Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2)

Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2) Nghiên cứu xác định hoạt độ gamma trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA(2)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN - - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ GAMMA TRONG MẪU MÔI TRƢỜNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP FSA SỬ DỤNG HỆ PHỔ KẾ HPGe SVTH: Võ Thanh Bình CBHD: TS Trƣơng Thị Hồng Loan CBPB: TS Trần Duy Tập THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2014 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHCM, em hướng dẫn tận tình thầy giảng dạy, đặc biệt thời gian thực khóa luận tốt nghiệp mơn Vật Lí Hạt Nhân Em xin chân thành cảm ơn TS.Trương Thị Hồng Loan, người theo dõi suốt trình thực luận văn em Cơ người tận tình giảng dạy, hướng dẫn em kiến thức bổ ích cần thiết để giúp em hồn thành khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn đến quí thầy khoa Vật Lí, đặc biệt thầy mơn Vật Lí Hạt Nhân truyền đạt cho em kiến thức quí báu giúp em hồn thành khóa luận Em xin gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè ủng hộ giúp đỡ để em hồn thành khóa luận Cuối cùng, xin cảm ơn tất bạn lớp 10VLHN ln giúp đỡ thời gian qua Võ Thanh Bình -i- MỤC LỤC Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh mục viết tắt iv Danh mục bảng v Danh mục hình vẽ đồ thị vi Mở đầu CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ PHĨNG XẠ TRONG MƠI TRƢỜNG 1.1 1.2 C đ ƣ 1.2.1 H ng ố phân rã λ 1.2.2 Chu ì b n rã T1/2 1.2.3 Thời gian ống trung bình τ 1.2.4 Định luật phân rã ph ng 1.2.5 Độ ph ng 13 P ƣờ 1.3.1 h ng nguy n thủy 1.3.2 h ng v trụ 1.3.3 h ng nhân tạo 14 M đ đ 1.4.1 Uranium 1.4.2 Thorium 1.4.3 Kali 15 C đ 1.5.1 Chu i Uranium (A=4n+2) 1.5.2 Chu i Thorium (A=4n) 1.5.3 Chu i ctinium (A=4n+3) 1.5.4 Đồng vị Kali 11 CHƢƠNG ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 Đ ƣợ ứ 13 2.2 Th ế b ậ -H ổ kế HPGe 13 2.2.1 Giới thiệu 13 2.2.2 Hệ phổ kế gamma GMX đầu dò HPGe 16 23 Gớ ƣơ đ đ ƣờ 18 2.3.1 hương ph p W 18 2.3.2 hương ph p FS 21 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO UẬN 25 -ii- 3.1 Xác đ nh ho đ c a m t s ngu n đ ểm bằ ƣơ FSA 25 3.1.1 Các nguồn chuẩn 25 3.1.2 Nguồn phân tích 25 3.1.3 Dạng phổ thu 26 3.1.3.1 Phổ phông 26 3.1.3.2 Phổ chuẩn 26 3.1.3.3 Phổ phân tích 27 3.1.4 Kết thảo luận 29 3.1.4.1 Phương pháp FSA 29 3.1.4.2 Phương pháp WA 30 3.1.4.3 So sánh kết FSA WA 31 3.2 Xác đ nh ho đ c a mẫ ƣờng bằ ƣơ FSA 33 3.2.1 Hình học mẫu 33 3.2.2 Chuẩn bị mẫu 34 3.2.2.1 Mẫu chuẩn 34 3.2.2.2 Mẫu phân tích 35 3.2.3 Dạng phổ thu 35 3.2.3.1 Phổ phông 35 3.2.3.2 Phổ chuẩn 36 3.2.3.3 Phổ phân tích 38 3.2.4 Kết thảo luận 39 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC 48 Phụ lục A Phổ đo 48 Phụ lục B Thông tin hệ đo, mẫu chuẩn, mẫu phân tích 56 Phụ lục C Đỉnh lượng số đồng vị 58 -iii- DANH MỤC VIẾT TẮT EC: Electron Capture FSA: Full Spectrum Analysis HPGe: High Pure Germanium GMX: Gamma-X ray RGU1: Mẫu chuẩn Uranium 238U RGTh1: Mẫu chuẩn Thorium 232Th RGK1: Mẫu chuẩn Kali 40K WA: Window Analysis -iv- DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Độ phân giải lượng ( eV) loại đầu dò khác .13 Bảng 3.1 Thông tin nguồn điểm chuẩn .25 Bảng 3.2 Thông tin nguồn cần phân tích 26 Bảng 3.3 Giá trị hoạt độ nguồn điểm tính b ng phương ph p FSA 29 Bảng 3.4 Giá trị hoạt độ nguồn điểm tính b ng phương ph p WA 30 Bảng 3.5 So sánh giá trị hoạt độ tính tốn hai phương ph p WA FSA nguồn điểm phân tích 31 Bảng 3.6 Hoạt độ c c đồng vị có mẫu chuẩn đất (Bq/kg) .34 Bảng 3.7 Thời gian đo hối lượng mẫu chuẩn đất 35 Bảng 3.8 Thời gian đo hối lượng mẫu phân tích .35 Bảng 3.9 Hoạt độ phóng xạ mẫu phân tích sai số tính b ng FSA 39 Bảng 3.10 Hoạt độ phóng xạ mẫu phân tích sai số tính b ng WA .39 Bảng 3.11 Đ nh gi độ lệch hoạt độ tính phương ph p FS o với W 12 mẫu đất Đa lak 40 Bảng 3.12 Đ nh gi độ lệch hoạt độ tính phương ph p FS o với WA 12 mẫu đất Đa lak (tiếp theo) 41 -v- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Chu i Uranium A=4n+2 10 Hình 1.2 Chu i Thorium A=4n 11 Hình 1.3 Chu i Actinium A=4n+3 12 Hình 1.4 Sơ đồ K40 phân rã β+ bắt electron tạo 40 r phân rã β- tạo 40Ca 12 Hình 2.1 Phổ nguồn phóng xạ 60Co 14 Hình 2.2 Detector bán dẫn hệ thống làm lạnh .15 Hình 2.3 Hệ phổ kế gamma GMX đầu dò HPGe .17 Hình 3.1 Phổ phơng c đặt gi đỡ mi ca .26 Hình 3.2 Phổ mẫu chuẩn 133Ba chưa trừ phông 27 Hình 3.3 Phổ mẫu chuẩn 109Cd chưa trừ phơng 27 Hình 3.4 Phổ mẫu 133Ba chưa trừ phông 28 Hình 3.5 Phổ mẫu 109Cd chưa trừ phông 28 Hình 3.6 Phổ mẫu kết hợp (gồm 65Zn-137C ) chưa trừ phông 29 Hình 3.7 Biểu đồ so sánh kết tính tốn hoạt độ hai phương ph p FS WA nguồn điểm có đồng vị 32 Hình 3.8 Biểu đồ so sánh kết tính tốn hoạt độ hai phương ph p FS W nguồn điểm kết hợp hai đồng vị 32 Hình 3.9 Tỉ số hoạt độ (FSA/WA) nguồn điểm sai số tương ứng 33 Hình 3.10 Hộp đựng mẫu Marinelli 33 Hình 3.11 Mặt cắt dọc hộp đựng mẫu Marinelli 34 Hình 3.12 Phổ phông đo 24 .36 Hình 3.13 Phổ chuẩn 238U (RGU1) 36 Hình 3.14 Phổ chuẩn 232Th (RGTh1) .37 Hình 3.15 Phổ chuẩn 40K (RGK1) 37 Hình 3.16 Phổ mẫu đất BB 38 Hình 3.17 Phổ mẫu đất BD 38 Hình 3.18 Biểu đồ so sánh hoạt độ 238U mẫu b ng FSA WA 42 -vi- Hình 3.19 Biểu đồ so sánh hoạt độ 232Th mẫu b ng FSA WA .42 Hình 3.20 Biểu đồ so sánh hoạt độ 40K mẫu b ng FSA WA 43 Hình 3.21 Tỉ số hoạt độ (FS /W ) 238U .43 Hình 3.22 Tỉ số hoạt độ (FS /W ) 232Th 44 Hình 3.23 Tỉ số hoạt độ (FS /W ) 40K .44 Hình A.1 Phổ nguồn điểm 57 Co 48 Hình A.2 Phổ nguồn điểm 60 Co 48 Hình A.3 Phổ nguồn điểm 54 Mn .49 Hình A.4 Phổ nguồn điểm 22 Na 49 Hình A.5 Phổ mẫu 65Zn 50 Hình A.6 Phổ nguồn điểm 137 Cs .50 Hình A.7 Phổ mẫu đất BC 51 Hình A.8 Phổ mẫu đất BEB .51 Hình A.9 Phổ mẫu đất BM 52 Hình A.10 Phổ mẫu đất BR 52 Hình A.11 Phổ mẫu đất BK .53 Hình A.12 Phổ mẫu đất T1 .53 Hình A.13 Phổ mẫu đất BCH .54 Hình A.14 Phổ mẫu đất BT 54 Hình A.15 Phổ mẫu đất YT 55 Hình A.16 Phổ mẫu đất TH 55 Hình B.1 Mẫu chuẩn đặt hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe .56 Hình B.2 Các mẫu chuẩn RGU1, RGTh1, RGK1 56 Hình B.3 Các mẫu đất cần phân tích 57 -vii- MỞ ĐẦU Trong việc xác định hoạt độ mẫu phóng xạ, phương pháp phổ biến phương pháp Window Analysis (WA) Trong phương pháp này, hoạt độ mẫu xác định dựa diện tích đỉnh, kết hợp với thông số xác suất phát gamma, thời gian đo, hiệu suất ghi nhận detector,… Việc xác định hoạt độ phương pháp đòi hỏi việc trừ phơng tách đỉnh phổ tốt Bên cạnh đó, hiệu ứng trình đo đạc trùng phùng thực, tự hấp thụ hay sai số số liệu từ thư viện hạt nhân dẫn đến tăng thêm hay giảm bớt giá trị diện tích đỉnh gây sai lệch đáng kể cho kết tính tốn hoạt độ phương pháp WA Để hạn chế điều này, thay xác định hoạt độ dựa đỉnh gamma riêng rẽ, sử dụng phương pháp khác nhằm xác định hoạt độ dựa toàn phổ gamma ghi nhận, phương pháp gọi phương pháp phân tích tồn phổ Full Spectrum Analysis (FSA) Do phương pháp FSA lên quan đến việc tính tốn tồn phổ nên có số ưu điểm trội so với phương pháp truyền thống chẳng hạn loại bỏ phần lớn sai số việc xác định diện tích đỉnh trùng phùng, trừ phông Compton, thống kê sai số mặt kĩ thuật hệ đo gây Một cơng trình áp dụng phương pháp FSA vào phân tích phổ gamma thu từ hệ phổ kế HPGe cơng trình Katse Piet Maphoto (2004) [7] Tác giả xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ nguyên thủy 238U, 232 Th 40K mẫu cát, đất quặng Kết cho thấy có phù hợp tốt hai phương pháp WA FSA Ở nước, phương pháp FSA lần tìm hiểu khóa luận tốt nghiệp Lê Thị Hỗ (2008) [2] Tuy nhiên, độ lệch hoạt độ tính phương pháp FSA so với WA đạt khóa luận cỡ 30% Trong luận văn Nguyễn Thị Cẩm Thu (2010) [3], tính tốn hoạt độ số mẫu đất phương pháp FSA ý đến việc hiệu chỉnh trôi kênh phép đo dài mẫu mơi trường tính tốn Trong khóa luận tác giả tiếp tục nghiên cứu chi tiết cách tiến hành thực phương pháp FSA nhằm xây dựng quy trình phân tích tốt, nâng cao khả độ xác phân -1- tích hoạt độ Nội dung khóa luận bao gồm: Phần mở đầu, ba chương, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo phụ lục Chương giới thiệu tổng quan tượng phóng xạ, nguồn gốc phơng phóng xạ mơi trường, phả hệ đồng vị phóng xạ phát alpha, beta, gamma mẫu mơi trường Chương trình bày đối tượng nghiên cứu, thiết bị ghi nhận xạ phương pháp phân tích hoạt độ gamma Chương trình bày kết phân tích hoạt độ gamma nguồn điểm phát gamma đơn đa hãng TSpectrum 12 mẫu đất chứa đồng vị 238 U, 232Th, 40K cần phân tích thu thập từ vùng đất Đắk lắk sử dụng phương pháp toàn phổ FSA So sánh đánh giá phương pháp FSA so với phương pháp truyền thống WA -2- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với mục tiêu xác định hoạt độ phóng xạ có mẫu môi trường phương pháp FSA, sử dụng hệ phổ kế gamma phơng thấp HPGe, khóa luận tác giả thực được: - Tìm hiểu tổng quan kiến thức loại phóng xạ tự nhiên, nguồn gốc phóng xạ mơi trường - Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo hệ phổ kế gamma đặc trưng - Nắm phương pháp xác định hoạt độ gamma đồng vị phóng xạ tự nhiên hệ phổ kế GMX đầu dò HPGe, đặc biệt phương pháp phân tích tồn phổ FSA - Xây dựng chương trình thuật tốn phân tích hoạt độ phương pháp FSA dựa việc làm khớp bình phương tối thiểu tuyến tính sử dụng phương pháp ma trận ngôn ngữ lập trình C - Áp dụng tính tốn hoạt độ gamma FSA bảy nguồn điểm (chứa đồng vị phóng xạ 133Ba, 109Cd, 57Co, 60Co, 54Mn, 22Na, nguồn kết hợp 65Zn137 Cs) phát gamma đơn đa hãng TSpectrum sử dụng tám nguồn điểm chứa tám đồng vị phóng xạ 137 133 Ba, 109 Cd, 57 Co, 60 Co, 54 Mn, 22 Na, 65 Zn Cs hãng Eckert & Ziegler M để chuẩn hoạt độ Kết so sánh với giá trị hoạt độ tính WA cho độ lệch 13 đặt nguồn khoảng cách 25cm so với mặt đầu dò - Áp dụng tính tốn hoạt độ gamma đồng vị 238 U, 232 Th, 40 K có 12 mẫu đất thu thập Đắk lắk phương pháp FSA sử dụng mẫu chuẩn đất RGU1, RGTh1 RGK1 IAEA Kết so sánh với giá trị hoạt độ tương ứng tính WA cho độ lệch 12%, ngoại trừ ba mẫu đất YT, BT, TH có độ lệch hoạt độ 40K lớn ba mẫu (YT lệch 34,6%, TH lệch 49,5%, BT lệch 38,6%) Độ lệch lớn giải thích mật độ mẫu chuẩn RGK1 (1,7 g/cm3) lớn so với mật độ mẫu phân tích (khoảng -45- 1,25g/cm3) Từ đó, tác giả thấy mặt hạn chế phương pháp WA, đồng thời c ng thấy số mặt hạn chế phương pháp FSA Do hạn chế thời gian điều kiện thực khóa luận nên tác giả chưa khai khác hết vấn đề liên quan đến phương pháp FSA Do vậy, tác giả có kiến nghị cho hướng nghiên cứu sau này: - Sử dụng thuật toán làm khớp khác có hiệu cao - Hiệu chỉnh hiệu ứng mật độ cho phép đo mẫu môi trường mẫu chuẩn mẫu phân tích khơng mật độ - Sử dụng nhiều phương pháp khác thay phương pháp WA để kiểm chứng lại tính xác phương pháp FSA -46- TÀI LI ỆU KHAM KHẢO Tiếng Vi t [1] Đỗ V 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, ĐHQG-HCM [2] Lê Thị Hỗ ( 8), Xác định hoạt độ mẫu mơi trường phương pháp FSA, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG-HCM [3] Nguyễn Thị Cẩm Thu (2010), Khảo sát phông tối ưu hóa hiệu suất cho hệ phổ kế HPGe phép đo mẫu môi trường, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG-HCM [4] Nguyễn Thị Hồng 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, ĐHQG-HCM [5] Trương Thị Hồng Loan (2010), Giáo trình Vật lí phóng xạ, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG-HCM [6] Phan Thị Hồng Châu (2014), Đánh giá hoạt độ phóng xạ gamma số mẫu đất Đak lak hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại Học Cần Thơ Tiếng Anh [7] Kaste Piet Mapoto (2004), Determination of Natural Radioactivity Concentrations in soil: a comparative study of Windows and Full spectrum Analysis, University of Western Cape [8] Philip R Bevington, D Keith Robinson (1992), Data reduction and error analysis for the physical sciences, Mc Graww Hill, Inc., New York [9] www.google.com [10] www.iaea.org/programmes/aqcs/reports.html -47- Ph l c A Phổ A-1: Phổ c a ngu ểm Hình A.1 Phổ nguồn điểm 57 Co Hình A.2 Phổ nguồn điểm 60 Co -48- Hình A.3 Phổ nguồn điểm Hình A.4 Phổ nguồn điểm -49- 22 54 Mn Na Hình A.5 Phổ mẫu 65Zn đo khoảng 5,5 Hình A.6 Phổ mẫu 137Cs đo khoảng 14 -50- A-2 Phổ c a mẫ ƣ ng Hình A.7 Phổ mẫu đất BC Hình A.8 Phổ mẫu đất BEB -51- Hình A.9 Phổ mẫu đất BM Hình A.10 Phổ mẫu đất BR -52- Hình A.11 Phổ mẫu đất BK Hình A.12 Phổ mẫu đất T1 -53- Hình A.13 Phổ mẫu đất BCH Hình A.14 Phổ mẫu đất BT -54- Hình A.15 Phổ mẫu đất YT Hình A.16 Phổ mẫu đất TH -55- Ph l c B Thông tin h , ẫu chuẩn, mẫu phân tích Hình B.1 Mẫu chuẩn đặt hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe Hình B.2 Các mẫu chuẩn RGU1, RGTh1, RGK1 -56- Hình B.3 Các mẫu đất cần phân tích -57- Ph l c C Thông tin ỉ ă ƣợng c a m t s ng vị Bảng C.1: Năng lượng số đồng vị (keV) Năng lƣợ (keV) 122,0614 57 Co 136,4743 1173,228 60 Co 1332,5 22 Na 137 1274,537 32 Cs 661,657 54 Mn 109 65 834,838 Cd 88,04 Zn 1115,546 Bảng C.2: Năng lượng số đồng vị (KeV) Năng lƣợ (keV) 30,9731 53,1622 81 133 276,4 Ba 302,85 356,02 383,85 -58- Bảng C.3: Năng lượng số đồng vị (keV) Đ ị Nă lƣợ (keV) Chuỗi 232Th 338,4 228 794,8 Ac 911,2 966,8 212 Bi 208 727,3 Tl 860,3 Đồng vị 40K 40 K 1460,8 Bảng C.4: Năng lượng số đồng vị (keV) Đ ị Nă lƣợ Chuỗi 238U 226 Ra/235U 214 186,1 295,1 Pb 352,0 934,0 1120,3 214 1238,1 Bi 1377,7 1765,5 2204,1 -59- (keV) ... hoạt độ phương pháp WA Để hạn chế điều này, thay xác định hoạt độ dựa đỉnh gamma riêng rẽ, sử dụng phương pháp khác nhằm xác định hoạt độ dựa toàn phổ gamma ghi nhận, phương pháp gọi phương pháp. .. MỞ ĐẦU Trong việc xác định hoạt độ mẫu phóng xạ, phương pháp phổ biến phương pháp Window Analysis (WA) Trong phương pháp này, hoạt độ mẫu xác định dựa diện tích đỉnh, kết hợp với thông số xác suất... Có nhiều phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ gamma sử dụng hệ phổ kế gamma Trong phần tác giả phân biệt phương pháp xác định hoạt độ gamma dựa vào thông tin diện tích đỉnh phổ (phương pháp WA