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

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 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC

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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: TS Lưu Tam Bát

Phản biện 1: TS Đàm Nguyên Bình

Phản biện 2: PGS TS Bùi Văn Loát

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ họp tại

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội

Vào hồi 15 giờ 00 phút, ngày 31 tháng 12 năm 2015

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU Lương thực là những sản phẩm thiết yếu đối với con người, trước hết

giúp nuôi sống con người và sử dụng để phát triển chăn nuôi tạo nên các loại

thực phẩm quan trọng khác Như chúng ta đã biết trong môi trường luôn tồn tại

các chất phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên cùng với các nhân phóng xạ nhân tạo

còn sót lại từ các hoạt động thử vũ khí hạt nhận, sự cố nhà máy điện hạt nhân

trong lịch sử Cũng như mọi sinh vật khác, lương thực bị nhiễm phóng xạ có

trong môi trường, kết quả là con người bị nhiễm xạ khi tiêu thụ các loại thức ăn

này Chính vì vậy, trên thế giới và ở nước ta luôn coi trọng việc xác định nồng

độ các nhân phóng xạ trong lương thực, thực phẩm Nhất là ở những vùng gần

với các nhà máy điện hạt nhân, thường phải xây dựng cơ sở dữ liệu về phóng xạ

trong lương thực thực phẩm phục vụ cho việc khảo sát, đánh giá và giám sát ảnh

hưởng của nhà máy điện hạt nhân khi đi vào hoạt động

Quảng Ninh là tỉnh giáp với nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành của

Trung Quốc (cách khoảng 60km) Dựa vào các dữ liệu khí tượng có thể thấy

rằng: Trong trường hợp nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành của Trung Quốc

xảy ra sự cố thì vùng biên giới và duyên hải Đông Bắc bị nặng nhất, trong đó có

tỉnh Quảng Ninh Vì vậy việc tiến hành đề tài “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” nhằm khảo sát hoạt độ phóng xạ của

một số đồng vị phóng xạ tự nhiên và đồng vị phóng xạ nhân tạo trong một số

loại lương thực ở vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh là rất cần thiết

Luận văn sử dụng detector Gecmani siêu tinh khiết SEGe-Canberra của

Trung tâm Kiểm định Phóng xạ - Viện Y học phóng xạ và U bướu quân đội để

phân tích xác định hàm lượng của một số nhân phóng xạ phân rã gamma trong

một số mẫu lượng thực ở tỉnh Quảng Ninh

- Về mặt lý thuyết, luận văn tìm hiểu cơ sở vật lý của kỹ thuật xác định

hoạt độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ bằng phương pháp phổ gamma

- Về mặt thực nghiệm: Xác định một số đặc trưng của hệ phổ kế

Gecmani siêu tinh khiết SEGe; Chuẩn năng 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 của một số đồng vị trong mẫu

lương thực

Luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về xác định hoạt độ phóng xạ trong lương thực

thực phẩm

Chương 2 Đối tượng và phương pháp thực nghiệm

Chương 3 Kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ

PHÓNG XẠ TRONG LƯƠNG THỰC 1.1 Phóng xạ trong lương thực, thực phẩm

Đồng vị phóng xạ xuất hiện tự nhiên trong môi trường, bao gồm các cơ

quan của cơ thể, lương thực thực phẩm và nước uống của con người Chúng ta

tiếp xúc với nguồn bức xạ này hàng ngày Bức xạ đến từ không gian (các tia vũ

trụ) cũng như các nhân phóng xạ tự nhiên có trong đất, nước, và không khí

Hoạt độ riêng của các chất phóng xạ tự nhiên trong lương thực thực phẩm và

nước thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện thổ nhưỡng, phân bón

đối với cây trồng (địa chất), thức ăn đối với các loài nuôi thả; điều kiện khí hậu

và tình hình sản xuất nông nghiệp của khu vực Ngoài ra, con người cũng có thể

tiếp xúc với bức xạ từ những hoạt động tạo ra chất phóng xạ của chính mình

như: Tập trung nhân phóng xạ tự nhiên, vận hành các thiết bị, các vụ vận hành

hạt nhân dân sự và quân sự Chất phóng xạ có thể gây ô nhiễm lương thực thực

phẩm sau khi được thải ra môi trường

Các mức phông phóng xạ trong thức ăn khác nhau và phụ thuộc vào

nhiều yếu tố, bao gồm loại thức ăn và vùng địa lý sản xuất ra loại thức ăn đó

Các nhân phóng xạ thường có trong thức ăn là: K40, Ra226, U238 và các đồng vị

con cháu liên quan Hình 1.2 mô tả khái quát các con đường mà chất phóng xạ

đi vào cơ thể con người qua lương thực thực phẩm

1.2 Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma

Xét trường hợp hạt nhân con tạo thành ở trạng thái kích thích, khi đó

chúng sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ gamma đặc trưng, để về trạng

thái kích thích thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản Từ phổ gamma thu được khi đo

mẫu trên hệ phổ kế ta sẽ tính được hoạt độ của các nhân phóng xạ có trong mẫu

Trong phương pháp phân tích hoạt độ phóng xạ theo phổ gamma ta

quan tâm đến hệ số phân nhánh Iγ của bức xạ gamma Theo định nghĩa:

Iγ=số phân rã gamma đặc trưng có năng lượng Eγ/số phân rã phóng xạ

Nếu gọi nγ là số bức xạ gamma đặc trưng có năng lượng Eγ phát ra từ

mẫu trong một đơn vị thời gian thì nó được xác định theo công thức:

nγ= Iγ A (1.1)

Trong đó: A là hoạt độ phóng xạ có trong mẫu

Iγ là cường độ tia gamma (hệ số phân nhánh) có năng lượng

Eγ

Gọi n0 là tốc độ đếm tại đỉnh hấp thụ toàn phần đã trừ phông trong một

đơn vị thời gian, ε là hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần của

vạch gamma đặc trưng, ta có:

n0 = ε nγ (1.2)

Thực nghiệm đo phổ gamma của mẫu cần phân tích trong thời gian t,

sử dụng chương trình phân tích phổ mẫu phân tích và mẫu phông Xác định

được diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần đã trừ phông trong thời gian t là s

Tốc độ đếm đã trừ phông là n0 được xác định theo công thức:

0

s n

t

 (1.3)

Từ công thức (1.1) và công thức (1.2), ta tính được hoạt độ của đồng vị

có trong mẫu theo biểu thức:

CHƯƠNG 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC

NGHIỆM 2.1 Hệ phổ kế gamma bán dẫn SEGe – Canberra

2.1.1 Sơ đồ khối

Hình 2.1 là sơ đồ hệ phổ kế gamma dải rộng với detector

SEGe của hãng Canberra được đặt tại Viện Y học Phóng xạ và U

bướu Quân đội

Hình 2.1: Sơ đồ hệ phổ kế SEGe – Canberra

Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ phổ kế SEGe – Canberra

1 Detector SEGe 5 Khuếch đại tuyến tính

2 Nguồn nuôi cao thế 6 Máy phân tích biên độ đa kênh

4 Máy phát xung chuẩn

2.1.2 Detector

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động:

Detector Gecmani là đi ốt bán dẫn có cấu trúc P-I-N (Hình 2.3), trong

đó vùng ở giữa (I) là vùng nghèo nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là tia X và

tia gamma Dưới điện áp ngược điện trường mở rộng qua vùng này Khi photon

tương tác với vật chất bên trong thể tích vùng nghèo, các cặp điện tử - lỗ trống

được tạo ra và di chuyển vể các điện cực P, N dưới tác dụng của điện trường

Lượng điện tích này tỷ lệ với năng lượng tích lũy trong detector của photon tới

và được chuyển thành xung thế bởi tiền khuếch đại nhạy điện tích

Hình 2.3: Nguyên tắc hoạt động của detector bán dẫn

Do Gecmani có khe vùng nhạy tương đối thấp nên detector phải được

làm mát để giảm nhiệt sinh ra từ các phần tử mang điện (do đó tỷ lệ nghịch với

dòng rò) đến mức chấp nhận được Ni tơ lỏng ở nhiệt độ 77 oK thường được

dùng để làm mát các detector này Hình 2.4 mô tả sơ đồ cấu tạo của bộ làm

lạnh

Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo của bộ làm lạnh

2.1.3 Các thông số của hệ phổ kế gamma SEGe

Luận văn sử dụng detector bán dẫn Gecmani đồng trục (SEGe) model

GC1518, số Seri 11037715 do hãng Canberra sản xuất

- Đường kính tinh thể 52 mm,

- Chiều dày tinh thể 34.5 mm,

- Phân giải năng lượng 1.8 keV tại đỉnh năng lượng 1.33 MeV của đồng

vị 60Co

- Tỷ số Đỉnh/Compton là 44:1

- Thế làm việc của detector là 3500 V

- Cửa sổ (end-cap) có đường kính 76 mm, bề dày 1.5 mm

2.1.4 Quy trình vận hành

- Lên cao thế: Đưa công tác trên khối HV về vị trí ON.; Nhấn nút Reset

và chắc chắn rằng đèn hiển thị tại ON bật sáng Nếu ON không sáng sau khi

nhấn Reset, khi đó không được lên cao áp và kiểm tra lại các điều kiện của hệ

đo; Tiếp đó bắt đầu lên cao áp theo từng bước, cứ 5 s tăng 10 V Tiếp tục làm

như vậy cho đến khi cao áp đạt 3500 V

- Chọn chế độ làm việc: Sử dụng nguồn chuẩn để chuẩn chuấn máy Từ

thực nghiệm chọn được hệ số trên COARSE GAIN là 10, FINE GAIN là 8,

SHAPING TIME là 4 µs

Tiến hành chuẩn năng lượng, đo phông, chuẩn hiệu suất và phân tích

mẫu

- Hạ cao thế và tắt máy: Sau khi kết thức việc đo phổ thực hiện quy

trình hạ cao áp và tắt máy Vặn vòng số trên khối HV theo chiều ngược chiều

kim đồng hồ, mỗi lần không quá 10 V, mỗi bước hạ cao áp như vậy cách nhau

10 s Khi vòng số về vị trí 0, đưa công tắc về vị trí OFF

2.2 Chuẩn năng lượng

Để chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế SEGe tác giả sử dụng các nguồn

chuẩn: 60Co, 57Co,131I, 137Cs

2.3 Khảo sát độ phân giải năng lượng vào năng lượng bức

xạ gamma

Phân giải năng lượng liên quan đến sự phản hồi của detector Độ phân

giải năng lượng được định nghĩa là khả năng phân biệt hai bức xạ có năng lượng

gần nhau của detector Đại lượng này thường được biểu diễn bằng độ rộng ở

một nửa (FWHM) chiều cao xung Luận văn sử dụng các nguồn chuẩn 60Co,

57

Co, 131I, 137Cs để khảo sát sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng

lượng của bức xạ gamma Các nguồn chuẩn được đo sao cho diện tích đỉnh hấp

thụ toàn phần của các bức xạ gamma đặc trưng được chọn có sai số thống kê

nhỏ hơn 1 %

2.4 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi

Mẫu chuẩn dùng để lập đường cong hiệu suất ghi là mẫu chuẩn hỗn hợp

(mẫu chuẩn RGU-1 kết hợp với mẫu chuẩn IAEA 156) của Bộ môn Vật lý Hạt

nhân – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên phục vụ cho việc phân tích mẫu

thực vật Từ phổ ghi nhận mẫu chuẩn và dữ liệu hạt nhân ta xác định được hiệu

suất ghi của đetector tại năng lượng tương ứng với năng lượng của bức xạ

gamma được chọn làm chuẩn theo công thức:

( ) = (2.1) Trong đó:

N là diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần (xung)

t là thời gian đo mẫu chuẩn (giây)

Iγ là hệ số phân nhánh của tia gamma có năng lượng E

A hoạt độ của nguồn tại thời điểm đo (Bq)

Sai số được xác định theo công thức:

∆ = ∆ + ∆ + ∆ (2.2)

Với ∆ , ∆ , ∆ tương ứng là sai số của hoạt độ nguồn, sai số của hệ số

phân nhánh và sai số của diện tích đỉnh

2.5 Lấy mẫu, xử lý mẫu và chuẩn bị mẫu đo

Vị trí lấy mẫu

Bảng 2.1: Thông tin của các mẫu sử dụng để phân tích trên hệ phổ kế gamma

tươi (Kg) Mẫu gạo 1 Xã Vạn Ninh, huyện Móng Cái, tỉnh Quảng Ninh 10

Mẫu gạo 2 Xã Cộng Hòa, huyện Cẩm Phả, tỉnh Quảng Ninh 10

Mẫu gạo 3 Xã Đài Xuyên, huyện Vân Đồn, tỉnh Quảng Ninh 10

Mẫu gạo 4 Xã Việt Hưng, Tp Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh 10

Mẫu ngô 1 Xã Đồn Đạc, huyện Ba Chẽ, tỉnh Quảng Ninh 10

Mẫu ngô 2 Xã Phong Dụ, huyện Tiên Yên, tỉnh Quảng Ninh 10

Mẫu ngô 3 Xã Quảng Đức, huyện Hải Hà, tỉnh Quảng Ninh 10

Mẫu ngô 4 Xã Hải Sơn, huyện Móng Cái, tỉnh Quảng Ninh 10

Mẫu ngô 5 Xã Đài Xuyên, huyện Vân Đồn, tỉnh Quảng Ninh 10

Mẫu khoai 1 Xã Phong Dụ, huyện Tiên Yên, tỉnh Quảng Ninh 18

Mẫu khoai 2 Xã Lê Lợi, huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh 18

Mẫu khoai 3 Xã Vạn Yên, Vân Đồn, tỉnh Quảng Ninh 18

Mẫu khoai 4 Xã Phong Dụ, huyện Tiên Yên, tỉnh Quảng Ninh 18

Mẫu khoai 5 Xã Yên Đức, huyện Đông Triều, tỉnh Quảng Ninh 18

Xử lý mẫu

- Gạo, ngô sau khi lấy được nhặt sạch các tạp chất bên trong mẫu; khoai

được rửa sạch, cắt bỏ rễ, đầu đuôi và để ráo nước rồi thái lát

- Các mẫu được sấy ở nhiệt độ 105 oC cho đến khi khối lượng không

đổi

- Than hóa 5-6 giờ cho hết khói ở nhiệt độ tối đa đối với từng mẫu

- Tro hóa ở nhiệt độ nhỏ hơn 445oC trong khoảng tối đa 18 giờ đến khi

tro có mầu đen xám và tơi xốp là đạt yêu cầu

Tạo mẫu dùng để phân tích:

Tro sau khi tro hóa, để nguội, được nghiền mịn tối đa và trộn đều Tro

được đựng trong hộp nhựa sạch hình trụ đường kính 8 cm, nén mẫu bằng dụng

cụ ép đơn giản để cấu hình đo của mẫu và mẫu chuẩn là đồng nhất

2.6 Phương pháp tính hoạt độ

Hoạt độ của mẫu được tính theo công thức:

= (2.3) Trong đó:

A là hoạt độ của mẫu (Bq)

Ns là diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần (xung)

ts là thời gian đo mẫu (giây)

Iγ là hệ số phân nhánh của tia gamma

ε hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng tương ứng Đại lượng này được suy

ra từ đường chuẩn hiệu suất ghi ở trên

Sai số của hoạt độ được tính như sau:

∆ = ∆ + ∆ + ∆ (2.4)

Với ∆ , ∆ , ∆ tương ứng là sai số của hiệu suất ghi, sai số của hệ số

phân nhánh và sai số của diện tích đỉnh

2.7 Phương pháp tính MDA

Trong trường hợp tốc độ đếm tại đỉnh năng lượng toàn phần trong phổ

đo mẫu nhỏ hơn tốc độ đếm phông tại đỉnh đó thì hoạt độ của đồng vị phóng xạ

đang xét được xem như nhỏ hơn giá trị MDA tính theo công thức (2.5), với độ

lệch chuẩn B = N B , NB là diện tích đỉnh trong phổ của mẫu

B





 4 , 66 71 , 2

(2.5)

CHƯƠNG III – KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Chuẩn năng lượng

Trong bảng 3.1 đưa ra năng lượng của các tia gamma và vị trí cực đại

(kênh) tương ứng để chuẩn năng lượng

Bảng 3.1: Số liệu của các tia gamma được chọn để chuẩn năng lượng và vị trí

cực đại tương ứng Nguồn Năng lượng đỉnh

(keV)

Hệ số phân nhánh (Iγ)

Vị trí cực đại (kênh) 57

Trong Genie 2000 đường chuẩn năng lượng được xử lý tự động Từ số

liệu ở trên, tác giả sử dụng chương trình Origin để thiết lập đường chuẩn năng

lượng cho hệ phổ kế SEGe Đường chuẩn năng lượng có dạng tuyến tính:

y = 3.897 x – 22.56

R2 = 1

Trong đó: y là giá trị của kênh tương ứng với x là năng lượng E (keV)

R là hệ số đánh giá chất lượng khớp 3.2 Xác định một số thông số của hệ phổ kế gamma

3.2.1 Sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng lượng của

bức xạ gamma

Bảng 3.2: Độ phân giải năng lượng của detector SEGe – Canberra

Nguồn Năng lượng đỉnh

Bảng 3.2 là kết quả thực nghiệm xác định độ phân giải của detector

SEGe (FWHM) theo năng lượng tia gamma Từ số liệu thu được, sử dụng

chương trình Origin ta sẽ xây dựng được đường cong mô tả sự phụ thuộc của độ

phân giải năng lượng vào năng lượng bức xạ gamma Độ phân giải năng lượng

tăng theo năng lượng bức xạ gamma theo hàm số có dạng:

∆ = −2 × 10 + 0.002 + 4.863

R = 0.996

Trong đó: E là năng lượng tia gamma (keV)

R là hệ số đánh giá chất lượng khớp

Từ số liệu thực nghiệm ta thấy rằng độ phân giải năng lượng của

detector tại đỉnh 1332 keV của đồng vị 60Co là 2.72 keV Giá trị này lớn hơn độ

phân giải 1.8 keV của nhà sản xuất đưa ra Sự sai khác này có thể chấp nhận

được

3.2.2 Khảo sát phông của hệ đo

Phông của hệ đo ảnh hưởng đáng kể đến giới hạn phát hiện và độ chính

xác của phép đo hoạt độ mức thấp Phông thường có nguồn gốc sau đây: Các

thành phần cứng và mềm của bức xạ vũ trụ, bức xạ gamma của vật liệu cấu trúc

detector và thiết bị, bức xạ gamma của môi trường xung quanh