đánh giá suất liều môi trường của một số đồng vị phóng xạ trong đất bằng mcnp5

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận tôi luôn nhận được sự giúp đỡ to lớn từ gia đình, thầy cô, các anh chị và bạn bè. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến cô Trương Thị Hồng Loan, cô đã luôn bên cạnh tận tình chỉ dạy kiến thức, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu và cung cấp tài liệu giúp tôi hoàn thành khóa luận. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến anh Đặng Nguyên Phương, anh Vũ Ngọc Ba, chị Trần Ái Khanh, các anh chị đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình viết chương trình mô phỏng MCNP và chạy chương trình. Tôi xin gửi lời cảm ơn các anh chị Phòng thí nghiệm kỹ thuật hạt nhân – Trường đại học Khoa học tự nhiên, đặc biệt là anh Huỳnh Đình Chương, chị Trần Kim Tuyết đã giúp đỡ tôi trong giai đoạn đầu của khóa luận. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cô Lưu Đặng Hoàng Oanh và cô Nguyễn Hoàng Anh vì đã đọc và đưa ra những góp ý quan trọng cho cuốn khóa luận này. Và sau cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, các thầy cô, các anh chị trong bộ môn Vật lý hạt nhân và các bạn lớp 10VLHN đã giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành khóa luận. Tp. Hồ Chí Minh, mùa mưa, năm 2014 Sinh Viên Lại Viết Hải i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. viii MỞ ĐẦU… 1 CHƯƠNG 1. PHNG X MÔI TRƯỜNG 3 1.1. Hiện tượng phân rã phng xạ 3 1.1.1. Định ngha 3 1.1.2. Quy luật phân rã hạt nhân. 3 1.2. Phân bố phóng xạ trong tự nhiên 4 1.3. Tác dụng của tia bức xạ với sức khỏe con người 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHÉP TÍNH LIỀU 8 2.1. Hệ số suy giảm tuyến tính và suy giảm khối 8 2.2. Quãng đường tự do trung bình 9 2.3. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ. 9 2.3.1. Liều hấp thụ. 9 2.3.2. Suất liều hấp thụ 10 2.4. Liều chiếu và suất liều chiếu. 11 2.4.1. Liều chiếu. 11 2.4.2. Suất liều chiếu. 11 2.5. Liều tương đương và suất liều tương đương 11 ii 2.5.1. Liều tương đương 11 2.5.2. Suất liều tương đương. 12 2.6. Liều hiệu dụng 13 CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP VÀ PHANTOM MIRD-5 14 3.1. Chương trình MCNP 14 3.1.1. Phương pháp Monte Carlo. 14 3.1.2. Chương trình MCNP. 14 3.1.3. Ước lượng sai số trong MCNP. 17 3.2. Phantom MIRD-5. 20 3.2.1. Cấu tạo 20 3.2.2. Mô tả cơ thể của phantom. 21 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 27 4.1. Hình học và thành phần của nguồn 27 4.1.1. Hình học của vùng nguồn 27 4.1.2. Thành phần của vùng nguồn 28 4.2. Hệ số chuyển đổi liều tương đương trong cơ quan hoặc mô và hệ số liều hiệu dụng của các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K. 29 4.2.1. Mô phỏng hệ số chuyển đổi liều tương đương trong cơ quan hoặc mô của chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K 29 4.2.2. Nội suy hệ số chuyển đổi liều tương đương trong cơ quan hoặc mô của các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K từ hệ số liều của 12 nguồn đơn năng trong FGR-12 bằng đa thức nội suy Lagrange bậc 3. 30 4.3. Tính suất liều tương đương trong cơ quan hoặc mô và suất liều hiệu dụng của các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K ở Đắk Lắk. 31 iii 4.4. Kết quả và thảo luận 31 4.4.1. Tính toán hệ số chuyển đổi liều tương đương trong cơ quan hoặc mô của các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K bằng phương pháp mô phỏng và phương pháp nội suy 31 4.4.2. Kết quả tính suất liều tương đương trong cơ quan hoặc mô và liều hiệu dụng trung bình hằng năm của các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K trong các mẫu đất ở Đắk Lắk. 35 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 44 PHỤ LỤC 46 iv DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Ý nghĩa W r Trọng số bức xạ W T Trọng số mô   Trị trung bình R Sai số tương đối N Số lịch sử n Neutron p Photon e Electron j Chỉ số cell  Nồng độ của chất phóng xạ trong đất m Số vật chất trong cell H T Liều tương đương trong mô hoặc cơ quan T D Liều hấp thụ D T,r Liều hấp thụ trung bình của bức xạ R trong mô hoặc cơ quan T µ Hệ số suy giảm tuyến tính µ m Hệ số suy giảm khối λ  Hằng số phân rã (chương 1)  Quãng chạy tự do trung bình (từ chương 2 trở về sau) E TB Năng lượng trung bình của chuỗi đồng vị phóng xạ v Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt FGR-12 Federal Guidance Report No.12 Bảng báo cáo số 12 của Cơ quan năng lương nguyên tử Anh ICRP International Commission on Radiological Protection Ủy ban quốc tế về bảo vệ bức xạ MIRD-5 Medical Internal Radiation Dose Committee Pamphle No.5 Tên một loại phantom lưỡng tính, dùng để đánh giá suất liều trong y học MCNP Monte Carlo N-Particle Chương trình mô phỏng vận chuyển hạt loại N vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Hệ số suy giảm khối µ/ρ [cm 2 /g] của được xác định trong không khí và đất. 9 Bảng 2.2. Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ 12 Bảng 2.3. Các trọng số mô đặc trưng cho các mô trong cơ thể W T (ICRP-1990). 13 Bảng 3.1. Các loại tally tính toán. 17 Bảng 3.2. Ý ngha sai số tương đối R trong MCNP 19 Bảng 3.3. Thành phần cơ bản trong các mô trong phantom trẻ em 24 Bảng 3.4. Thành phần trong các mô của các phantom trừ phantom trẻ em. 25 Bảng 3.5. Các thành phần vật chất trong xương ở trẻ sơ sinh và người trưởng thành 26 Bảng 4.1. Bán kính cực tiểu của vùng không khí và độ dày lớp đất cực tiểu của 12 mức năng lượng từ 0,01 MeV đến 5 MeV. 28 Bảng 4.2. Thành phần không khí và đất 28 Bảng 4.3. Nồng độ phóng xạ trong các mẫu đất ở Đắk Lắk. 31 Bảng 4.4. Hệ số chuyển đổi liều tương đương trong cơ quan hoặc mô chiếu xạ từ chuỗi 232 Th. 33 Bảng 4.5. Hệ số chuyển đổi liều tương đương trong cơ quan hoặc mô chiếu xạ từ chuỗi 238 U 34 Bảng 4.6. Hệ số chuyển đổi liều tương đương trong cơ quan hoặc mô chiếu xạ từ đồng vị 40 K. 35 vii Bảng 4.7. Suất liều tương đương trong cơ quan hoặc mô chiếu xạ từ các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K trong mẫu đất BB ở Đắk Lắk. 36 Bảng 4.8. Suất liều tương đương trong cơ quan hoặc mô chiếu xạ từ các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K trong mẫu đất BEB ở Đắk Lắk. 37 Bảng 4.9. Suất liều tương đương trong cơ quan hoặc mô chiếu xạ từ các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K trong mẫu đất BR ở Đắk Lắk. 38 Bảng 4.10. Suất liều tương đương trong cơ quan hoặc mô chiếu xạ từ các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K trong mẫu đất CP ở Đắk Lắk 39 Bảng 4.11. Suất liều tương đương trong cơ quan hoặc mô chiếu xạ từ các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K trong mẫu đất T1 ở Đắk Lắk. 40 Bảng 4.12. Liều hiệu dụng trung bình hằng năm chiếu xạ từ các chuỗi 232 Th, 238 U và 40 K trong các mẫu đất ở Đắk Lắk. 41 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 3.1. Hệ trục tọa độ của phantom 22 Hình 3.2. Các cơ quan bên trong của phantom người trưởng thành 23 Hình 4.1. Mô hình tính toán liều 27 1 MỞ ĐẦU Con người chúng ta sống trong một môi trường mà phông phóng xạ hiện diện khắp nơi. Hơn 60 đồng vị phóng xạ được tìm thấy trong tự nhiên có nguồn gốc trong ba loại chính sau đây:  Nguyên thủy – từ khi Trái đất được hình thành nên.  Nguồn gốc vũ trụ - được hình thành nên từ kết quả tương tác giữa các tia vũ trụ với bầu khí quyển Trái đất.  Nhân tạo – do con người tạo ra (chiếm một lượng rất ít so với tự nhiên). Các đồng vị phóng xạ được tìm thấy trong đất, nước và không khí, thậm chí chúng được tìm thấy trong cơ thể của chúng ta. Mỗi ngày chúng ta ăn, uống và hít các đồng vị phóng xạ từ thực phẩm, nước uống và không khí. Phóng xạ có ở mọi nơi, trong đất, đá, trong các sông ngòi và đại dương, trong vật liệu xây dựng và nhà cửa. Không c nơi nào mà không tìm thấy phóng xạ. Chính vì lý do đ, nên việc xác định liều lượng bức xạ mà cơ thể con người hấp thụ là một điều quan trọng. Đây cũng là mục đích của khóa luận này. Việc nghiên cứu tính liều cơ quan trong cơ thể người (liều hiệu dụng, liều tương đương…) đối với sự chiếu xạ ngoài của bức xạ gamma từ những môi trường đất, nước và không khí đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và tính toán. Điển hình như năm 1974, Poston và Syner [11] đã thực hiện nghiên cứu trong môi trường không khí bán vô hạn bị nhiễm xạ; năm 1981, D.C.Kocher [10] nghiên cứu trong vùng nước và đất bán vô hạn bị nhiễm xạ; năm 1993, Keith F.Eckerman và Jeffrey C.Ryman [7] đã kết hợp tung độ gian đoạn và phương pháp Monte Carlo để giải phương trình vận chuyển photon cho nguồn photon được phân bố trong môi trường; năm 1995, K,Saito và P.Jacob [12] tính liều cơ quan từ nguồn tự nhiên được phân bố đồng đều sử dụng phương pháp Monte Carlo. Có thể nói, việc khảo sát liều cơ quan từ cơ thể người được thực hiện bởi nhiều [...]... và Wr là trọng số phóng xạ đối với bức xạ r Khi trường bức xạ gồm nhiều loại bức xạ với những giá trị khác nhau của trọng số phóng xạ Wr (bảng 2.2) thì liều tương đương được tính bởi: H T   Wr D T,r (2.12) r Đơn vị: J/kg, rem (roentgen equivalent man) hoặc Sievert (Sv) [5] Bảng 2.2 Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ [5] Loại và khoảng năng lượng của bức xạ Trọng sô phóng xạ Wr Photon... hoạt động của con người Các hạt nhân phóng xạ được tạo thành và tồn tại một cách tự nhiên trong đất, nước và trong không khí, thậm chí trong chính cơ thể chúng ta Các đồng vị phóng xạ tự nhiên chủ yếu thuộc 3 chuỗi phóng xạ, đó là chuỗi 232 Th, chuỗi 238 U và chuỗi 235 U 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 40K... hóa trong đối tượng bị chiếu xạ, m (kg) là khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ [5] Đơn vị: Đơn vị của liều hấp thụ là J/kg hoặc erg/kg Đơn vị ngoại hệ là rad: 1 rad=100 erg/g Ngày nay người ta thường dùng đơn vị là Gray (Gy): 1 Gy = 100 rad Giá trị liều hấp thụ bức xạ phụ thuộc vào tính chất của bức xạ và môi trường hấp thụ Sự hấp thụ năng lượng của môi trường đối với tia bức xạ là do tương tác của. .. đều có một đồng vị tồn tại dưới dạng khí, các chất khí phóng xạ này là các đồng vị của radon  Sản phẩm cuối cùng trong các họ phóng xạ là chì 5 Nguyên tố phóng xạ có ở khắp mọi nơi trên Trái Đất, trong đất, trong nước và trong không khí Theo nguồn gốc, các nguyên tố phóng xạ có thể được chia thành ba loại: loại được hình thành từ trước khi trái đất hình thành; loại được tạo thành do tương tác của tia... gian để có được liều chiếu trên Đơn vị thường dùng là R/s 2.5 Liều tương đương và suất liều tương đương 2.5.1 Liều tương đương Định nghĩa: là liều hấp thụ trung bình trong mô hoặc cơ quan T do bức xạ r gây ra, nhân với hệ số trọng số phóng xạ tương ứng Wr của bức xạ Và được tính bằng công thức [5]: H T ,r  Wr D T ,r (2.11) 12 Trong đó, DT,r là liều hấp thụ trung bình của bức xạ r trong mô hoặc cơ... Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ 2.3.1 Liều hấp thụ Đây là một đại lượng đóng vai trò trung tâm trong việc đánh giá tác dụng sinh học của bức xạ Do đó mục đích của phép đo liều là xác định liều hấp thụ 10 Định nghĩa: Liều hấp thụ là năng lượng bị hấp thụ trên một đơn vị khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ Theo định nghĩa ta có [5]: D ht  E m (2.6) Trong đó: E (J) là năng lượng của bức xạ. .. Tất cả các thành viên của các họ phóng xạ này trừ nguyên tố cuối cùng đều có tính phóng xạ Uranium gồm các đồng vị: 238 khoảng 0,005% là 234 235 U chiếm 99,3% Uranium thiên nhiên, khoảng 0,7% là U 238 U và 234 235 U và U là các đồng vị phóng xạ thuộc họ Uranium, còn U là đồng vị phóng xạ thuộc họ Actinium Các họ phóng xạ tự nhiên có các đặc điểm [6]:  Đồng vị đầu tiên còn tồn tại của họ có chu kỳ bán... 3876 R C/kg là liều chiếu của tia X và tia gamma trong đó sự phát xạ hạt gắn liền với bức xạ này gây ra trong một kilogram không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn (0oC, 760 mmHg), các ion mang điện tích 1 Coulomb điện tích mỗi dấu [5] 2.4.2 Suất liều chiếu Suất liều chiếu là liều chiếu tính trong một đơn vị thời gian [5] Pch  D ch t (2.10) Trong đó, Pch là suất liều chiếu, Dch liều chiếu của tia X hoặc... tương tác của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất Do đó năng lượng hấp thụ trong một đơn vị khối lượng phụ thuộc vào năng lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử và vào số nguyên tử có trong một đơn vị khối lượng vật chất hấp thụ, nó không phụ thuộc vào trạng thái kết tụ của vật chất [5] 2.3.2 Suất liều hấp thụ Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ tính trong một đơn vị thời gian [5]... 2.5.2 Suất liều tương đương Là liều tương đương tính trong một đơn vị thời gian [5]: PT,r  Đơn vị tính là W/kg, rem/s hoặc Sv/s dH T,r dt (2.13) 13 2.6 Liều hiệu dụng Định nghĩa: Là tổng của những liều tương đương ở các mô hay cơ quan, mỗi một liều được nhân với trọng số mô của tổ chức tương ứng [5]: E   WT HT (2.14) Trong đó, HT là liều tương đương trong mô hoặc cơ quan T và WT là trọng số mô Đơn vị: . 234 U là các đồng vị phóng xạ thuộc họ Uranium, còn 235 U là đồng vị phóng xạ thuộc họ Actinium. Các họ phóng xạ tự nhiên c các đặc điểm [6]:  Đồng vị đầu tiên còn tồn tại của họ có chu. họ này đều có một đồng vị tồn tại dưới dạng khí, các chất khí phóng xạ này là các đồng vị của radon.  Sản phẩm cuối cùng trong các họ phóng xạ là chì. 5 Nguyên tố phóng xạ có ở khắp mọi. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên chủ yếu thuộc 3 chuỗi phóng xạ, đ là chuỗi 232 Th, chuỗi 238 U và chuỗi 235 U. Trong tự nhiên, ngoài ba dãy phóng xạ trên còn một số các nguyên tố phóng xạ