Nghiên cứu đo liều bức xạ Anpha trong mẫu gốm cổ

Nghiên cứu đo liều bức xạ Anpha trong mẫu gốm cổ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH ______________________________ ĐẶNG THỊ KIẾN TRÚC NGHIÊN CỨU ĐO LIỀU BỨC XẠ ANPHA TRONG MẪU GỐM CỔ BẰNG ĐỀTECTƠ NHIỆT HUỲNH QUANG LiF (Mg, Cu, P) Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN QUANG MIÊN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2010 THƯ VIỆN LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng kính ơn đến bậc sinh thành, những người đã có công nuôi dưỡng và tạo mọi điều kiện để tôi ăn học thành người. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn:  TS Nguyễn Quang Miên người thầy đã giảng dạy tôi những năm cao học và đã tận tình hướng dẫn cho tôi hoàn thành luận văn này.  Ban Lãnh đạo và các Anh Chị Viện khảo cổ học Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn.  Th.S Hoàng Đức Tâm người đã giúp đỡ và cho tôi những góp ý quý báu.  Thầy phản biện đã dành hiều thời gian quý báu để đọc và đóng góp nhiều ý kiến để luận văn được hoàn thiện.  Tập thể các thầy, cô trong Khoa vật lý dạy dỗ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Cuối cùng xin được cám ơn tất cả các bạn thuộc Khoa Vật Lý, các bạn cao học khóa 18 và các đồng nghiệp đã đóng gớp ý kiến cho tôi hoàn thành luận văn này. MỞ ĐẦU Nhiệt huỳnh quang là hiện tượng vật liệu sau khi bị chiếu xạ có khả năng phát ra các lượng tử ánh sáng trong miền khả kiến khi được kích thích nhiệt. Hiệu ứng này đã được nghiên cứu ứng dụng trong đo liều bức xạ hạt nhân và kiểm soát an toàn bức xạ. Đặc biệt nó cũng được sử dụng nhiều trong đo liều bức xạ môi trường và tính tuổi cổ vật. Trên thế giới, ở các nước có trình độ khoa học công nghệ cao (Mỹ, Pháp, Anh, Trung Quốc, Thái Lan…) phương pháp này rất được quan tâm nghiên cứu phát triển và được coi như là một trong những phương pháp có khả năng chỉ thị niên đại cổ vật hữu hiệu với độ tin tưởng cao. Trong đo tuổi nhiệt nhuỳnh quang, mỗi bức xạ hạt nhân ở môi trường khác nhau có khả năng gây ra các tác dụng liều chiếu xạ khác nhau và cần phải được ghi nhận cụ thể. Dựa trên nhu cầu thực tế và trang thiết bị hiện có, chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu xác định liều bức xạ anpha hàng năm trong mẫu gốm bằng vật liệu LiF: Mg,Cu,P” làm đề tài luận văn thạc sỹ của mình. Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận được kết cấu như sau: Chương 1: Tổng quan về phương pháp. Chương 2:Thực nghiệm xác định liều bức xạ anpha trong mẫu gốm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Đề tài luận văn được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 10/2009 đến tháng 6/1010 tại Phòng thí nghiệm và xác định niên đại – Viện khảo cổ học Việt Nam. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP 1.1. Cơ sở khoa học của phương pháp 1.1.1. Hình thành các nguyên tố phóng xạ trong môi trường tự nhiên Như đã biết, từ các sao bụi của các vụ nổ của các ngôi sao, khoảng 4,5 tỉ năm trước đây đã hình thành mặt trời và hệ thống hành tinh của chúng ta. Trong đám tro bụi đó, có một lượng rất lớn các nguyên tố phóng xạ. Theo thời gian, đa số các nguyên tố phóng xạ này phân rã và trở thành những nguyên tố bền vững. Chúng là thành phần vật liệu chính của hệ thống hành tinh chúng ta hiện nay. Tuy nhiên trong vỏ trái đất vẫn còn những nguyên tố phóng xạ là uranium, thorium, con cháu của chúng và một số nguyên tố khác. Các nguyên tố phóng xạ này cùng với sản phẩm phân rã của chúng là nguồn bức xạ ion hóa tự nhiên chủ yếu tác dụng lên mọi sinh vật trên trái đất. Trong tự nhiên tồn tại rất nhiều nguyên tố phóng xạ nhưng phổ biến nhất là uran, thori, kali, radi, radon… Đối với các mẫu vật dùng đo tuổi nhiệt phát quang, liều ion hóa hằng năm trong chúng gần như đều được gây bởi từ những nguyên tố này, chỉ có khoảng một vài phần trăm còn lại được sinh ra từ nguyên tố rubidi và tia vũ trụ… Uranium gồm các đồng vị: U 238 chiếm 93% uranium thiên nhiên, U 235 chiếm 0,7%, và U 234 chiếm khoảng 0,005%, U 238 và U 234 là các đồng vị phóng xạ thuộc họ uranium, còn U 235 là đồng vị phóng xạ thuộc họ Actinium. Các nguyên tố phóng xạ trong đất đá chủ yếu được tạo thành từ ba dãy phóng xạ U 238 , U 235 , và Th 232 có thể tóm lược như trong bảng 1.1 sau: Bảng 1.1: Sơ đồ chuỗi phóng xạ tự nhiên thorium và uranium Chuỗi Th-232 Chuỗi U-238 Chuỗi U-235 Hạt nhân Thời gian bán rã Hạt nhân Thời gian bán rã Hạt nhân thời gian bán rã Th -232 14x10 9 năm U-238 4,47x10 9 năm U-235 0,704x10 9 năm 1α 1α, 2β 1α,1β Ra -228 6,7 năm U-234 245x10 3 năm Pa-231 32,8x10 3 năm 1α Th-230 75x10 3 năm 1α, 2β 1α 2α,1β Ra -224 3,6 ngày Ra-226 1600 năm Ra-223 11,4 ngày 1α 1α 1α Rn -220 55 giây Rn-222 3,82 ngày Rn-219 4 giây 2α, 2β 3α, 2β 1α 1α Pb-210 22 năm Po-215 1,8x10 -3 giây Po-216 0,16 giây 2β Po-210 138 ngày 1α 2α, 2β Pb-208 Bền Pb-206 Bền Pb-207 Bền Trong tự nhiên, ngoài ba dãy phóng xạ trên còn một số các nguyên tố phóng xạ tự nhiên khác không tạo thành dãy phóng xạ như K 40 . Ngoài ra, còn có các đồng vị C 14 , H 3 , Cs 137 … Đây là loại đồng vị được hình thành do sự tương tác giữa tia vũ trụ với những nguyên tố trong khí quyển. Như vậy, các nguyên tố phóng xạ có khắp nơi trên trái đất, trong đất đá, nước và trong không khí. Các đồng vị phóng xạ này cùng với các con cháu của chúng là nguồn gốc chính của sự bức xạ tự nhiên tác dụng lên các sinh vật trên trái đất. Theo nguồn gốc, chúng có thể phân chia thành 3 loại: - Loại nguyên tố phóng xạ có trong đất đá. - Loại nguyên tố phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ. - Loại nguyên tố phóng xạ do hoạt động của con người tạo ra. Các hạt nhân phóng xạ được tạo thành và tồn tại trong đất đá, nước và trong không khí thậm chí trong cơ thể chúng ta. Theo cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA), trong 1kg đất có thể chứa 3 đồng vị phóng xạ tự nhiên với hàm lượng trung bình như sau: 370Bq K 40 (100-700Bq) 25Bq Ra 226 ( 10- 50 Bq) 25 Bq U 238 ( 10 – 50 Bq) 25 Bq Th 232 (7 – 50 Bq) 1.1.2. Phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đất đá Hoạt độ phóng xạ trong đất đá được hình thành từ những nguồn phóng xạ có sẵn trong tự nhiên và các nguồn phóng xạ do hoạt động của con người tạo ra. Các nguyên tố phóng xạ tích tụ trong đất đá và thường không đồng đều giữa các vùng trên trái đất. Chẳng hạn, ở nước ta, một số nơi như Quảng Nam, Cao Bằng, Lai Châu có lượng quặng phóng xạ khá lớn nên cường độ phóng xạ trung bình tại những nơi đó cao hơn nhiều lần so với hoạt độ trung bình của môi trường toàn quốc. Lượng hoạt độ phóng xạ của một số nguyên tố trong đất được chỉ trong Bảng 1.2. Bảng 1.2: Hoạt độ phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ trong đất [7] Nguyên tố phóng xạ Hoạt độ trung bình Tổng khối lượng nguyên tố phóng xạ Tổng hoạt độ trong toàn bộ thể tích đất Uranium 0,7pCi/g (25Bq/kg) 2200kg 0,8Ci (31GBq) Thorium 1,1pCi/g (40Bq/kg) 12000kg 1,4 Ci (52 GBq) Potassium-40 11pCi/g (400Bq/kg) 2000kg 13 Ci (500 GBq) Radium 1,3pCi/g (48Bq/kg) 1,7g 1,7 Ci (63,GBq) Radon 0,17pCi/g (10Bq/kg) 11 μ g 0,2 Ci (7,4 GBq) Các đồng vị phóng xạ nhân tạo như H 3 (12,3 năm), I 129 ( 1,57x10 7 năm), Cs 137 (30,17 năm), Sr 90 (28,78 năm), Tc 99 (2,11 x 10 5 năm), Pu 239 (2,41 x 10 4 năm) có thời gian sống dài, do vậy nếu bị đưa ra môi trường sẽ tích tụ lâu dài trong đất và gây ra phông phóng xạ cao, đặc biệt khi bị động vật, thực vật hấp thụ qua trao đổi chất. Và con người khi sử dụng các sản phẩm dinh dưỡng từ động thực vật đó cũng sẽ bị nhiễm phải những liều lượng phóng xạ nhất định. 1.1.3. Hệ thống các đơn vị đo liều phóng xạ Liều chiếu và suất liều chiếu: - Liều chiếu: Đối với tia X, tia gamma là tổng số điện tích ion cùng dấu được sinh ra khi tất cả các hạt tích điện (electron và ion dương) được giải phóng bởi photon trong một thể tích không khí chia cho khối lượng không khí của thể tích đó, theo công thức: ch dQ D = dm (1.1) Trong đó: dQ: Tổng số điện tích sinh ra trong một thể tích khí. dm: Khối lượng thể tích không khí đó. - Suất liều chiếu: Là giá trị liều chiếu tính trong một đơn vị thời gian. Các đơn vị thường dùng: liều chiếu (R, rad, rem, Sv…); suất liều (R/ giờ, rad/giờ, rem/giờ, Sv/giờ…). Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ: - Liều hấp thụ: là năng lượng bị hấp thụ trên đơn vị khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ, theo công thức: ht dε D = dm (1.2) Trong đó: dε : là năng lượng truyền trung bình của bức xạ ion hóa cho vật chất có khối lượng dm. - Suất liều hấp thụ: là giá trị liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Đơn vị liều hấp thụ là Gray, ký hiệu Gy. 1Gy = 1J/1kg = 100rad. 1rad = 100erg/g (1 rad là một lượng bức xạ đi qua vật chất truyền năng lượng 100erg cho 1g vật chất). Liều tương đương và hệ số phẩm chất: - Hệ số phẩm chất: Mỗi loại bức xạ đặc trưng bởi một đại lượng có tên gọi là hệ số phẩm chất, ký hiệu là Q (Bảng 1.3). - Liều tương đương: Bằng hệ số phẩm chất Q nhân với liều hấp thụ. - Đơn vị là rem. 1rem = 1rad x Q. Trong hệ SI, liều tương đương sinh học có tên là Sievert(Sv). 1Sv = 1Gy x Q = 100rem. Bảng 1.3: Hệ số phẩm chất của các loại bức xạ Các loại bức xạ và năng lượng Hệ số phẩm chất Q Photon (X, γ ) mọi năng lượng 1 Electron và hạt muyon( μ ) mọi năng lượng 1 Nơtron năng lượng <10Kev 5 Nơtron năng lượng 10Kev-100Kev 10 Nơtron năng lượng 100Kev-2Mev 20 Nơtron năng lượng 2Mev-20Mev 10 Nơtron năng lượng >20Mev 5 Photon năng lượng >2Mev 5 Hạt ( α ), mảnh phân hạch, hạt nặng 20 1.2. Liều bức xạ 1.2.1. Tác dụng của các tia bức xạ đối với sức khỏe của con người Tác dụng sinh học của bức xạ hạt nhân có nhiều hình thức khác nhau, đối với sức khỏe con người thì quan trọng nhất là các dạng có thể xuyên qua cơ thể và gây ra hiệu ứng ion hóa. Nếu bức xạ ion hóa thấm vào các mô sống, các ion được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình thường. Tiếp xúc với bất kỳ loại nào trong số các loại bức xạ ion hóa, bức xạ anpha, beta, các tia gamma, tia X và nơtron đều có ảnh hưởng đến sức khỏe. Trong môi trường vật chất, bức xạ anpha không có khả năng truyền xa, chúng sẽ bị cản lại toàn bộ bởi một lớp giấy mỏng hoặc bởi lớp màng ngoài của da. Tuy nhiên, nếu một chất phát tia anpha được đưa vào trong cơ thể, nó sẽ phát ra năng lượng tác dụng vào các tế bào xung quanh. Ví dụ trong phổi, nó có thể tạo ra liều chiếu trong đối với các mô nhạy cảm, mà các mô này thì không có lớp bảo vệ bên ngoài giống như da. 1.2.2. Ý nghĩa của xác định liều bức xạ anpha trong nghiên cứu phóng xạ môi trường và khảo cổ học Như đã biết, bức xạ phóng xạ có khắp nơi trên trái đất, vì vậy việc xác định liều bức xạ là nhiệm vụ có ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm soát các nguồn phóng xạ và đo liều trong y tế và môi trường hay xác định tuổi cổ vật. Để xác định tuổi cổ vật bằng gốm, có thể dùng phương pháp nhiệt huỳnh quang, do bởi trong mẫu gốm luôn có các hạt khoáng nhiệt huỳnh quang khi nung nóng hạt khoáng đến nhiệt độ xác định thì chúng sẽ phát ra. Nghĩa là, quá trình tích lũy liều trong mẫu gốm chỉ bắt đầu sau khi nung, dựa vào đặc tính này, người ta có thể xác định được niên đại của vật cổ theo phương trình sau α β γ c P t = D +D +D +D (1.3) Trong đó: P: là liều tích lũy trong mẫu (Gy) α β γ c D ,D ,D ,D tương ứng là suất liều hằng năm của các tia anpha, beta, gamma và vũ trụ lên mẫu (Gy/năm) [8] Phương trình 1.3 cho thấy xác định liều bức xạ anpha trong mẫu gốm là nhiệm vụ không thể thiếu trong đo tuổi mẫu gốm cổ bằng phương pháp nhiệt huỳnh quang. 1.2.3. Phân bố các nguyên tố phóng xạ và liều bức xạ anpha trong mẫu gốm cổ Trong đất đá có các nguyên tố phóng xạ urani, thori và kali…Mẫu gốm khi bị chôn vùi trong đất đá sẽ bị chiếu xạ bởi các nguyên tố phóng xạ trên. Khi phân rã, các nguyên tố này phát ra các bức xạ anpha, beta và gamma. Cả 3 loại bức xạ này đều tham gia vào quá trình gây liều tích lũy lên các vật liệu nhiệt huỳnh quang nhưng với mức độ khác nhau. Hình 1.1 và 1.2 bên dưới mô tả tác động của các bức xạ này ở các mức độ khác nhau. Hình 1.1: Mô hình tương tác gây liều bức xạ ion hóa trong hạt vật liệu có kích thước > 5mm D d > 5mm α D β D α β γ D +D +D β γ D + D γ D Hình 1.2: Mô hình tương tác gây liều bức xạ ion hóa trong hạt vật liệu có kích thước < 1mm α α D ,P : Mô tả tác dụng của bức xạ  β β D ,P : Mô tả tác dụng của bức xạ β γ γ D ,P Mô tả tác dụng của bức xạ γ Từ những hình trên chúng ta có một số nhận xét sau: - Bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên lớn và nó được coi như có tác dụng đồng nhất trong toàn bộ vật liệu. Bán kính tác dụng của nguồn bức xạ gamma trong môi trường đất đá khoảng 30cm. - Bức xạ beta có khả năng đâm xuyên kém hơn có tác dụng lên toàn bộ vật liệu, song chúng không hoàn toàn như nhau. - Bức xạ anpha có khả năng đâm xuyên kém nhất, nó chỉ có tác dụng ở lớp vỏ ngoài của vật liệu. Về khả năng tác dụng ion hóa của bức xạ anpha,beta và gamma trên khoáng vật thạch anh hình cầu được mô tả trong hình vẽ sau: [3] β γ P P d < 1mm α P Pα β D + Dγ α β γ D + D +D [...]... quan tâm nghiên cứu của luận văn - Nghiên cứu giải pháp gia công và chế tạo mẫu đo trên mẫu gốm - Xây dựng cấu hình phép đo tín hiệu nhiệt huỳnh quang trên hệ đo RGD-3A - Xử lí tín hiệu, tính liều bức xạ anpha trong mẫu gốm và đề xuất giải pháp nghiên cứu trong thời gian tới CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ XÁC ĐỊNH LIỀU BỨC XẠ ANPHA TRONG MẪU GỐM Quá trình thực nghiệm được tiến hành qua các giai đo n sau:... chung về đo liều anpha trong mẫu gốm Có thể đo liều bức xạ anpha bằng đềtectơ nhiệt huỳnh quang, song cần có một số điều kiện đặc biệt, bởi vì quãng chạy của hạt anpha rất nhỏ nên muốn chúng đi vào đềtectơ thì phải có màng rất mỏmg phủ bên ngoài đềtectơ nhiệt huỳnh quang sao cho gần như mọi bức xạ anpha có thể đi qua Ngoài ra, cũng cần phải lưu ý khi dùng màng mỏng sẽ đo được cả bức xạ anpha và bức xạ beta... khá đắt tiền + Đo liều anpha trong mẫu gốm bằng liều kế nhiệt huỳnh quang, phương pháp này mang lại độ chính xác cao cho phép đo, giảm giá thành công tác và tăng thêm tính chủ động trong đo tuổi vật cổ bởi nó sử dụng ngay thiết bị đo đạc này Những giải pháp chủ yếu đo liều anpha trong mẫu gốm bằng đêtectơ nhiệt huỳnh quang như sau: Bột nhiệt huỳnh quang được đặt trực tiếp vào mẫu gốm cần đo, song giải... giai đo n sau: - Gia công chế tạo mẫu đo - Xây dựng cấu hình phép đo trên hệ đo RGD-3A - Đo bức xạ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P trên hệ đo RGD-3A - Xử lí số liệu đo 2.1 Gia công chế tạo mẫu đo 2.1.1.Gia công mẫu gốm - Bước 1: Lựa chọn mẫu gốm Để thuận tiện cho việc gia công chế tạo mẫu, chúng tôi chọn những mẫu có khối lượng lớn, độ nung không cao, dễ gia công Những mẫu này được sưu tầm ở những khu... được làm đầy trong các buồng chiếu cùng với các liều kế nhiệt huỳnh quang được đặt tại tâm buồng, Khi đó, các bức xạ anpha, bêta phát ra từ mẫu gốm sẽ tạo ra liều tích lũy trên vật liệu nhiệt huỳnh quang 2.1.2 Xử lí nhiệt độ và chuẩn liều chiếu xạ Cũng như các giải pháp đo liều khác, để có thể xác định được giá trị liều chiếu xạ trong các mẫu gốm cũng cần phải thực hiện chuẩn liều chiếu xạ cho các đềtectơ... khi đo lặp lại nhiều lần một phép đo Ngoài ra, vấn đề hiệu chỉnh tác động gây liều của tia bêta trong bột nhiệt huỳnh quang cũng cần phải đặt ra Trước đây, trong một số nghiên cứu về đo liều nhiệt huỳnh quang Valladas đã đề suất giải pháp đo liều bêta trong mẫu gốm như sau: Hộp đựng mẫu bột gốm được làm bằng chất dẻo có bề dày chừng 0,5mm, hình trụ tròn đường kính trong 3cm, chiều cao 5cm như trong. .. và hiệu quả của kỹ thuật nhiệt huỳnh quang trong đo liều bức xạ môi trường, đo liều y tế cũng như trong việc xác định tuổi các vật cổ Bên cạnh vấn đề này, các nhà khoa học trong nước còn đặc ra nhiệm vụ nghiên cứu về các loại vật liệu nhiệt huỳnh quang sao cho có độ ổn định và độ lặp lại cao, gớp phần mở ra hướng ứng dụng vào trong đo liều xạ trị cũng như đo liều cá nhân (Huỳnh Kỳ Hạnh ,Phan tiến Dũng... ẩm lên quá trình đo đạt liều bức xạ Bảng 2.1: Các mẫu gốm được chọn làm thí nghiệm Thứ tự 1 G1-CL 2 G2-DT 3 G3-ĐTr 4 G4-DL 5 G5-LL Mô tả mẫu Tên mẫu Địa điểm lấy mẫu Đặc điểm Xã Cổ Loa, Huyện Đông Anh, Hà Mẫu là những mảnh đồ gốm màu Nội nâu nhạt Di tích Dục Tú, xã Dục Tú, Huyện Mẫu là những mảnh đồ gốm màu Đông Anh, Hà Nội nâu nhạt Làng gốm Đông Triều, Huyện Mẫu là những mảnh đồ gốm màu Đông Triều,... tố phóng xạ có trong mẫu gốm Đây là phương pháp có độ chính xác cao, nhưng khó khăn là cần phải có lượng mẫu gốm lớn và thực tế là không phải lúc nào cũng có khối lượng mẫu cần thiết, đặc biệt là đối với loại gốm cổ + Cũng có thể đo hoạt độ anpha trong mẫu gốm bằng đêtectơ nhấp nháy lỏng, tuy nhiên phương pháp này cần một chế độ gia công mẫu khá phức tạp và đặc biệt là cần một hệ thiết bị đo khá đắt... như trong Hình 2.3 Hộp chứa mẫu Bột mẫu gốm Ống capsule Vật liệu nhiệt huỳnh quang Hình 2.3 Sơ đồ hộp chiếu mẫu theo phương pháp Valladas Gần đây, cũng đã có một số đề xuất đo liều bức xạ anpha trong mẫu gốm bằng đềtectơ màng mỏng Đó là sử dụng một lớp màng polime mỏng để bảo vệ lớp bột mẫu nhiệt huỳnh quang khỏi tác động của độ ẩm môi trường, song vẫn có thể cho bức xạ anpha đi qua được Đây cũng là . tính liều bức xạ anpha trong mẫu gốm và đề xuất giải pháp nghiên cứu trong thời gian tới. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ XÁC ĐỊNH LIỀU BỨC XẠ ANPHA TRONG. nguyên tố phóng xạ và liều bức xạ anpha trong mẫu gốm cổ Trong đất đá có các nguyên tố phóng xạ urani, thori và kali Mẫu gốm khi bị chôn vùi trong đất đá