pCi/g (16 Bq/kg) trong

226

Ra

Có trong đá vơi và đá phun trào

đá vôi; 1,3 pCi/g (48Bq/kg)
trong đá phun trào
0,016 pCi/L (0,6 Bq/m3) đến

222

Rn

Là khí hiếm

0,75 pCi/L (28 Bq/m3) (28

Bq/m3) trong khơng khí

40

K

Có trong đất

1 - 30 pCi/g(0,037 -1,1Bq/g)

Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ:
Các bức xạ đến từ vũ trụ (chùm hạt photon năng lượng cao, hạt muon hay chùm
hạt nặng mang điện) tương tác với các hạt nhân trong tầng cao của lớp khí quyển trái
đất tạo ra các đồng vị phóng xạ khác nhau. Các hạt nhân này theo nước mưa đến bề
mặt Trái Đất.
Trong số các hạt nhân phóng xạ do bức xạ vũ trụ tạo ra, ba hạt nhân 3H, 14C và
Be là phổ biến nhất do có thời gian sống tương đối dài, có hoạt độ đáng kể nên có ý

7

nghĩa với các nghiên cứu về mơi trường. Bên cạnh đó một số hạt nhân phóng xạ khác
được tạo ra từ vũ trụ là: 10Be, 26Al, 36Cl, 80Kr, 14C, 32Si, 39Ar, 22Na, 35S, 37Ar, 33P, 32P,
38

Mg, 24Na, 38S, 31Si, 18F, 39Cl, 38Cl, 34mCl.
Bảng 1.2 đưa ra hoạt độ trung bình của các hạt nhân có nguồn gốc từ bức xạ vũ

trụ.



7

Bảng 1.2. Hoạt độ trung bình của một số hạt nhân phóng xạ phổ biến được tạo ra do
bức xạ vũ trụ [17].
Hoạt độ

Hạt nhân
14

C

6 pCi/g (0,22Bq/g) trong chất hữu cơ

3

H

0,032 pCi/kg (1,2.10-3 Bq/kg )

7

Be

0,27 pCi/kg (0,01 Bq/kg)

Khi các tia vũ trụ tương tác với các hạt nhân trong tầng cao của lớp khí quyển
trái đất, chúng tạo ra các nhân phóng xạ. Tuy nhiên, bản thân các tia vũ trụ cũng đóng
góp vào tổng liều hấp thụ của con người.
Có hai loại bức xạ vũ trụ: bức xạ vũ trụ sơ cấp và bức xạ vũ trụ thứ cấp.
Bức xạ vũ trụ sơ cấp: được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kỳ cao (lên đến

108 eV), đa phần là proton cùng với một số hạt nặng khác. Phần lớn các tia vũ trụ sơ
cấp đến từ bên ngoài hệ mặt trời và chúng cũng đã được tìm thấy trong khơng gian vũ
trụ. Một số ít bắt nguồn từ mặt trời do quá trình cháy sáng của hệ mặt trời.
Bức xạ vũ trụ thứ cấp: là các bức xạ tạo ra khi tia sơ cấp tương tác với các
nguyên tử của bầu khí quyển, đồng thời sinh ra các bức xạ năng lượng thấp, ánh sáng
thấy được, electron, nơtron. Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ có năng
lượng thấp hơn. Lớp khí quyển và từ trường trái đất có tác dụng như một vỏ bọc che
chắn các tia vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt trái đất.
1.1.2. Các nguồn phóng xạ nhân tạo
Lồi người đã sử dụng phóng xạ trong 100 năm trở lại đây và qua đó bổ sung
vào nguồn phóng xạ tự nhiên. Chúng chỉ là một lượng rất nhỏ so với lượng phóng xạ
có sẵn trong tự nhiên. Vì chu kỳ bán rã của chúng ngắn nên hoạt độ của chúng đã giảm
đáng kể từ khi ngừng thử vũ khí hạt nhân và phần nhỏ hơn nhiều là các nhà máy điện
hạt nhân. Những giới hạn phát thải được phép đối với nhà máy điện hạt nhân bảo đảm
chúng khơng gây tác hại gì. Hầu hết các chất phóng xạ sinh ra từ phân hạch hạt nhân
nằm trong chất thải phóng xạ và được lưu giữ cách biệt với mơi trường. Có khoảng
2000 đồng vị phóng xạ nhân tạo trong đó:


8

Vũ khí hạt nhân
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 235U và 239Pu.
Dấu hiệu của phản ứng nhiệt hạch là triti đi kèm các phản ứng phân hạch thứ cấp khi
neutron nhanh tương tác với 238U ở lớp vỏ bọc ngoài. Các đồng vị phóng xạ khác cũng
được tạo ra do kết quả của việc bắt neutron với các vật liệu làm bom và khơng khí
xung quanh. Một trong những sản phẩm quan trong nhất là

C được tạo ra do phản


14

ứng 14N (n,p)14C làm cho hàm lượng 14C trong khí quyển tăng gấp đơi vào giữa những
năm 1960.
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 mặt trái đất thì 3H và 14C đi vào các chu trình
khí quyển, thủy quyển và sinh quyển tồn cầu. Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào khí
quyển qua các vụ thử vũ khí hạt nhân là 3,107 Sv/người với 70% là 14C, các đồng vị
khác 137Cs, 90Sr, 95Zr và 106Ru chiếm phần còn lại.
Điện hạt nhân
Chương trình hạt nhân dân sự bắt đầu từ lò phản ứng Calder Hall 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 mơi trường đều từ các chu
trình nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ, nghiền uran, sản suất 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.
Tai nạn hạt nhân
Khoảng 150 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân đã xảy ra, lớn nhất là tai nạn
Chernobyl, 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.
Ngồi 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 đánh dấu.


9


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.
Bảng 1.3. Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên [23].
Hạt nhân
3

H

Chu kì bán rã

Nguồn tạo ra
Được tạo ra từ các vụ thử nghiệm và chế tạo vũ khí

12,3y

hạt nhân và từ các lò phản ứng phân hạch
Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí hạt nhân,

121

I

lị phản ứng phân hạch và từ việc điều trị bệnh ở

8,04d

tuyến giáp
129

I


137

1,57.107y

Cs

30,17y

Sr

28,78y

90

99

Tc

239

Pu

Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí hạt nhân,
lị phản ứng phân hạch
Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí hạt nhân,
lò phản ứng phân hạch
Sản phẩm phân hạch từ thử nghiệm vũ khí hạt nhân,
lị phản ứng phân hạch


5

2,11.10 y
2,41.104y

Sản phẩm của 99Mo, được sử dụng trong chuẩn đoán
bệnh
Được tạo ra khi neutron bắn phá 238U

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngồi nước
Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Vào những năm đầu của thế kỷ 20 việc nghiên cứu và đo đạc phóng xạ mơi
trường đầu tiên đã được tiến hành. Năm 1990, Geitel, người Đức và R Wilson C.T,
người Scotland đã độc lập khảo sát phóng xạ trong khơng khí và đã thu được các sản
phẩm phân rã của radon. Sau năm 1945, nhiều nước trên thế giới đã khảo sát mức độ
rơi lắng phóng xạ tồn cầu từ các vụ thử hạt nhân. Kết quả nhận được là khơng chỉ có
bức xạ bên ngồi có liên quan đến liều chiếu nhận được trên cơ thể sống mà cịn cả các
chất phóng xạ nhiễm bẩn cũng góp phần đáng kể vào liều chiếu này. Đến nay thì hầu


10

hết những nước phát triển cũng như nước đang phát triển đều có những nghiên cứu
đánh giá về phóng xạ môi trường từ tự nhiên như đất đá [7], [12], [13], vật liệu xây
dựng [5], nước đến thực phẩm tiêu dùng.
Planque (1997) [10] đã nghiên cứu về phóng xạ mơi trường với hệ phổ kế
gamma phông thấp HPGe. Tổng hợp kết quả thu được từ việc phân tích phổ gamma để
đưa ra thư viện các dữ liệu về vùng năng lượng trải dài từ 14 keV đến 7115,2 keV và
các đồng vị phóng xạ có trong phân tích mơi trường. Dựa vào những dữ liệu này có thể
dễ dàng phân tích các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo.

Akhtar, Tufail and Ashraf (2005) [7] đã khảo sát phóng xạ tự nhiên trên đất
nhiễm mặn tại vùng Pakka Anna của Pakistan. Việc phân tích phóng xạ được thực hiện
trên hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe. Kết quả đã xác định được hoạt độ riêng
của đồng vị phóng xạ tự nhiên U, Th và K, Cs dựa trên một số đỉnh năng lượng của
các đồng vị con cháu. Các chỉ số về suất liều hấp thụ, liều tương đương được tính tốn.
Các kết quả thu được được phân tích, đánh giá và so sánh với tiêu chuẩn quốc tế.
Argyrios Papadopoulos và các cộng sự (2012) [14] phân tích phóng xạ trong 23
mẫu đá granite lấy từ Atticocycladic Zone (Hy Lạp) bằng hệ phổ kế gamma với
detector HPGe thu được hoạt độ của 40K,

238

U và

Th. Việc tính tốn hoạt độ riêng

232

dựa trên sự cân bằng thế kỉ giữa hạt nhân mẹ và các hạt nhân con. Hoạt độ riêng của
U được tính dựa trên giá trị trung bình của

238

1001 keV). Chuỗi
con cháu là

234

Th (63 keV) và


234m

Pa ( 776 keV và

Th được tính dựa trên hoạt độ riêng trung bình của các đồng vị

232

228

Ac (911keV, 968 keV và 338 keV), 212Pb (238 keV và 300 keV), 212Bi

(727 keV) và 208Tl (2614 keV, 583 keV và 860 keV). Hoạt độ riêng của 40K được tính
dựa trên đỉnh 1461 keV. Suất liều hấp thụ, hoạt độ Ra tương đương cũng được tính và
so sánh với giá trị quốc tế.
Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Ở Việt Nam trong suốt hơn 50 năm qua, viện năng lượng nguyên tử, các trung
tâm hạt nhân, trung tâm môi trường cũng như một số trường đại học có hướng về Vật
lý hạt nhân đã thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu về phơng phóng xạ mơi trường. Đã thực
hiện các khảo sát phóng xạ thực hiện trên các mẫu đất đá, nước, khơng khí, thực phẩm.


11

Ở miền Nam, các nghiên cứu về phóng xạ mơi trường được bắt đầu vào những
năm 60 của thế kỷ 20 khi lò TRIGA MARK-II được xây dựng vào năm 1963 tại Đà
Lạt. Ở miền Bắc, vào những năm 1970, đoàn khảo sát của trường Đại Học Tổng Hợp
Hà Nội đã đo đạc phóng xạ mơi trường tại vùng sa khoáng ven biển Giao Thủy – Hải
Hậu – Nam Hà.
Vào đầu những năm 1980, đặc biệt là vào thời điểm có tai nạn hạt nhân

Chernobyl xảy ra, nhóm mơi trường thuộc phịng An tồn bức xạ hạt nhân ở Viện
nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã phát hiện các đồng vị 124Sb, 131I, 134Cs, 137Cs và một vài
đồng vị khác trong mẫu khơng khí tại Đà Lạt từ ngày 28 tháng 4 năm 1986 đến ngày 4
tháng 5 năm 1986 [5].
Cho đến nay các nghiên cứu chuyên sâu đã được triển khai và việc đo đạc các
chỉ số phóng xạ môi trường ở Việt Nam đã được tiến hành thường xuyên. Đối tượng
nghiên cứu là các mẫu đất đá, nước, vật liệu xây dựng và ngay cả trong thực phẩm [3],
[4], [5].
Thái Khắc Định, Trần Văn Luyến (2008) [5], khảo sát hoạt độ phóng xạ trong vật
liệu xây dựng có nguồn gốc Granite. Kết quả cho thấy phóng xạ trong đá tại Việt Nam
cao hơn so với một số nước.
Nguyễn Quốc Lợi (2011) [4] đã đánh giá hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong mẫu
đất ở Thừa Thiên Huế.
Nguyễn Ngọc Lệ (2013) [3] đã tiến hành phân tích xác định hoạt độ phóng xạ
riêng của các đồng vị phóng xạ trong 11 mẫu thực vật, kết quả cho thấy các đồng vị
phóng xạ tự nhiên trong các dãy phóng xạ tự nhiên khơng cân bằng phóng xạ. Trong
tất cả các mẫu đều phát hiện được đồng vị 5Be và 05 mẫu có chứa 137Cs.
Bộ Mơn Vật lý hạt nhân trường đại học Khoa học tự nhiên thuộc đại học Quốc
Gia - TP.HCM, từ khi có hệ đo phơng thấp HPGe và hệ đo anpha của hãng Canberra
năm 2003, đã thực hiện nhiều nghiên cứu về các đặc trưng đáp ứng của hệ đo, vị trí
mẫu khảo sát, sự tự hấp thụ trong mẫu và đã thực hiện khảo sát phóng xạ môi trường
trong đất, đá, nước, thực phẩm [2].


12

Chương 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Trong chương 2 tập trung vào các vấn đề xung quanh thực nghiệm như giới thiệu
phương pháp phân tích phổ gamma, các đặc trưng của hệ phổ kế gamma phơng thấp
HPGe, tóm tắt các quy trình thực nghiệm cũng như các phương pháp tính tốn.

Với mục đích của đề tài là phân tích các đồng vị phóng xạ và xác định hoạt độ
của các đồng vị trong mẫu có hoạt độ cao. Chúng tơi thực hiện những công việc sau:
- Đánh giá suất liều của mẫu đá dựa vào đầu dị Inspector+.
- Phân tích các đồng vị phóng xạ và hoạt độ dựa vào đo phổ gamma được thực
hiện trên hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe.
2.1. Phương pháp phân tích phổ gamma
Phương pháp phân tích phổ gamma cho phép xác định đồng vị phóng xạ cũng
như hoạt độ của mẫu cần phần tích. Hệ phổ kế gamma phụ thuộc vào loại đầu dò hạt
nhân, cũng như kỹ thuật che chắn phông nền. Để tăng độ chính xác trong việc xác định
đồng vị phóng xạ cũng như xác định hoạt độ, hệ đo cần có độ phân giải năng lượng tốt
cũng như hiệu suất ghi nhận cao.
Phương pháp đo phổ gamma có khả năng đo trực tiếp các tia gamma do các nhân
phóng xạ trong mẫu phát ra mà khơng cần tách các nhân phóng xạ ra khỏi chất nền của
mẫu, giúp xác định một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ trong mẫu.
Có thể sử dụng nhiều loại đầu dị khác nhau để đo bức xạ gamma nhưng hiện nay phổ
biến dùng các đầu dò Germani siêu tinh khiết (HPGe). Ưu điểm chính của phương
pháp này là có thể dễ dàng xác định chính xác năng lượng và cường độ của bức xạ
gamma, hiệu ứng tự hấp thụ bức xạ gamma ở trong mẫu có thể bỏ qua hoặc hiệu chỉnh
một cách đơn giản và chính xác.
Phương pháp phân tích phổ gamma được sử dụng để xác định các đồng vị phóng
xạ tự nhiên và nhân tạo cũng như xác định được hoạt độ phóng xạ của các đồng vị
phóng xạ trong mẫu. Với hệ phổ kế này hồn tồn có thể đáp ứng được nhiều yêu cầu
đòi hỏi trong nghiên cứu phóng xạ của mẫu đất , đá có hoạt độ cao.


13

2.2. Hệ phổ kế gamma phơng thấp

Hình 2.1. Hệ phổ kế gamma GC3520 đầu dò HPGe tại PTN Kỹ thuật Hạt nhân,

trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - ĐHQG TP.HCM.
2.2.1. Cấu trúc của hệ phổ kế gamma
Hình 2.1 trình bày hệ phổ kế gamma GC3520 đầu dò HPGe PTN Kỹ thuật Hạt
nhân, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQG TP.HCM được sử dụng để đo
mẫu đá cần phân tích phóng xạ. Các thiết bị trong hệ phổ kế gamma phơng thấp bao
gồm đầu dị HPGe, buồng chì che chắn và các khối điện tử.
2.2.1.1. Đầu dò gamma siêu tinh khiết HPGe
Đầu dò đo gamma HPGe được sử dụng trong luận văn này là đầu dò hiệu
GC3520, của hãng Canberra Industries Inc-Mỹ [19]. Sơ đồ cấu tạo của đầu dị được
trình bày trong hình 2.2. Đầu dị là tinh thể Ge, dạng đồng trục, loại n, được phủ lớp


14

lithium mặt ngồi dày 0,5 mm (đóng vai trị n+), và lớp bên trong boron dày 0,3µm
(vai trị p+). Dãy năng lượng đầu dò đo được từ 40 keV đến 10 MeV. Đường kính đầu
dị 76 mm. Và đầu dị cũng kèm theo một số thiết bị như: bình chứa nitơ lỏng để đầu
dò hoạt động ở nhiệt độ thấp, thiết bị cảnh báo hết nitơ lỏng, một bộ bơm nitơ lỏng
(bình khí nitơ, van giảm áp, một số dụng cụ chuyển nitơ lỏng, một bình chứa cách
nhiệt dung tích 30 lít).
Hoạt động của đầu dị HPGe: khi một bức xạ ion hóa đi vào đầu dị, nó sẽ tương
tác với đầu dò và tạo nên electron tự do và lỗ trống. Với điện trường áp vào (cao thế áp
vào) các electron tự do/lỗ trống di chuyển đến các điện cực n+(Li)/p+(boron) tương
ứng, hình thành dịng điện.

Hình 2.2. Cấu trúc đầu dò GC3520 [19]


15


2.2.1.2. Buồng chì bảo vệ
Buồng chì được làm từ vật liệu có khả năng loại phơng (chì phơng thấp, lót đồng
và thiếc sạch bên trong). Chì là loại vật liệu có Z cao nên có khả năng hấp thụ tia
gamma trong mơi trường và làm giảm phơng cho đầu dị hạt nhân. Tương tác của tia
gamma với chì tạo ra các tia X có năng lượng trong khoảng (

) keV. Các tia X

này có thể được đầu dị ghi nhận và làm cho phổ gamma bị nhiễu. Vì vậy, ngồi lớp
chì dày thì mặt trong lớp chì có phủ lớp đồng, dưới lớp đồng là lớp thiếc. Hai lớp này
dùng để giảm (hấp thụ) tia X phát ra từ chì.
Buồng chì trong luận văn này là buồng chì của hãng Canberra Industries Inc, với
mã thiết bị là 747 [20]. Hình 2.3 mơ tả các thơng số kích thước của buồng chì 747.

Hình 2.3. Cấu trúc buồng chì 747 [20].