Luận văn tốt nghiệp vật lý phân tích hoạt động phóng xạ các đồng vị ra 226, th 232, k 40 trong mẫu đất đá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ PHAN THỊ MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Giảng viên hướng dẫn: thầy Hoàng Đức Tâm Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân Khóa 31 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2009 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực hoàn thành luận văn này, với nỗ lực thân, em nhận nhiều quan tâm giúp đỡ từ thầy cô, gia đình bè bạn Xin cho phép em bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy Hoàng Đức Tâm - người trực tiếp hướng dẫn mặt chuyên môn, tận tâm dạy, truyền đạt kinh nghiệm động viên giúp đỡ em vượt qua khó khăn suốt trình thực luận văn Xin gởi lời cảm ơn đến cán bộ, thầy cô anh chị phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân – khoa Vật lý – trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh tận tình giúp đỡ, bảo tạo điều kiện thuận lợi trình làm thực nghiệm Cảm ơn bạn lớp Lý cử nhân – K31 quan tâm chia sẻ, giúp đỡ suốt trình làm luận văn Cảm ơn gia đình sát cánh bên thời gian học đại học, động viên ủng hộ để hoàn thành luận văn điều kiện tốt MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Thế giới sống có chứa nhiều chất phóng xạ điều xảy từ hình thành nên Trái đất Phông xạ tự nhiên sinh chất đồng vị phóng xạ chứa đất đá, nước, không khí, thực phẩm, nhà thể Nói cách hình ảnh, giới sống chìm ngập xạ Con người trốn tránh, nên lựa chọn bảo đảm cho môi trường phóng xạ hợp lý Quả vậy, khắp nơi có chất phóng xạ Các chất phóng xạ tia xạ đến Trái đất từ miền xa xôi vũ trụ bao la Đó chất phóng xạ tự nhiên Quanh chúng ta, chất phóng xạ có đất đá, cỏ, nước, không khí Ngay phận thể người chứa hạt nhân phóng xạ Ai biết, nhờ đồng vị cacbon phóng xạ xương người có phương pháp 14 C tồn 14 C để xác định tuổi người tiền sử…Tuy phân bố không đều, nơi nơi khác hàm lượng phóng xạ môi trường phụ thuộc vào vị trí địa lý, kiến tạo địa chất, loại cỏ, tình trạng sinh sống người, vào vật liệu xây dựng kiến trúc nhà để Ngoài ra, từ non kỷ với phát triển công nghệ hạt nhân, môi trường xuất chất phóng xạ nhân tạo Chúng sinh từ công nghệ ứng dụng hạt nhân, từ vụ nổ Chernobyl đặc biệt từ vụ thử nguyên tử khí Gần thập kỷ thử nghiệm ạt vũ khí nguyên tử qua, nay, nhiều vùng Trái đất tồn đồng vị phóng xạ cesium ( 137 90 Cs), strongxi ( Sr), hydro nặng ( H) , chúng lưu lại chủ yếu đất, bùn đáy số động thực vật với hàm lượng thấp 40 Phổ biến đồng vị phóng xạ kali ( K), nhận biết diện đồng vị phóng xạ tự nhiên 40 K có nhiều rau, hoa thể người Bên cạnh hạt nhân dãy phóng xạ urani thori Riêng dãy phóng xạ urani, sản phẩm đáng lưu ý khí phóng xạ radon ( 222 Rn) đồng vị thuộc chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên nguy hiểm cho người, tác nhân gây ung thư hang đầu chất ung thư phổi Sự có mặt đồng vị phóng xạ ảnh hưởng dù hay nhiều đến tình trạng sức khỏe người môi trường xung quanh tác động xạ lên vật chất sống Và người từ lúc đời bắt đầu sống chung với phóng xạ chịu ảnh hưởng loại phóng xạ Không trốn chạy, cách ly với môi trường sống Do đó, việc nghiên cứu tác động có hại phóng xạ đến sức khỏe người ảnh hưởng chúng lên môi trường sống quan trọng nhận nhiều quan tâm Đã đến lúc người dân nên biết mức độ chiếu xạ nơi sinh sống để giảm thiểu rủi ro gây xạ tự nhiên Từ khảo sát trên, đề tài: “Phân tích hoạt độ phóng xạ đồng vị 226 Ra, mẫu đất đá” thực nhằm mục đích xác định hoạt độ phóng xạ đồng vị 232 226 Th, Ra, 40 232 K Th, 40 K số mẫu đất đá (được lấy số địa phương), xác định liều hiệu dụng hàng năm, so sánh với tiêu chuẩn quốc tế kết luận phông phóng xạ tự nhiên số địa điểm Từ đề xuất biện pháp an toàn xạ có liên quan để giảm tác động có hại chúng tới sức khỏe người Bố cục luận văn: Luận văn trình bày theo phần chính: * Phần mở đầu: trình bày mục đích nghiên cứu, tình hình nghiên cứu nước, đối tượng phương pháp nghiên cứu * Phần nội dung: gồm chương sau: Chương trình bày tổng quan vấn đề nghiên cứu: nguồn gốc phóng xạ, ảnh hưởng phóng xạ nói chung phông tự nhiên nói riêng tới người môi trường sống Đồng thời, nêu tiêu chuẩn an toàn xạ giới Việt Nam Chương phần trình bày phổ kế gamma nói chung phổ kế gamma trường ĐH Sư phạm nói riêng Chương phần thực nghiệm trình bày trình thu thập, xử lý, đo mẫu tính toán hoạt độ nhân phóng xạ quan tâm mẫu Chương phần kết nghiên cứu: trình bày kết định tính định lượng việc xử lý phổ gamma mẫu, đánh giá kết phân tích * Phần kết luận: đưa nhận xét tổng quát rút từ kết trình nghiên cứu Tác giả đưa số đề xuất nhằm bảo vệ an toàn sức khỏe cho người dân TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC * Trên giới: Các nghiên cứu cho thấy, phông phóng xạ tự nhiên thay đổi theo nước, vùng Có khoảng 5% dân số giới sống khu vực có phông phóng xạ tự nhiên cao, thuộc nước Italia, Braxin, Pháp, Ấn Độ, Trung Quốc, Nigeria, Madagatsca Ở Pháp, theo tài liệu thức ”Tổng cục an toàn sở hạt nhân” thuộc Bộ Công nghiệp Bộ Môi trường [9], phông phóng xạ trung bình cho người dân năm 2.4 mSv Đây phông phóng xạ tự nhiên cho toàn nước Pháp Còn vùng núi cao vùng đá hoa cương (granit có chứa chất phóng xạ tự nhiên uran thori) phông phóng xạ tự nhiên cao Ở vùng Đông nam Ấn Độ, thuộc hai tỉnh Kerala Tamilnaru [4] có mỏ monazit, trải khu vực rộng 500m, dài 25 km Khoảng 70 000 người sống dải đất chịu liều xạ gấp hàng trăm lần so với bình thường Nguyên nhân mỏ monazit có chứa thori với hàm lượng cao -3 -4 -6 tới 10 g/g (mức bình thường vào khoảng 10 -10 g/g) Ở Braxin, bang Espirito Santo Rio de Janero [4] có mỏ monazit, liều phóng xạ tự nhiên cao mức bình thường tới 400 lần Gần 12 000 dân địa phương thành phố nhỏ Guarapari 30 000 khách du lịch vãng lai khu vực chịu liều phóng xạ tự nhiên cao mức bình thường từ 50-100 lần Tại bang Minas Gerais [4], núi sắt (Morro Ferro), gần Pocos de Calclas có mỏ apatit có hàm lượng cao uran thori tạo nên suất liều cao mức bình thường tới 1000 lần Tại tỉnh Quảng Đông, Trung Quốc [4] có mỏ monazit gây nên phông phóng xạ cao Một số nhà Ramsar thuộc Iran [4], người dân nhận liều xạ vào cỡ 132mSv/năm Nguyên nhân nguồn nước giàu đồng vị 226 Ra Tuy nhiên, có nước phông phóng xạ tự nhiên thấp Anh [9]: 1.5 mSv/năm; Autralia [9]: 1.5 mSv/năm, Hà Lan [9]: mSv/năm (theo số liệu năm 2006 Hiệp hội hạt nhân quốc tế cung cấp) * Ở Việt Nam: Ở nước ta có số đề tài xác định phông phóng xạ thực như: điều tra trạng môi trường phóng xạ tụ khoáng Đông Pao, Thèn Sin (Lai Châu), Mường Hum (Lào Cai), Yên Phú (Yên Bái), Thanh Sơn (Phú Thọ), liên đoàn Địa chất Xạ - hiếm, trường Đại học Mỏ địa chất Hà Nội thực Dự án xây dựng đồ phông phóng xạ tự nhiên Bình Dương, Đồng Nai tiến hành Tuy nhiên, [9] chưa có số liệu bình quân cho nước Riêng Hà Nội, theo số liệu đo đạc sơ bộ, ước tính phông phóng xạ tự nhiên vào khoảng 2mSv/năm Trong trình xây dựng nhà máy điện hạt nhân tới, cần thiết phải đo đạc lập đồ phông tự nhiên phạm vi nước ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Luận văn tiến hành dựa việc đo đạc phóng xạ số mẫu đất đá số địa điểm tỉnh khu vực phía Nam: Lâm Đồng, Bình Thuận, Tây Ninh, Long An, Đồng Nai PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Có hai phương pháp để xác định hoạt độ phóng xạ liều hiệu dụng phông tự nhiên gây [8]: Phương pháp thứ dùng máy đo liều đo suất liều theo đơn vị μSv/h độ cao 1m [8] so với mặt đất, ta nhận kết liều chiếu xạ Phương pháp thứ hai lấy mẫu đất, đo hoạt độ riêng theo đơn vị Bq/kg Các nhân đo 226 Ra, 232 Th, 40 K Từ hoạt độ riêng tính toán liều chiếu thông qua hoạt độ riêng 226 Ra tương đương (Raeq) Ngày nay, người ta thường sử dụng kết hợp hai phương pháp kể để đạt kết xác Luận văn sử dụng phương pháp thứ hai với cách làm cụ thể sau: Khảo sát thực tế, lấy mẫu đất kết hợp sử dụng hệ phổ kế gamma phông thấp trường ĐH Sư phạm TP Hồ Chí Minh để đo đạc, nghiên cứu NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Nguồn gốc phóng xạ Từ tro bụi vụ nổ sao, khoảng 4.5 tỉ năm trước hình thành Hệ mặt trời hệ thống hành tinh Trong đám tro bụi đó, có lượng lớn nguyên tố phóng xạ Theo thời gian, đa số nguyên tố phóng xạ phân rã trở thành nguyên tố bền, chúng thành phần hệ thống hành tinh ngày Tuy nhiên, vỏ Trái đất nguyên tố phóng xạ, nguyên tố có thời gian bán rã cỡ tuổi Trái đất lớn Các đồng vị phóng xạ với sản phẩm chúng nguồn gốc xạ ion hóa tự nhiên tác dụng lên sinh vật Trái đất Một nguồn xạ ion hóa tự nhiên khác tia vũ trụ chúng vào tầng khí bề mặt Trái đất Có 60 nhân phóng xạ tìm thấy tự nhiên Nguồn gốc nhân phóng xạ phân thành ba loại sau: - Các nhân phóng xạ có từ hình thành nên Trái đất, gọi nhân phóng xạ nguyên thủy - Các nhân phóng xạ hình thành tương tác tia vũ trụ với vật chất Trái đất - Các nhân phóng xạ hình thành người tạo Các nhân phóng xạ hình thành hai nguồn gốc đầu gọi nhân phóng xạ tự nhiên, nhân phóng xạ người tạo gọi nhân phóng xạ nhân tạo 1.1.1 Nguồn gốc tự nhiên 1.1.1.1 Các đồng vị phóng xạ nguyên thủy: Phông phóng xạ Trái đất gồm nhân phóng xạ tồn trước Trái đất hình thành Cho đến nay, người ta biết chất phóng xạ Trái đất bao gồm nguyên tố uranium, thorium cháu chúng, số nguyên tố phóng xạ khác Uranium, thorium cháu chúng tạo nên ba họ phóng xạ họ thorium ( ( 235 232 Th), uranium ( 238 U), actinium U) Tất thành viên dòng họ này, trừ thành viên cuối cùng, đồng vị phóng xạ Uranium gồm ba đồng vị khác nhau: khoảng 99,3% uranium thiên nhiên là 235 -3 U, khoảng 5.10 % 234 U 238 U 234 238 U, khoảng 0,7% U thuộc họ họ uranium, 235 U thành 232 viên họ khác, gọi actinium Th thành viên họ thorium Họ phóng xạ thứ tư họ phóng xạ nhân tạo, gọi Neptunium Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là: - Thành viên thứ đồng vị phóng xạ sống lâu, thời gian bán rã đo theo đơn vị địa chất - Mỗi họ có thành viên tồn dạng khí phóng xạ, chúng đồng vị khác nguyên tố radon: họ uranium actinium 222 Rn (radon), họ thorium Rn (thoron), họ 219 Rn (action) Trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium thành viên khí phóng xạ - Sản phẩm cuối họ chì: 208 220 206 Pb họ uranium, 207 Pb họ actinium 209 Pb họ thorium Trong đó, thành viên cuối họ neptunium Bi Ngoài đồng vị phóng xạ ba họ thorium, uranium actinium, tự nhiên tồn số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Một số đồng vị 40 K, phổ biến môi trường, thực vật, động vật, thể người Đồng vị phóng xạ tự nhiên khác 14 C với thời gian bán rã 5600 năm Nó đồng vị “tự nhiên” đồng vị sống dài nêu mà kết biến đổi hạt nhân tia vũ trụ bắn phá hạt nhân 14 N Cacbon phóng xạ tồn khí dạng khí vật hít vào cối hấp thụ trình quang hợp 14 CO2 chúng Hình 1.1 Họ Thorium (4n) 4.2 Phân tích định lượng Diện tích phổ tính toán tự động nhờ chương trình Meastro-32 Các tính toán hoạt độ mẫu đất thực phần mềm tính toán Excel, máy tính cá nhân công thức trình bày chương Kết tính toán được trình bày bảng 4.2 4.3 kèm theo biểu đồ so sánh hoạt độ mẫu đất với Hình 4.1 So sánh hoạt độ phóng xạ mẫu đất Hình 4.1 So sánh hoạt độ phóng xạ mẫu đất 4.3 Đánh giá phân tích 4.3.1 Đánh giá phân tích: Giới hạn liều hiệu dụng trung bình dân chúng 2.4mSv/năm Các kết thực nghiệm cho thấy, số địa điểm địa phương Bình Thuận (0.96 mSv/năm), Đồng Nai (0.22mSv/năm), Lâm Đồng (0.35 mSv/năm), Tây Ninh (0.28 mSv/năm), Tiền Giang (0.71mSv/năm) có phông phóng xạ an toàn 4.3.2 Ưu điểm hạn chế phương pháp sử dụng hệ phổ kế gamma phông thấp để xác định phông tự nhiên - Ưu điểm: Ngoài việc xác định xác hoạt độ, phương pháp cho phép xác định thành phần nguyên tố mẫu đất hàm lượng chúng, thể tính ưu việt máy Inspector chỗ xác định nguyên tố mẫu đất nên xác định nguyên nhân gây phông phóng xạ - Hạn chế:  Công việc chọn vị trí lấy mẫu, đào mẫu, xử lý mẫu nhiều thời gian, tiền bạc công sức  Cần có mẫu chuẩn (phương pháp tương đối) KẾT LUẬN TỔNG KẾT NGHIÊN CỨU Đề tài: “Phân tích hoạt độ phóng xạ đồng vị Ra 226 , Th 232 ,K 40 mẫu đất đá” thực thời gian ngắn với quy mô nhỏ, hoàn thành mục tiêu đề Kết thu nhận sau: - Cơ sở lý thuyết: Nắm kiến thức phương pháp ghi nhận xạ hạt nhân - Phần thực nghiệm: Quá trình thực đề tài giúp sinh viên nắm bắt phương pháp thực nghiệm: lấy mẫu, xử lý mẫu, đo đạc mẫu, phân tích mẫu hệ phổ kế gamma phông thấp, xử lý phổ, tính toán… - Kết quả:  Xác định hoạt độ nhân phóng xạ 226 Ra, 232 Th, 40 K năm mẫu đất thuộc tỉnh miền Nam Việt Nam: Bình Thuận, Đồng Nai, Lâm Đồng, Tây Ninh, Tiền Giang  Tính toán tổng hoạt độ phóng xạ Ra tương đương liều hiệu dụng trung bình hàng năm phông phóng xạ địa phương kể - Nhận xét:  Các vật chất tự nhiên có chứa nguyên tố phóng xạ Tùy cấu kiến trúc, địa hình mà vùng có phông tự nhiên cao thấp khác Tính phóng xạ phông gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe người hàm lượng phóng xạ vượt tiêu chuẩn cho phép  Kết nghiên cứu sơ số mẫu đất cho thấy liều hiệu dụng trung bình năm (tính từ hoạt độ phóng xạ) phông địa phương thấp so với tiêu chuẩn Quốc tế ( phông phóng xạ tự nhiên không 2.4 mSv/năm) Do đó, cư dân vùng khảo sát sống môi trường phóng xạ an toàn Ngoài ra, trình làm luận văn giúp tác giả củng cố lại kiến thức đào tạo, có thêm kinh nghiệm quý báu trình làm thực nghiệm bổ sung thêm nhiều kiến thức mẻ vào sở lý thuyết học trường ĐỀ XUẤT Để đảm bảo mặt an toàn xạ cho người dân, cần phải xây dựng tiêu chuẩn quy định mức phóng xạ tự nhiên cho phép Việt Nam Ngoài ra, cần thực dự án nghiên cứu đánh giá toàn diện phông phóng xạ tự nhiên phạm vi nước cách phát triển đề tài quy mô toàn quốc, phải xây dựng đồ phông phóng xạ, từ giúp quan quản lí nhà nước có biện pháp đảm bảo An toàn xạ cho người dân THAM KHẢO [1] PGS-TS Nguyễn Minh Cảo, Giáo trình detector hạt bản, Trường ĐH Khoa học tự nhiên, 2003 [2] Trần Phong Dũng, Châu Văn Tạo, Nguyễn Hải Dương Phương pháp ghi xạ ion hóa, NXB ĐH Quốc gia TP Hồ Chí Minh [3] Trần Phong Dũng, Huỳnh Trúc Phương, Thái Mỹ Khê, Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [4] Phạm Quốc Hùng, Phóng xạ tự nhiên ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2007 [5] TS Nguyễn Văn Hùng, Các giảng An toàn xạ, Viện nghiên cứu hạt nhân – Trung tâm đào tạo, 2009 [6] PGS-TS Ngô Quang Huy, An toàn xạ ion hóa, NXB Khoa học kỹ thuật [7] PGS-TS Ngô Quang Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân [8] PGS-TS Ngô Quang Huy, Phóng xạ tự nhiên vật liệu xây dựng [9] Đinh Ngọc Lân, Truyện kể điện hạt nhân nguồn lượng tái tạo, NXB Giáo dục [10] Đinh Ngọc Lân, Năng lượng nguyên tử đời sống, NXB Văn hóa Thông tin, 2004 [11] TS Lương Đức Long, Th.S Nguyễn Văn Đoàn, Nghiên cứu, đánh giá hàm lượng phóng xạ tự nhiên vật liệu xây dựng Việt Nam [12] PGS-TS Hoàng Đắc Lực, Giáo trình thực hành Phổ kế gamma, Viện lượng nguyên tử Việt Nam [13] Phùng Thị Cẩm Tú, Xác định độ phóng xạ vật liệu xây dựng, Khóa luận tốt nghiệp [14] M Noguchi, Introduction to Radiation Measurement [15] Phần mềm RadDecay4 [16] www.google.com [17] www.thuviencongdong.org [18] www.vietnamnet.vn PHỤ LỤC