Khóa luận tốt nghiệp Đại học Xác định hoạt động phóng xạ trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề Tài: XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP FSA SVTH : Lê Thị Hổ CBHD : ThS Trương Thị Hồng Loan CN Đặng Nguyên Phương CBPB : ThS Nguyễn Đình Gẫm TP.HỒ CHÍ MINH – 2008 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập trường Đại học Khoa học Tự nhiên, em hướng dẫn tận tình thầy cô giảng dạy, đặc biệt thời gian thực khóa luận tốt nghiệp môn Vật lý Hạt nhân Em xin chân thành cảm ơn ThS Trương Thị Hồng Loan, người theo dõi suốt trình thực luận văn em Cô người tận tình giảng dạy, hướng dẫn em kiến thức bổ ích cần thiết để giúp em hoàn thành khóa luận Em xin cảm ơn CN Đặng Nguyên Phương giúp đỡ động viên em nhiều thời gian qua Anh hỗ trợ giải vấn đề khó khăn suốt thời gian thực luận văn Các thầy cô Khoa Vật lý, đặc biệt thầy cô Bộ môn Vật lý Hạt nhân truyền đạt cho em kiến thức quý báu giúp em hoàn thành khóa luận Em xin gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè ủng hộ, giúp đỡ để em hoàn thành khóa luận Cuối cùng, xin cảm ơn tất bạn lớp 04VLHN giúp đỡ thời gian qua Lê Thị Hổ MỤC LỤC Muc lục Danh mục bảng Danh muïc hình vẽ đồ thị Lời mở đầu CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG 1.1 Phóng xạ môi trường 1.1.1 Phóng xạ nguyên thủy 1.1.2 Phóng xạ vũ trụ 1.1.3 Phóng xạ nhân tạo 1.2 Một số đồng vị phóng xạ tự nhiên đất 10 1.2.1 Uranium 10 1.2.2 Thorium 11 1.2.3 Kali 11 1.3 Chuỗi phân rã đồng vị phóng xạ 12 1.3.1 Chuỗi Uranium 12 1.3.2 Chuoãi Thorium 12 1.3.3 Chuoãi Actinium 13 1.3.4 Kali 15 CHƯƠNG - DETECTOR GERMANIUM SIÊU TINH KHIẾT HPGE 16 2.1 Tổng quan detector HPGe 16 2.2 Những đặc trưng detector HPGe 17 2.2.1 Hieäu suaát 17 2.2.2 Độ phân giải lượng 18 2.2.3 Tỉ số ñænh / Compton 20 2.2.4 Dạng đỉnh 21 2.3 Hệ phổ kế gamma phòng thí nghiệm môn 22 2.3.1 Sơ lược hệ phổ kế gamma 22 2.3.2 Chức số thành phần hệ đo 23 CHƯƠNG - GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH FSA 25 3.1 Phương pháp WA 25 3.1.1 Phương pháp tương đối 25 3.1.2 Phương pháp tuyệt đối 26 3.2 Phương phaùp FSA 28 3.2.1 Phương pháp 28 3.2.2 Sai soá 31 3.3 Xây dựng chương trình phân tích mẫu môi trường phương pháp FSA 32 CHƯƠNG – XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHAÙP FSA 35 4.1 Chuẩn bị mẫu 35 4.1.1 Dụng cụ chứa mẫu 35 4.1.2 Chuẩn bị mẫu đo 36 4.1.2.1 Mẫu chuẩn 36 4.1.2.2 Mẫu đá bazan 36 4.1.2.3 Mẫu đá trắng 37 4.1.2.4 Phoâng 38 4.2 Dạng phổ thu 39 4.2.1 Phổ mẫu chuẩn 39 4.2.2 Phổ phông 41 4.2.3 Phổ mẫu cần phân tích 41 4.3 Kết 43 4.3.1 Phương pháp WA 43 4.3.1.1 Mẫu chuẩn 43 4.3.1.2 Mẫu đá bazan 44 4.3.1.3 Mẫu đá trắng 45 4.3.2 Phương pháp FSA 45 4.3.2.1 Mẫu đá bazan 45 4.3.2.2 Mẫu đá trắng 47 4.3.3 Nhận xét 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHUÏ LUÏC 53 DANH MUÏC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Kích thước hộp đựng mẫu 3π 35 Baûng 4.2 Hoạt độ đồng vị có mẫu chuẩn 37 Bảng 4.3 Hoạt độ mẫu chuẩn 44 Bảng 4.4 Hoạt độ mẫu ñaù bazan 44 Bảng 4.5 Hoạt độ mẫu đá trắng 45 Baûng 4.6 Hoạt độ mẫu đá bazan tính FSA 47 Bảng 4.7 Hoạt độ mẫu đá trắng tính FSA 48 Bảng 4.8 So sánh hoạt độ từ phương pháp phân tích 49 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Chuỗi Uranium A = 4n+2 12 Hình 1.2 Chuoãi Thorium A = 4n 13 Hình 1.3 Chuỗi Actinium A = 4n+3 14 Hình 1.4 K40 phân rã β bắt electron tạo Ar40 phân rã β tạo Ca40 15 Hình 2.1 Phổ nguồn phóng xạ Co60 19 Hình 2.2 Các dạng đỉnh theo thực nghiệm mô 21 Hình 2.3 Hệ đo gamma Phòng Thí Nghiệm Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 23 Hình 3.1 Xác định hoạt độ Th232 phương pháp WA 28 Hình 3.2 Xác định hoạt độ Th232 phương pháp FSA 29 Hình 3.3 Giao diện mở chương trình phân tích phổ gamma 32 Hình 3.4 Giao diện mở phổ 33 Hình 3.5 Giao diện mở FSA 33 Hình 3.6 Giao diện xuất kết 34 Hình 4.1 Hộp chứa maãu 3π 35 Hình 4.2 Hộp mẫu đá bazan 37 Hình 4.3 Hộp mẫu đá trắng 38 Hình 4.4 Phổ mẫu chuẩn Uranium 39 Hình 4.5 Phổ mẫu chuẩn Thorium 40 Hình 4.6 Phổ mẫu chuẩn Kali 40 Hình 4.7 Phổ phoâng 41 Hình 4.8 Phổ mẫu đá bazan 41 Hình 4.9 Phổ mẫu đá bazan sau trừ phông 42 Hình 4.10 Phổ mẫu đá trắng 42 Hình 4.11 Phổ mẫu đá trắng sau trừ phông 43 Hình 4.12 Phổ mẫu đá bazan chương trình FSA 46 Hình 4.13 Hoạt độ U238, Th232 K40 mẫu đá bazan 46 Hình 4.14 Phổ mẫu đá trắng chương trình FSA 47 Hình 4.15 Hoạt độ U238, Th232 K40 mẫu đá trắng 48 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật nói chung ngành Vật lý Hạt nhân nói riêng vô tình thải vào môi trường sống lượng chất phóng xạ đáng kể Mặc dù lượng phóng xạ khác nhiều nơi Trái Đất, có ảnh hưởng nhiều tới sinh vật đặc biệt sức khỏe người Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng chất phóng xạ có mẫu môi trường cần thiết Có nhiều phương pháp khác dùng xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường như: phương pháp kích hoạt hạt nhân, phương pháp phân tích huỳnh quang tia X, phương pháp đo phóng xạ tự nhiên… Mỗi phương pháp có ưu điểm hạn chế riêng, tùy theo mục đích mà lựa chọn phương pháp cho phù hợp kết xác Với điều kiện thực tế phòng thí nghệm môn mục đích xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường, đặc biệt mẫu rắn, tác giả thực luận văn tốt nghiệp với đề tài:” Xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường phương pháp FSA (Full Spectrum Analysis)” Đây phương pháp tương đối mới, dùng hệ phổ kế gamma phông thấp để xác định hoạt độ phóng xạ có mẫu phân tích Bên cạnh việc sử dụng phương pháp chủ yếu FSA, tác giả dùng phương pháp phổ biến việc xác định hoạt độ phóng xạ phương pháp WA (Window Analysis) để kiểm chứng lại kết phân tích CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG 1.1 Phóng xạ môi trường [4] Phóng xạ trái đất chia làm loại khác Phóng xạ nguyên thủy Phóng xạ vũ trụ Phóng xạ nhân tạo 1.1.1 Phóng xạ nguyên thủy Các nhân phóng xạ nguyên thủy có chu kỳ bán rã khoảng vài triệu năm, tồn từ trái đất hình thành Từ phân rã phóng xạ nhân phóng xạ nguyên thủy tạo nhân phóng xạ thứ cấp Một số nhân phóng xạ nguyên thủy tồn tới có chu kì bán rã gần với tuổi trái đất Ví dụ: U238 có chu kỳ bán hủy 4,47.109 năm Th232 có chu kỳ bán hủy 1,41.1010 năm K40 có chu kỳ bán hủy 1,28.109 năm 1.1.2 Phóng xạ vũ trụ Là xạ đến từ vũ trụ, tia phóng xạ chủ yếu proton hạt nhân nặng khác, từ bề mặt vũ trụ gọi xạ vũ trụ, liên tục bắn phá nguyên tử bền khí tạo nhân phóng xạ như: Na22, Be7 C14 49 Bảng 4.8 So sánh hoạt độ từ phương pháp phân tích Mẫu Đồng vị Hoạt độ (Bq/kg) Phương pháp WA Phương pháp FSA Sai lệch Mẫu U238 12,6602 17,1134 26% đá Th232 12,6404 17,6028 28% bazan K40 262,6627 300,1915 13% Mẫu U238 67,0639 68,2958 2% đá Th232 91,8987 104,7477 12% trắng K40 1304,0482 978,0064 25% 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với mục tiêu đề tài xác định hoạt độ phóng xạ có mẫu môi trường phương pháp FSA, dùng hệ phổ kế gamma phông thấp có Phòng Thí nghiệm Bộ môn để đo Trong phần lý thuyết, tác giả nắm kiến thức loại phóng xạ tự nhiên, nguồn gốc phát sinh nguồn phóng xạ, đặc trưng hệ phổ kế gamma phương pháp xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ tự nhiên đặc biệt phương pháp FSA, phương pháp tương đối Trong phần thực nghiệm, tác giả thu kết sau:  Nắm vững quy trình chuẩn bị mẫu để phân tích đo mẫu Phòng Thí Nghiệm Bộ Môn  Xây dựng chương trình phân tích phổ FSA dùng xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ U238, Th232 K40 có mẫu môi trường đặc biệt mẫu rắn  Kết thu từ phương pháp FSA sai lệch tương đối cao so với kết tính từ phương pháp WA mẫu bazan, sai lệch nhỏ mẫu đá trắng Vì điều kiện phòng thí nghiệm nhiều mẫu chuẩn đất để ng kiểm tra tính xác phương pháp nên chưa thể kết luận phương pháp cho kết tốt Ưu điểm phương pháp FSA xác định hoạt độ tương đối nhanh nhờ vào chương trình FSA xây dựng luận văn Ngoài ra, phổ mẫu chuẩn thay phổ mô điều kiện phòng thí nghiệm mẫu chuẩn 51 Do hạn chế thời gian thực khóa luận nên tác giả chưa khai thác hết ưu điểm phương pháp FSA Do vậy, tác giả có kiến nghị cho hướng nghiên cứu sau này:  Mở rộng việc xác định hoạt độ cho đồng vị khác đồng vị U238, Th232 K40  Sử dụng thuật toán làm khớp khác có hiệu quảø cao  Sử dụng mô Monte Carlo để tạo phổ chuẩn thay phải đo đạc phổ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Ái Khanh (2007), Khảo sát hiệu suất Detector HPGe với hình học mẫu lớn phương pháp Monte carlo , Luận văn Thạc Só, Thành Phố Hồ Chí Minh [2] Trương Thị Hồng Loan (2006), Giáo trình Các phương pháp thống kê đánh giá số liệu thực nghiệm hạt nhân [3] Trương Thị Hồng Loan (2006), Giáo trình Vật lý phóng xạ [4] Nguyễn Thị Hoàng Oanh (2008), Xây dựng quy trình chế tạo mẫu chuẩn Uran Kali để xác định hoạt độ phóng xạ tia gamma mẫu đất , Khóa luận tốt nghiệp trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Thành Phố Hồ Chí Minh [5] Đỗ Vũ Ngọc Trung (2008), Xác định hoạt độ phóng xạ tự nhiên mẫu đất xung quanh trung tâm chiếu xạ ViNa-Gamma, Khóa luận tốt nghiệp trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Thành Phố Hồ Chí Minh Tiếng Anh [6] Katse Piet Maphoto (2004), Determination of Natural Radioactivity Concentrations in Soil: a comparative study of Windows and Full Spectrum Analysis ,University of Western Cape [7] www.iaea.org/programmes/aqcs/reports.shtml 53 PHỤ LỤC Chương trình xác định hoạt độ mẫu môi trường phương pháp FSA #include #include #include #pragma hdrstop #include "Unit1.h" #include "Unit2.h" #include "Unit3.h" #include "Unit4.h" #include "Unit5.cpp" #include "Unit6.cpp" #include "Unit7.h" #include "Unit8.h" // #pragma resource "*.dfm" TfrmMain *frmMain; // - fastcall TfrmMain::TfrmMain(TComponent* Owner) : TForm(Owner) { frmMain->Top=0; frmMain->Left=0; frmMain->Height=Screen->Height; frmMain->Width=Screen->Width; ////////// Panel1->Height = frmMain->Height-200; Panel1->Width = frmMain->Width-160; 54 Image1->Height = Panel1->Height; Image1->Width = Panel1->Width; ///////// Label1->Top = Panel1->Top + Panel1->Height + 10; lblChannel->Top = Label1->Top; Label3->Top = Label1->Top; lblCount->Top = Label1->Top; Label4->Top = Label1->Top; lblEnergy->Top = Label1->Top; Label1->Left = Panel1->Left + 130; lblChannel->Left = Label1->Left + Label1->Width + 5; Label3->Left = lblChannel->Left + lblChannel->Width + 40; lblCount->Left = Label3->Left + Label3->Width + 5; Label4->Left = lblCount->Left + lblCount->Width + 40; lblEnergy->Left = Label4->Left + Label4->Width + 5; //////// Xmax=Image1->Width; Ymax=Image1->Height-10; } // -void fastcall TfrmMain::mnuOpenClick(TObject *Sender) { FILE *FOpen; int i=0; MAX_COUNT=0; //DoubleBuffer = new Graphics::TBitmap; if(cmdOpen->Execute()) { FOpen = fopen(cmdOpen->FileName.c_str(),"r+"); 55 if(FOpen == NULL) { ShowMessage("The file could not be opened"); return; } Refresh(); //Panel1->Refresh(); while (!feof(FOpen)) { fscanf(FOpen, "%lf", &data[++i]); if(data[i]>MAX_COUNT) MAX_COUNT=data[i]; } strcat(spectrum_name,cmdOpen->FileName.c_str()); CHANNEL=i; fclose(FOpen); MIN_CHANNEL=1; MAX_CHANNEL=CHANNEL; DoubleBuffer = new Graphics::TBitmap; plot_background(); plot(pointer); frmMain->txtLeftROI->Text=""; frmMain->txtRightROI->Text=""; frmMain->Label8->Visible=False; frmMain->Label9->Visible=False; frmMain->Label10->Visible=False; frmMain->lblCentroid->Visible=False; frmMain->lblSigma->Visible=False; } // -void *Sender) { fastcall TfrmMain::mnuSaveAsClick(TObject 56 FILE *FSave; int i=0; if(cmdSave->Execute()) { FSave = fopen(cmdSave->FileName.c_str(),"wt"); if(FSave == NULL) { ShowMessage("The file could not be saved"); return; } for(i=1;iClose(); } // -#include #include #pragma hdrstop 58 #include "Unit9.h" // -#pragma resource "*.dfm" TfrmFSA_result *frmFSA_result; void Tinh(); void matran(); double xuatfile[9000],phochuan[3][9000]; double anpha[30][30],epsilon[30][30],beta[30],a[30]; int CHANNEL=8192; FILE *in; // - fastcall TfrmFSA_result::TfrmFSA_result(TComponent* Owner) : TForm(Owner) { FILE *in; int i,j; double MU=0.74,MTh=0.69,MK=0.825,Md=0.77; double AU=4940,ATh=3250,AK=14000; double Tc=36000,Td=172800; in = fopen("pho.TKA", "r+"); if (in == NULL) { fprintf(stderr, "Cannot open input file.\n"); return; } for (i=1;iClose(); } // 60 void Tinh() { int i,j,k; if(CHANNEL