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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 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 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LƯU TAM BÁT Hà Nội – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập thời gian làm luận văn tốt nghiệp nhận nhiều quan tâm, động viên giúp đỡ Qua xin gửi lời cảm ơn tới Ts Lưu Tam Bát, người hướng dẫn tạo điều kiện cho hoàn thành luận văn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô Hội đồng chấm luận văn góp ý cho để luận văn hoàn thiện Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trang bị kiến thức bổ ích tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp xung quanh giúp đỡ, động viên suốt khóa học sống Học viên Nguyễn Thị Minh MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG LƯƠNG THỰC 1.1 Phóng xạ lương thực thực phẩm 1.2 Cơ sở vật lý 1.2.1 Phân rã gamma 1.2.2 Quy luật phân rã phóng xạ 1.2.3 Chuỗi phân rã phóng xạ 1.2.4 Sự cân phóng xạ chuỗi phân rã 10 1.2.5 Tương tác tia gamma với vật chất .12 1.2.5.1 Hiệu ứng quang điện 12 1.2.5.2 Tán xạ Compton .13 1.2.4.3 Hiệu ứng tạo cặp .16 1.2.6 Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma .17 1.2.6.1 Phương pháp phổ gamma 17 1.2.6.2 Các chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên 22 CHƯƠNG – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .28 2.1 Hệ phổ kế gamma bán dẫn SEGe – Canberra .28 2.1.1 Sơ đồ khối 28 2.1.2 Detector 29 2.1.3 Các thông số hệ phổ kế gamma SEGe 31 2.1.4 Phần mềm Genie 2000 .32 2.1.5 Quy trình vận hành .33 2.2 Chuẩn lượng 34 2.3 Khảo sát độ phân giải lượng vào lượng xạ gamma 35 2.4 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi 36 2.5 Lấy mẫu, xử lý mẫu chuẩn bị mẫu đo 38 2.6 Phương pháp tính hoạt độ 39 2.7 Phương pháp tính MDA 40 CHƯƠNG III – KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .42 3.1 Chuẩn lượng 42 3.2 Xác định số thông số hệ phổ kế gamma 44 3.2.1 Sự phụ thuộc độ phân giải lượng vào lượng xạ gamma 44 3.2.2 Khảo sát phông hệ đo 46 3.3 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu lương thực 48 3.4 Xác định hoạt độ riêng mẫu 50 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các đỉnh gamma có cường độ mạnh đồng vị phóng xạ tự nhiên phát 19 Bảng 2.1: Thông tin mẫu sử dụng để phân tích hệ phổ kế gamma .38 Bảng 3.2: Độ phân giải lượng detector SEGe – Canberra 44 Bảng 3.3: Số đếm đỉnh lượng phổ phông hệ phổ kế gamma SEGe đo thời gian 150000 giây .47 Bảng 3.4: Kết thực nghiệm xác định hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần xạ gamma đặc trưng mẫu chuẩn .49 Bảng 3.5: Kết thực nghiệm xác định hoạt độ số đồng vị phóng xạ mẫu gạo Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g .52 Bảng 3.6: Kết thực nghiệm xác định hoạt độ số đồng vị phóng xạ mẫu ngô Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g .52 Bảng 3.7: Kết thực nghiệm xác định hoạt độ số đồng vị phóng xạ mẫu khoai Quảng Ninh với thời gian đo đo 150000 giây, khối lượng 175.8 g 53 Bảng 3.8: Hoạt độ riêng số đồng vị mẫu gạo đo hệ phổ kế gamma bán dẫn siêu tinh khiết 53 Bảng 3.9: Hoạt độ riêng số đồng vị mẫu ngô đo hệ phổ kế gamma bán dẫn siêu tinh khiết 54 Bảng 3.10: Hoạt độ riêng số đồng vị mẫu khoai đo hệ phổ kế gamma bán dẫn siêu tinh khiết 54 Bảng 3.11: Hoạt độ riêng trung binh số đồng vị mẫu gạo, ngô, khoai 55 MỞ ĐẦU Lương thực sản phẩm thiết yếu người, trước hết giúp nuôi sống người sử dụng để phát triển chăn nuôi tạo nên loại thực phẩm quan trọng khác Như biết môi trường tồn chất phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên với nhân phóng xạ nhân tạo sót lại từ hoạt động thử vũ khí hạt nhận, cố nhà máy điện hạt nhân lịch sử Cũng sinh vật khác, lương thực bị nhiễm phóng xạ có môi trường, kết người bị nhiễm xạ tiêu thụ loại thức ăn Liều hiệu dụng người xác định thông qua hoạt độ đồng vị phóng xạ lương thực Chính vậy, giới nước ta coi trọng việc xác định nồng độ nhân phóng xạ lương thực, thực phẩm Nhất vùng gần với nhà máy điện hạt nhân, thường phải xây dựng sở liệu phóng xạ lương thực thực phẩm phục vụ cho việc khảo sát, đánh giá giám sát ảnh hưởng nhà máy điện hạt nhân vào hoạt động Quảng Ninh tỉnh giáp với nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành Trung Quốc (cách khoảng 60km), hoàn thành đưa vào sử dụng tổ máy vào năm 2015, tổ máy thứ hai vào năm 2016 Khi hoàn thành, nhà máy có tổ máy với công suất 1.080 MW điện Đây tỉnh địa đầu phía đông bắc Việt Nam, có biên giới quốc gia hải phận giáp giới nước Cộng hoà Nhân dân Trung Hoa Trên đất liền, phía bắc tỉnh (có huyện Bình Liêu, Hải Hà thị xã Móng Cái) giáp huyện Phòng Thành thị trấn Đông Hưng, tỉnh Quảng Tây với 132,8 km đường biên giới; phía đông vịnh Bắc Bộ; phía tây giáp tỉnh Lạng Sơn, Bắc Giang, Hải Dương; phía nam giáp Hải Phòng; bờ biển dài 250 km Dựa vào liệu khí tượng thấy rằng: Trong trường hợp nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành Trung Quốc xảy cố vùng biên giới duyên hải Đông Bắc bị nặng nhất, có tỉnh Quảng Ninh Hình 1.1 trình bày tần suất hướng gió thổi đến Việt Nam Hơn nữa, năm nước ta có từ 15-17 đợt gió mùa Đông Bắc, gần số lượng đợt gió mùa Đông Bắc bổ sung, tốc độ gió 15m/s, vận chuyển chất ô nhiễm nhanh Theo phân tích trên, khu vực nghiên cứu tập trung tỉnh Quảng Ninh, vùng ven biển Hải Phòng hai huyện ven biển Thái Bình, tất nhiên vùng núi Đông Bắc Châu thổ Sông Hồng chịu ảnh hưởng mức độ khác có tai nạn hạt nhân Hình 1.1: Tần suất, hướng gió thổi đến Việt Nam từ nhà máy điện hạt nhân Vì việc tiến hành đề tài “Nghiên cứu đo hoạt độ đồng vị phóng xạ số loại lương thực vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh hệ thống phổ kế gamma phân giải cao” nhằm khảo sát hoạt độ phóng xạ số đồng vị phóng xạ tự nhiên đồng vị phóng xạ nhân tạo số loại lương thực vùng ven biển tỉnh Quảng Ninh cần thiết Có nhiều kỹ thuật để khảo sát hàm lượng nhân phóng xạ môi trường Một kỹ thuật biết đến kỹ thuật đo phổ tia gamma Trong môi trường có nhiều nguồn phóng xạ tạo tia gamma với lượng hiệu suất phát khác nhau, tia gamma thu thập dạng phổ phân tích hệ phổ kế gamma Trong khuôn khổ luận văn tác giả đưa phương pháp thực nghiệm xác định hoạt độ hệ phổ kế đại diện, quy trình phân tích hệ phổ kế gamma khác Luận văn sử dụng detector Gecmani siêu tinh khiết SEGe-Canberra Trung tâm Kiểm định Phóng xạ - Viện Y học phóng xạ U bướu quân đội để phân tích xác định hàm lượng số đồng vị phóng xạ phân rã gamma số mẫu lượng thực tỉnh Quảng Ninh - Về mặt lý thuyết, luận văn tìm hiểu sở vật lý kỹ thuật xác định hoạt độ phóng xạ đồng vị phóng xạ phương pháp phổ gamma - Về mặt thực nghiệm: Xác định số đặc trưng hệ phổ kế Gecmani siêu tinh khiết SEGe; Chuẩn 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 số đồng vị mẫu lương thực Luận văn gồm có chương: Chương Tổng quan xác định hoạt độ phóng xạ lương thực thực phẩm Chương Đối tượng phương pháp thực nghiệm Chương Kết thực nghiệm CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG LƯƠNG THỰC 1.1 Phóng xạ lương thực, thực phẩm Đồng vị phóng xạ xuất tự nhiên môi trường, bao gồm quan thể, lương thực thực phẩm nước uống người Chúng ta tiếp xúc với nguồn xạ hàng ngày Bức xạ đến từ không gian (các tia vũ trụ) nhân phóng xạ tự nhiên có đất, nước, không khí Hoạt độ riêng chất phóng xạ tự nhiên lương thực thực phẩm nước thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố điều kiện thổ nhưỡng, phân bón trồng (địa chất), thức ăn loài nuôi thả; điều kiện khí hậu tình hình sản xuất nông nghiệp khu vực Ngoài ra, người tiếp xúc với xạ từ hoạt động tạo chất phóng xạ như: Tập trung nhân phóng xạ tự nhiên, vận hành thiết bị, vụ vận hành hạt nhân dân quân Chất phóng xạ gây ô nhiễm lương thực thực phẩm sau thải môi trường Cho dù có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo chất phóng xạ qua chuỗi thức ăn theo cách giống vật chất không phóng xạ Mức độ nguy hại tới sức khỏe người phụ thuộc vào loại nhân phóng xạ khoảng thời gian người tiếp xúc với Lượng xạ người tiếp xúc thay đổi từ nơi đến nơi khác cá nhân Các mức phông phóng xạ thức ăn khác phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại thức ăn vùng địa lý sản xuất loại thức ăn Các nhân phóng xạ thường có thức ăn là: K40, Ra226, U238 đồng vị cháu liên quan Nhìn chung, K40 thường đồng vị phóng xạ tự nhiên Các đồng vị phóng xạ khác tồn nồng độ thấp, có nguồn gốc từ chuỗi phân rã uran thori Khi xảy cố hạt nhân, lượng lớn chất phóng xạ phát thải vào môi trường, loại rau lương thực bị nhiễm xạ chủ yếu tiếp xúc trực tiếp với không khí nhiễm phóng xạ hấp thụ nhân phóng xạ từ đất thông qua hệ thống rễ Trong lượng nhỏ nhân phóng xạ vận chuyển lên KẾT LUẬN Luận văn thực với mục đích khảo sát nồng độ số đồng vị phóng xạ ba loại lượng thực: gạo, ngô, khoai Luận văn tìm hiểu phương pháp kỹ thuật xác định hoạt độ phóng xạ đồng vị tự nhiên nhân tạo mẫu thực vật theo phương pháp phổ gamma Về mặt lý thuyết Luận văn trình bày sở vật lý, sở phương pháp phổ gamma Luận văn tìm hiểu khái quát cấu tạo hệ phổ kế gamma bán dẫn nguyên lý hoạt động detector bán dẫn siêu tinh khiết Về mặt thực nghiệm Luận văn tiến hành chuẩn lượng cho hệ phổ kế sử dụng nguồn phóng xạ chuẩn 60Co, 57Co, 137Cs, 131I Khảo sát phụ thuộc độ phân giải lượng vào lượng tia gamma khảo sát phông hệ phổ kế SEGe Tiến hành đo mẫu chuẩn IAEA RGU-1+IAEA 156 Từ số liệu thu xây dựng đường cong hiệu suất ghi phục vụ cho việc phân tích mẫu thực vật Xử lý mẫu tiến hành đo mẫu Dựa vào đường chuẩn hiệu suất ghi phổ gamma đo mẫu tiến hành phân tích hoạt độ phóng xạ mẫu Kết cho thấy 40 K phát nhiều đồng vị phóng xạ; đồng vị chuỗi phân rã uran, thori có hoạt độ thấp khác loại lương thực 137Cs phát tất mẫu đo với hoạt độ nhỏ so với mức dẫn giới Như vậy, luận văn khảo sát nồng độ số đồng vị phóng xạ phát gamma mẫu gạo, mẫu ngô, mẫu khoai địa bàn tỉnh Quảng Ninh thời điểm lấy mẫu Tuy nhiên, ba loại lương thực thành phần chủ đạo chế độ ăn uống trọng tâm việc khảo sát nguồn phát gamma Để thu liệu thiết thực hơn, cần khảo sát nhiều mẫu nhằm nâng cao độ xác xác định nồng độ đồng vị phóng xạ nhiều loại thực phẩm khác rau, thịt, loại thủy hải sản khác 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Lương Thị Thơm (2014), Xác định hoạt độ riêng nguyên tố phóng xạ mẫu đất đá thực vật phương pháp phổ gamma, Khóa luận tốt nghiệp đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh Bui Van Loat, Le Tuan Anh, Dong Van Thanh, Nguyen The Nghia, Pham Duc Khue (2012), “Measurement of some characteristics of the BEGe detector”, VNU Journal of Science, Mathematics - Physics 28, 19-25 Canberra industries Inc (2003), Germanium Detectors User’s Manual, New York Canberra industries Inc (2013), Genie™ 2000 Spectroscopy Software, New York Codex Committee on Food Additives and Contaminants (2011), “Codex Guideline Levels for Radionuclides in Foods Contaminated Following a Nuclear or Radiological Emergenc”, General General Standarts for Contaminants and Toxins in Food and Feeds Glenn F Knoll (2010), Radiation Detection and Measurement, John Wiley & Sons, New York International Atomic Energy Agency (1989), Measurement of radionuclides in food and the environment, TRS 295, Vienna International Food Safety Authorities Network (INFOSAN) (2011), Information on nuclear accidents and radioactive contamination of foods 10 Winchester Engineering and Analytical Center (2010), FDA- WEAC.RN.Method.3.0 (Ver 7.1), “Determination of Gamma-Ray Emitting 58 Radionuclides in Foods by High-Purity Germanium Spectrometry”, LABORATORY PROCEDURE, FDA Office of Regulatory Affairs, pp.2-25 11 http://nucleardata.nuclear.lu.se/toi/nucSearch.asp 59