Lập phương trình xác định hàm lượng các nguyên tố phóng xạ trong các mẫu đất đá trong hệ phổ kế gamma ORTEC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Lê Thùy Ngân LẬP PHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG CÁC NGUN TỐ PHĨNG XẠ TRONG MẪU ĐẤT ĐÁ TRONG HỆ PHỔ KẾ GAMMA ORTEC LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Lê Thùy Ngân LẬP PHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG CÁC NGUN TỐ PHĨNG XẠ TRONG MẪU ĐẤT ĐÁ TRONG HỆ PHỔ KẾ GAMMA ORTEC Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Văn Loát Hà Nội - Năm 2013 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TÍNH CHẤT PHĨNG XẠ CỦA ĐẤT ĐÁ VÀ VẬT LIỆU XÂY DỰNG 10 1.1 Qui luật phân rã phóng xạ 10 1.1.1.Phân rã phóng xạ đơn giản 10 1.1.2 Chuỗi nhiều phân rã phóng xạ 11 1.1.3 Cân phóng xạ 13 1.2 Phân rã gamma 18 1.2.1 Dịch chuyển gamma 18 1.2.2 Hệ số phân nhánh 18 1.3 Các nguyên tố phóng xạ đất đá vật liệu xây dựng 21 1.3.1 Hạt nhân phóng xạ nguyên thủy 21 1.3.2.Ba chuỗi phóng xạ tự nhiên 24 1.3.4 Đặc điểm ba dãy phóng xạ tự nhiên 28 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ THEO PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA 29 2.1 Tương tác gamma vật chất 29 2.1.1 Hiệu ứng quang điện 29 2.1.2 Tán xạ Compton 30 2.1.3 Sự tạo cặp 31 2.1.4 Sự suy giảm tia gamma 32 2.2 Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ gamma 34 2.2.1 Cơ sở phương pháp 34 2.2.2 Hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 38 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Khảo sát độ ổn định hệ phổ kế gamma ORTEC bán dẫn 43 3.2 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi để xác định hoạt độ đất đá 44 3.2.1 Đường cong hiệu suất ghi 44 3.2.2 Đường cong hiệu suất ghi mẫu hình trụ 45 3.2.3 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi mẫu hình giếng 49 3.3 Xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường vật liệu xây dựng 53 3.3.1 Quy trình phân tích 53 3.3.2 Kết phân tích hoạt độ phóng xạ riêng số mẫu đất vật liệu xây dựng 55 3.4 Phương trình phân tích nguyên tố phóng xạ mẫu đất đá 59 KẾT LUẬN 63 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu Thứ tự Nội dung Trang Bảng 1.1 Các hạt nhân nguyên thủy thuộc loại phóng xạ riêng lẻ 21 Bảng 1.2 Dãy phóng xạ 238U 24 Bảng 1.3 Dãy phóng xạ 232Th 25 Bảng 1.4 Dãy phóng xạ 235U 26 Bảng 2.1 Các đỉnh gamma có cường độ mạnh đồng vị phóng 34 xạ tự nhiên phát Bảng 3.1 Giá trị cựa đại đỉnh diện tích đỉnh đo ngày 13 19 42 tháng Bảng 3.2 Kết thực nghiệm xác định hiệu suất ghi đỉnh hấp 46 thụ toàn phần xạ gamma từ nguồn RGU1 100g Bảng 3.3 Giá trị thực nghiệm hoạt độ phóng xạ ba vạch gamma 48 dãy phân tích Bảng 3.4 Kết thực nghiệm xác định hiệu suất ghi đỉnh hấp 50 thụ toàn phần xạ gamma từ nguồn RGTh1 479g Bảng 3.5 Hoạt độ phóng xạ 152Eu xác định phổ kế gamma 52 ORTEC Bảng 3.6 Kết xác định hoạt độ phóng xạ riêng mẫu đất DO1 55 Bảng 3.7 Kết hoạt độ phóng xạ riêng mẫu xi măng Xim phông 56 Bảng 3.8 Kết hoạt độ phóng xạ riêng mẫu đất Hòa Bình 57 Bảng 3.9 Kết hoạt độ phóng xạ riêng nguyên tố phóng xạ tự 58 nhiên 137Cs đất đá vật liệu xây dựng Bảng 3.10 Hàm lượng Uran, Thori, Kali đất đá vật liệu xây dựng 60 Danh mục hình vẽ Thứ tự Nội dung Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc vào thời gian hoạt độ phóng xạ Trang 14 99m Tc 99Mo Hình 1.2 Một ví dụ cân kỉ cho thấy hạt nhân mẹ 230Th hạt 16 nhân 226Ra đạt tới điểm cân Hình 1.3 (a) Sơ đồ phân rã 210Bi; (b) Sơ đồ phân rã 210Pb 18 Hình 1.4 Sơ đồ phân rã 226Ra 19 Hình 1.5 Sơ đồ phân rã 228Ac với ba kiểu phân rã cạnh tranh 19 Hình 1.6 Sơ đồ phân rã 10,72% 40K thành 40Ar 22 Hình 1.7 Chuỗi phóng xạ 238U sản phẩm tạo thành 24 Hình 1.8 Chuỗi phóng xạ 232Th sản phẩm tạo thành 25 Hình 1.9 Chuỗi phóng xạ 235U sản phẩm tạo thành 26 Hình 2.1 Sơ đồ hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 37 Hình 2.2 Buồng chì ORTEC hệ phổ kế gamma phông thấp ORTEC 38 Hình 3.1 Mẫu đo dạng hình trụ có chứa mẫu khơng chứa mẫu 45 Hình 3.2 Phổ phơng hệ thiết bị phổ gamma thời gian 104116s 46 Hình 3.3 Đồ thị đường cong hiệu suất ghi cấu hình đo dạng hình trụ 47 Hình 3.4 Mẫu đo dạng hình giếng 49 Hình 3.5 Phổ gamma mẫu RGTh1 479 g 7046,88s 49 Hình 3.6 Đồ thị đường cong hiệu suất ghi cấu hình đo dạng hình giếng 51 Hình 3.7 Phổ gamma mẫu chuẩn IAEA 52 Hình 3.8 Phổ gamma mẫu đất đá đảo Trường sa DO1 533g 94703s 54 Hình 3.9 Phổ gamma mẫu xi măng Xim phông 368,6g 23601s 54 Hình 3.10 Dạng phổ gamma mẫu đất Hòa Bình 100g 19647,04s 56 MỞ ĐẦU Các cơng trình nghiên cứu [2,3,9] nước,khơng khí, thực vật, động vật thể người chứa đồng vị phóng xạ Khi nghiên cứu đánh giá liều chiếu hàng năm đến người, đất đá vật liệu xây dựng quan tâm đặc biệt Đất đối tượng chứa chất phóng xạ, thành phần chuỗi: đất- thực động vật- thức ăn- người Cácnguyên tố phóng xạ tự nhiên nguyên tố phóng xạ nhân tạo có đất đá, nguyên nhân gây chiếu xạ chiếu xạ cho người Theo tính tốn an tồn xạ, liều chiếu từ vật liệu xây dựng nhà chiếm cỡ 11%, tương đương với liều chiếu xạ gamma phát từ đất bề mặt Đặc biệt Radon đóng góp cỡ 50% liều hiệu dụng hàng năm Chính lý đó, thời gian gần độ phóng xạ vật liệu xây dựng quan tâm, đất đá hoạt độ phóng xạ vật liệu xây dựng chủ yếu đồng vị phóng xạ tự nhiên gây Vật liệu xây dựng phần lớn chế tạo từ đá lấy từ bề mặt Trái đất, mà Trái đất hình thành từ nhiều nguyên tố khác nhau, có nguyên tố phóng xạ, nguyên tố phân bố rộng khắp Trái đất như: thạch quyển, địa thủy quyển, khí sinh Nguyên tố phóng xạ tự nhiên có sớm, tuổi với vũ trụ Các chất phóng xạ tự nhiên gồm hạt nhân chuỗi uranium (U), thorium (Th) hạt nhân kali Vì mà vật liệu xây dựng chứa lượng phóng xạ tự nhiên định.Với nhu cầu sống người ngày cao vấn đề xây dựng nhà cửa quan tâm mức Khi người sống ngơi nhà trở thành “chiếc hộp” chắn phần lớn tia xạ từ bên chiếu vào [2] Nhưng thân vật liệu xây dựng chứa phóng xạ nên ngơi nhà lại nguồn phóng xạ mà lâu chưa quan tâm tới Hơn thời gian sống nhà (ăn, ở, ngủ, làm việc, sinh hoạt) chiếm tới 80% thời lượng 24 ngày nên ảnh hưởng phóng xạ vật liệu xây dựng gây cần phải quan tâm Do liều chiếu ngồi chiếu người vật liệu xây dựng gây nên đóng vai trò quan trọng Vấn đề cần đặt vật liệu dùng để xây dựng, mức phóng xạ nguy hiểm, ảnh hưởng tới sức khỏe người? Điều Thế giới nghiên cứu nhiều, Việt Nam vấn đề năm 2006, vấn đề thực quan tâm sâu vào nghiên cứu Tiếp theo năm 2007, Bộ xây dựng có định việc ban hành tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 397:2007 “Hoạt độ phóng xạ tự nhiên vật liệu xây dựng Mức an tồn sử dụng phương pháp thử” Phóng xạ vật liệu xây dựng chủ yếu kali, uranium, thorium hạt nhân tạo thành từ chuỗi phân rã phóng xạ chúng, quan trọng radium (Ra-226) Sự có mặt Ra-226 vật liệu xây dựng gây nên liều chiếu cho người sống nhà việc hít thở khí radon phân rã từ radium từ vật liệu xây dựng vào khơng khí nhà [3] Sự tác động gây nên ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người, đặc biệt làm gia tăng tỷ lệ ung thư phổi Nghiên cứu nhân phóng xạ có mơi trường đất thu thập số liệu để đánh giá ảnh hưởng chúng đến sức khỏe người mà sử dụng chúng chất đánh dấu tự nhiên để nghiên cứu trình biến đổi mơi trường Đó q trình xói mòn đất, trình bồi lắng, tượng đứt gẫy Do đặc điểm phổ xạ gamma đồng vị phóng xạ phát gián đoạn, có lượng hồn tồn đặc trưng cho đồng vị phóng xạ Đồng thời xạ gamma có khả đâm xuyên lớn nên địa chất địa vật lý môi trường nghiên cứu đánh giá nguyên tố phóng xạ đất đá vật liệu xây dựng thường dùng phương pháp phổ gamma Ngày với công nghệ chế tạo đetectơ ngày phát triển hồn thiện đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết có độ phân giải lượng cao, chế tạo để giải toán nghiên cứu hạt nhân phân tích hoạt độ phóng xạ mẫu mơi trường, có mẫu đất đá vật liệu xây dựng Độ xác phép đo hoạt độ phụ thuộc nhiều yếu tố trình lấy mẫu sử lý mẫu, trình đo phổ gamma mẫu phân tích xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần, đo mẫu chuẩn xây dựng đường cong hiệu suất ghi Để giảm sai số phép đo phông đo mẫu cần phải tiến hành thời gian đủ lớn để giảm sai số thơng kê, mẫu chuẩn mẫu phân tích có cấu hình thành phần chất gần Thơng thường mẫu mơi trường có hoạt độ phóng xạ nhỏ lên để giảm sai số thống kê xác định diện tích hấp thụ tồn phần thường ta phải tăng thời gian đo tăng khối lượng mẫu đo Về mặt lý thuyết, Luận văn có nhiệm vụ tìm hiểu cở vật lý, phương pháp kỹ thuật thực nghiệm xác định hoạt độ phóng xạ nguyên tố phóng xạ có đất đá vật liệu xây dựng Về thực nghiệm tiến hành xây dựng đường cong hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ tồn phần tương ứng với cấu hình đo khác Tiến hành đánh giá độ xác đường cong hiệu suất ghi tiến hành thử nghiệm phân tích hoạt độ phóng xạ riêng số mẫu đất đá vật liệu xây dựng Bản Luận văn với tên gọi “Lập phương trình phân tích hàm lượng nguyên tố phóng xạ mẫu đất đá hệ phổ kế gamma ORTEC ” dài 64 trang gồm 21 hình vẽ, 15bảng biểu 17tài liệu tham khảo Ngồi phần mở đầu kết luận Luận văn chia thành ba chương: Chương Tính chất phóng xạ đất đá vật liệu xây dựng Chương Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma Chương Kết thực nghiệm thảo luận CHƯƠNG TÍNH CHẤT PHĨNG XẠ CỦA ĐẤT ĐÁ VÀ VẬT LIỆU XÂY DỰNG Năm 1892, Becquerel quan sát thấy muối uranium hợp chất phát tia gồm thành phần tia α (alpha) tức hạt2He4, tia β (beta),tức hạt electron, tia γ (gamma), tức xạ điện từ tia X bước sóng ngắn Hiện tượng gọi tượng phân rã phóng xạ Các tia α, β, γ gọi tia phóng xạ Về chất, tượng phân rã phóng xạ tượng hạt nhân đồng vị chuyển thành hạt nhân đồng vị khác thơng qua việc phóng hạt α, β chiếm electron quĩ đạo Dịch chuyển gamma xảy đồng vị phóng xạ trạng thái kích thích cao chuyển trạng thái kích thích thấp trạng thái đồng vị Phân rã phóng xạ kéo theo không kéo theo dịch chuyển gamma [2,3,5,9] 1.1 Qui luật phân rã phóng xạ 1.1.1.Phân rã phóng xạ đơn giản Khi phân rã phóng xạ, số hạt nhân chưa bị phân rã giảm theo thời gian Giả sử thời điểm t, số hạt nhân phóng xạ chưa bị phân rã N Sau thời gian dt số trở thành N – dN có dN hạt nhân bị phân rã Độ giảm số hạt nhân chưa bị phân rã - dN tỉ lệ với N dt: - dN = λNdt (1.1) Trong hệ số tỉ lệ λ gọi số phân rã, có giá trị xác định đồng vị phóng xạ Từ (1.1) ta được: dN = - λdt N Thực phép lấy tích phân cơng thức (1.2), ta có: (1.2) Sử dụng phần mềm MAESTRO-32 phân tích phổ gamma mẫu chuẩn RGTh1 phổ phông Kết phân tích phổ gamma cho bảng 3.4 Trong bảng 3.4, đưa đặc trưng lượng hệ số phân nhánh xạ gamma chọn để xây dựng đường cong hiệu suất ghi N diện tích đỉnh hấp thụ tồn phần vạch, n tốc độ đếm trừ phông hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với vạch gamma chọn Bảng 3.4: Kết thực nghiệm xác định hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần xạ gamma từ nguồn RGTh1 E(keV) Iγ(%) N Đồng vị n H0 ε 129,06 2,42 9726±345 228 Ac 0,339192 3250 0,03721±0,0062 209 3,98 18929±363 228 Ac 0,65921 3250 0,043972±0,0065 239 47,4 231984±686 212 Pb 8,0827 3250 0,04527±0,0012 270 3,46 13707±261 228 Ac 0,47571 3250 0,036501±0,0047 300 3,28 13093±292 228 Ac 0,456616 3250 0,036958±0,0052 338,32 11,27 41278±328 212 Pb 1,439562 3250 0,033911±0,0059 409,46 1,92 5835±200 228 Ac 0,203494 3250 0,028137±0,0036 463 4,4 11528±224 228 Ac 0,402037 3250 0,024258±0,0040 510,77 8,13 20290±256 208 Tl 0,692687 3250 0,022619±0,0046 583 30,4 66729±337 208 Tl 2,323493 3250 0,020291±0,0060 727,33 6,58 14778±205 212 Bi 0,51484 860,56 4,47 7856±131 208 Tl 0,273976 3250 0,016272±0,0023 911,2 25,8 45806±243 228 Ac 1,597277 3250 0,016436±0,0043 2614,53 35,64 23975±166 208 Tl 0,831898 3250 0,006197±0,0030 3250 0,020772±0,0036 Từ số liệu bảng 3.4 tiến hành xây dựng đường cong hiệu suất ghi (hình 3.6) Nang luong (keV) Hình 3.6 Đồ thị đườ ờng cong hiệu suất ghi ghi nhận hệ phổổ kế gamma bán dẫn ORTEC với cấu hình đo dạng ng hình giếng gi Các số liệu thựcc nghiệm nghi khớp hàm số mô tả ssự phụ thuộc hiệu suấtt ghi vào lượng lư xạ gamma sau: ln = A0+A1*ln(E)+A2*(ln(E))^2+A3*(ln(E))^3+A4*(ln(E))^4+A5*(ln(E))^5 Trong hiệu u suất su ghi tuyệt đối E lượng đỉỉnh gamma (keV) A0 = 760,32512 A3 = - 19,38515 A1 = - 527,39653 A4 = 1,2796 A2 = 144,05452 A5 = - 0,03301 Để kiểm tra độ xác c đường cong hiệu suất ghi đượ ợc xây dựng, tiến hành phân tích xác định nh hoạt ho độ phóng xạ mẫu chuẩn152Eu IAEA cung ccấp Hình 3.7 dạng ng phổ ph gamma 152 Eu đo 83984,88 s Hoạt độ 152 Eu xác định dựa vào hai xạ gamma khơng nối tầng có lượng cho bảng Kết thực nghiệm cho đượcc đưa bbảng 3.5 Hình 3.7.Phổ gamma mẫ ẫu IAEA đo thời gian 83984,88giây Bảng 3.5 Hoạt độ phóng xạ c 152Eu xác định phổ kế gamma bán dẫn ỎRTEC Tên mẫu 152 Eu Năng lượng E(KeV) Chu kỳ k bán rã (năm) (n Hoạt độ H0 (KBq) 344,28 13,537 30,11 01/12/1997 13,755 14,396 778,89 13,537 30,11 01/12/1997 13,755 13,719 Hoạt độ phóng xạạ mẫu 152 Ngày sản xuất Hoạt độ H(KBq) Hoạt độ xác định (KBq) Eu xác định theo vạch ch 344 keV sai lệch 4,6% theo vạch 778 keV eV sai lệch l 0,26% so với giá trị thực củaa ho hoạt độ thời điểm đo Trong phạm vi sai số ố kết khóa luận phù hợp với giá trị thựcc ccủa hoạt độ Điều chứng tỏ đường ng cong hiệu hi suất ghi sử dụng để phân tích m mẫu mơi trường 3.3 Xác định hoạt độ phóng xạ x mẫu môi trường vật liệu u xây ddựng 3.3.1 Quy trình phân tích Với cấu hình đo chọn mục 3.2, Luận văn tiến hành phân tích hoạt độ phóng xạ mẫu đất đá vật liệu xây dựng Quy trình phân tích tóm tắt sau: A Chọn mẫu xử lí mẫu Với mẫu đất đá khu vực tiến hành chọn điểm nằm hình vng có cạnh 30 cm, đánh dấu để lấy mẫu Tại điểm mẫu lấy từ độ sâu cm đến 15 cm với khối lượng từ 500g đến 1kg Sau nghiền sơ trộn mẫu dàn mặt phẳng Sau chia thành phần, lấy phần mang phòng thí nghiệm để phân tích B Chuẩn bị mẫu đo Mẫu sau mang phòng thí nghiệm sấy khơ nhiệt độ 1050C suốt 3giờ sau nghiền nhỏ lọc để loại bỏ rễ sỏi đá có mẫu Tiến hành cân nhốt mẫu thời gian 28 ngày C Ghi phổ gamma mẫu cần phân tích Mẫu sau nhốt đo phổ gamma hệ đo ORTEC với hình học đo giống hình học đo mẫu chuẩn Thời gian ghi nhận phổ mẫu phân tích phải đủ lớn để cho sai số đỉnh hấp thụ tồn phần nhỏ 5% D Xử lí phổ tính hoạt độ phóng xạ riêng Sử dụng phần mềm MAESTRO-32 phân tích phổ gamma mẫu phân tích Phổ gamma mẫu chuẩn sử dụng vạch cụ thể như:Hoạt độ phóng xạ dựa vào vạch 351,32 keV 214 Pb sử dụng vạch 295,22 keV 238 214 U Pb; vạch 609,32 keV để kiểm tra cân phóng xạ mẫu Hoạt độ phóng xạ 232 Th xác định dựa vào 583,14 keV 208Tl sử dụng vạch 338,32 keV 911,21 228Ac Hoạt độ phóng xạ kali-40 xác định dựa vào đỉnh 1460,11 keV 40K Các mẫu sau cân đựng vào hộp hình giếng Việc ghi nhận phổ tiến hành sau 28 ngày nhốt mẫu 3.3.2 Kết phân hân tích hoạt ho độ phóng xạ riêng số mẫu đất vật liệu xây dựng Sau xây dự ựng kiểm tra độ xác đường ng cong hi hiệu suất ghi hai cấu hình đo mẫu u đất đ đá vật liệu xây dựng, tiếnn hành phân tích xác đđịnh hoạt độ phóng xạ riêng củaa 07 mẫu m vật liệu xây dựng 06 mẫu đất đá Hình 3.8 Phổ gamma mẫu đất đá DO đảo Trường sa khối lượng 533 g thời gian đo 94703s Hình 3.9 Phổ gamma mẫu xi măng Xim phơng khối lượng 368,6g thời gian đo 23601s Hình 3.8 dạng phổ gamma mẫu đất đá có ký hiệu DO lấy đảo Trường sa khối lượng mẫu 533 gam đựng hình giếng Cùng với mẫu đất Hòa Bình, mẫu đất lấy khu vực bên núi, có chứa 137Cs với hàm lượng nhỏ Vì thời gian đo mẫu lên tới 94703s.Hình 3.9 dạng phổ gamma mẫu xi măng xim phông khối lượng 368,6 gam đựng hộp hình giếng Phổ gamma 23601 s Diện tích đỉnh N tốc độ đếm trừ phơng ntại đỉnh hấp thụ tồn phần xạ gamma tương ứng với đồng vị đưa bảng số 3.6 bảng 3.7 tương ứng với hai mẫu Căn vào đường cong hiệu suất ghi hình 3.6 xác định hiệu suất ghi đỉnh tương ứng, từ xác định hoạt độ phóng xạ riêng đồng vị Bảng 3.6 Kết xác định hoạt độ phóng xạ hoạt độ phóng xạ riêng mẫu đất DO1 E(KeV) Chuỗi Đồng Iγ N n (%) Hoạt độ phóng Hoạt độ phóng xạ phân rã vị 295,21 238 U 214 Pb 18,2 2991±108 0,0294 4,703±0,19 8,83±0,37 351,92 238 U 214 Pb 35,1 5196±98 0,0509 4, 853±0,11 9,10±0,31 583,19 232 Th 208 Tl 30,4 1959±68 0,0206 3,309±0,11 6,41±0,21 609,49 238 U 214 Bi 44,6 4230±100 0,0411 4,773 ±0,12 8,95±0,21 661,65 137 Cs 137 Cs 85,1 218±30 0,0014 0,092±0,001 0,17±0,002 911,21 232 Th 228 Ac 25,8 1340±82 0,099 3,909±0,17 7,30±0,32 1461 40 20,85 3994±72 0,037 18,86±0,32 35,4±0,62 1764,49 238 U 214 Bi 15,1 0,007 5,459±0,37 10,24±0,69 2614,53 232 Th 208 Tl 35,64 317±19 K 40 K xạ H (Bq) 740±35 0,0094 4,353±0,24 riêng (Bq/kg) 8,10±0,46 Bảng 3.7 Kết xác định đ hoạt độ phóng xạ hoạt độ phóng xạ riêng mẫu xi măng xim phơng E(keV) Chuỗi phân rã Đồng ng vị Iγ (%) N n H (Bq) H0 (Bq/kg) 295,21 238 U 214 Pb 18,2 2315±73 0,096377 15,39±0,71 0,71 41,75±1,94 351,92 238 U 214 Pb 35,1 4011±90 0,16676 15,89±0,59 0,59 43,08±1,61 583,19 232 Th 208 Tl 30,4 1749±52 0,072282 11,88±0,40 0,40 32,23±1,15 609,49 238 U 214 Bi 44,6 2920±63 0,120716 14,00±0,42 0,42 38,001±1,10 1461 40 20,85 2884±57 0,118438 58,95±1,29 1,29 159,95±3,51 1764,49 238 U 214 Bi 15,1 527±50 0,021444 17,13±0,63 0,63 46,46±1,62 2614,53 232 Th 208 Tl 35,64 680±60 0,027051 12,52±0,51 0,51 33,96±1,54 K 40 K Hình 3.10 dạng phổ gamma 100 g mẫu Hòa Bình lấy khu vực trồng chè chân núi cao thuộcc xóm My M Tân xã Tân Thành, Lương Sơn, Hòa Bình Bình, thời gian đo 19647 s Hình 3.10 Dạng phổ ổ gamma mẫu đất Hòa Bình 100g 19647,04s Bảng 3.8 Kết thực nghiệệm xác định hoạt độ phóng xạ riêng mẫu đấtt Hòa Bình 100 100g E(KeV) Chuỗi phân rã Đồng vị Iγ(%) N Hoạt độ phóng xạ Hoạt độ phóng xạ H (Bq) riêng (Bq/kg) 295,21 238 U 214 Pb 18,2 517±46 3,95±0,31 39,55±3,09 338,32 232 Th 228 Ac 11,27 470±41 5,86±0,51 58,59±5,11 351,92 238 U 214 Pb 35,1 932±45 3,85±0,18 38,49±1,85 583,19 232 Th 208 Tl 30,4 769±36 5,72±0,26 57,18±2,56 609,49 238 U 214 Bi 44,6 717±36 3,86±0,18 38,60±1,81 661,65 137 Cs 137 Cs 1,46 151±28 0,42±0,07 4,25±0,70 911,21 232 Th 228 Ac 25,8 490±28 5,87±0,33 58,72±3,35 1461 40 20,85 465±27 10,04±0,58 100,41±5,83 2614,53 232 35,64 317±19 6,36±0,38 63,64±3,81 40 K Th K 208 Tl Kết đo xác định diện tích đỉnh hấp thụ tồn phần vạch gamma quan tâm đưa bảng 3.8 Căn vào đường cong hiệu suất ghi hình 3.3ứng với khối lượng đo 100 gam xác định hiệu suất ghi tuyệt đối ứng với đỉnh hấp thụ tồn phần tương ứng, từ xác định hoạt độ phóng xạ riêng đồng vị quan tâm Kết đưa bảng 3.8 Từ kết bảng 3.8 nhận thấy phạm vi sai số hoạt độ phóng xạ riêng đồng vị 214Pb và214Bicủa chuỗi phân rã 238U cân Hoạt độ phóng xạ 238U dãy (38,8863±1,44) Bq/kg Tương tự dãy riêng 232 232 Th hoạt độ phóng xạ Th dãy (59,536±2,05) Bq/kg Hoạt độ phóng xạ riêng 40 K dãy (100,412±5,83) Bq/kg Trong bảng 3.6 đến bảng 3.8 đưa sai số 3σ.Với độ tin cậy 99,6%các đồng vi phóng xạ dãy 238 U 232 Th cân phóng xạ với Kết cho mẫu đất đá vật liệu xây dựng khác Đối với mẫu đất mẫu xây dựng tiến hành phân tích hệ phổ kế gamma ORTEC thu kết tương tự Bảng 3.9 Kết xác định hoạt độ phóng xạ riêng nguyên tố phóng xạ tự nhiên 137 Cs đất đá vật liệu xây dựng Mẫu Đất Hòa Bình Xi măng Hồng Thạch Xi măng Bỉm Sơn Xi măng Xim-phông Xi măng Xim-phông Xi măng Xim-phông Đất Trường Sa DO1-ST Đất Trường Sa DO2 Đất Trường Sa DO3-ST Đất Trường Sa DO3-STT Đất Trường Sa DO4-NY Đất Trường Sa DO5 238 U (Bq/kg) 38,49±1,85 46,80±0,03 47,35±0,04 41,78±1,54 40,69±1,59 43,08±1,61 9,10±0,38 1,3±0,2 1,70±0,12 3,4±0,2 4,3±0,3 2,7±0,2 232 Th (Bq/kg) 57,18±3,56 14,15±0,48 22,00±0,60 32,92±1,37 33,54±1,33 32,23±1,15 6,37±0,21 0,40±0,05 0,43±0,05 1,9±0,2 3,6±0,3 1,5±0,2 40 137 K (Bq/kg) 100,41±5,8 107,47±0,8 109,70±0,5 150,93±3,9 149,76±4,1 159,95±3,5 35,39±0,3 20,4±1,0 18,7±0,8 31,4±1,5 112,9±7,9 36,1±1,8 Trong phạm vi sai số đồng vị hai dãy phóng xạ 238 Cs (Bq/kg) 4,25±0,70 -0,173±0,01 U 232 Th nằm trạng thái cân phóng xạ Kết đưa bảng 3.9 3.4 Phương trình phân tích ngun tố phóng xạ mẫu đất đá Khối lượng đồng vị phóng xạ m0 có khối lượng mẫu phân tích m(kg) tính sau: H = λ.N suy N = m= H H.T1/2 = λ ln2 H.T1/2 μ A N  μA =  NA ln2 N A Trong m khối lượng ngun tố phân tích H hoạt độ phóng xạ N số hạt nhân phóng xạ quan tâm NA số Avơgadro NA = 6,022.1023 μA phân tử gam nguyên tố phóng xạ (3.6) Gọi η độ giàu đồng vị chọn phân tích Khối lượng nguyên tố quan tâm có mẫu: mx = m Thay m từ cơng thức (3.6) vào ta có: η mx  H.T1/2  A ln 2..N A (3.7) Thay hoạt độ phóng xạ H từ cơng thức (2.15) vào ta có: mx  n0 T   1/ A .I  ln 2..N A Hàm lượng nguyên tố x mẫu qx  mx n T1/  A  100%   100% m m..I  ln 2..N A (3.8) a Phương trình xác định hàm lượng Uran mẫu đất đá Hoạt độ phóng xạ 238U xác định dựa vào vạch 351,92 keV với hệ số phân nhánh I = 0,351 Tại đỉnh xạ gamma 351,92 keV hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần  = 0,029918, độ giàu đồng vị 238U η = 0,9927 Thay giá trị vào phương trình (3.8) ta có: q u  7,76.104  n0 (%) m (3.9) b Phương trình phân tích hàm lượng Thori Hàm lượng Thori tính dựa vào vạch 583,19 keV 208 Tl phát có hệ số phân nhánh 0,304 hiệu suất ghi  = 0,020013, độ giàu đồng vị 232Th 1, chu kì bán rã 232Th T1/2 = 1,4.1010 năm Thay giá trị vào (3.8) ta có: q Th  4,04.103  n0 (%) m (3.10) c Phương trình phân tích hàm lượng Kali Hàm lượng Kali tính dựa vào vạch xạ gamma 1461 keV 40K có hệ số phân nhánh 0,1066 hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ  = 0,00964, độ giàu đồng vị 40 K η = 0,000118, chu kì bán rã 40K T1/2 = 1,3.109 năm Thay giá trị vào công thức (3.8) ta có: q K  3, 24  n0 (%) m (3.11) Từ số liệu thực nghiệm tốc độ đếm đá trừ phông đỉnh 351,92 keV; 583,19 keV 1461 keV thay vào phương trình từ (3.9) đến (3.11) xác định hàm lượng Uran, Thorivà Kali mẫu đất đá vật liệu xây dựng Kết cho bảng số 3.10 Bảng 3.10 Kết xác định hàm lượng Uran, Thori, Kali mẫu đất đá vật liệu xây dựng Mẫu Uran (×10-4%) Thori (×10-4%) Kali Đất Hòa Bình 3,37±0,17 15,17±0,08 0,63±0,04 Xi măng Hoàng Thạch 4,42±0,11 3,91±0,05 0,79±0,02 Xi măng Bỉm Sơn 4,52±0,11 6,38±0,05 0,84±0,05 Xi măng Xim-phông 3,40±0,07 8,09±0,03 0,98±0,01 Xi măng Xim-phông 3,31±0,08 8,22±0,03 0,97±0,02 Xi măng Xim-phông 3,51±0,08 7,90±0,02 1,04±0,02 Đất Trường Sa DO1-ST 0,72±0,04 1,52±0,12 1,95±0,11 Đất Trường Sa DO2 0,11±0,02 0,09±0,012 0,69±0,03 Đất Trường Sa DO3-ST 1,38±0,01 0,105±0,05 0,62±0,03 Đất Trường Sa DO3-STT 1,27±0,01 0,46±0,05 1,05±0,05 Đất Trường Sa DO4-NY 0,35±0,02 0,88 ±0,07 3,76±0,26 Đất Trường Sa DO 0,22±0,02 0,37±0,05 1,20±0,06 Các kết phân tích hoạt độ phóng xạ ngun tố phóng xạ tự nhiên 12 mẫu với độ tin cậy 3σ, đồng vị phóng xạ dãy trạng thái cân Hoạt độ phóng xạ riêng 238 U, 232 238 U 232 Th Th 40K xác định dựa vào vạch 351,92 keV, 583,19 keV 1461 keV Kết hoạt độ phóng xạ đồng vị tương ứng là: Đối với 238 U hoạt độ ứng với khoảng giá trị từ 1,3 – 47,8 Bq/kg, 232Th hoạt độ ứng với khoảng giá trị từ 0,4 – 57,2 Bq/kg, 40K hoạt độ ứng với khoảng giá trị từ 18,7 – 159,9 Bq/kg Đặc biệt số 12 mẫu phân tích có mẫu phát có 137Cs Hai mẫu đất chứa 137 Cs lấy từ khu vực chân núi cao Các mẫu chân núi phát 137 Cs giải thích lắng đọng 137Cs tự vụ thử hạt nhân năm 60- 70 kỉ 20 quanh khu vực núi bị phân rã cỡ lần Phần lại theo dòng nước mưa trơi dần xuống chân núi kết đất đá chân núi xuất 137Cs KẾT LUẬN Luận văn đạt mục tiêu nhiệm vụ đề ra: Về mặt lí thuyết tìm hiểu tính chất phóng xạ đất đá, sở vật lí phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ nguyên tố phóng xạ đất đá vật liệu xây dựng Về mặt thực nghiệm tiến hành xây dựng phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ nguyên tố phóng xạ đất đá vật liệu xây dựng hệ phổ kế gamma bán dẫn tính khiết ORTEC 2.1 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi với mẫu đo dạng hình trụ mẫu đo dạng hình giếng Đường cong hiệu suất ghi có độ xác cao 2.2 Tiến hành phân tích xác định hoạt độ phóng xạ riêng đồng vị phóng xạ riêng đồng vị phóng xạ 137 214 Pb, 214 Bi, 228 Ac, 208 Tl, 40K, Cs 12 mẫu đất đá vật liệu xây dựng Trong phạm vi sai số dãy phóng xạ 238 U 232 Th mẫu nghiên cứu nằm trạng thái cân 2.3 Đã đưa phương trình phân tích hàm lượng U, Th, K hệ phổ kế gamma Hàm lượng Uran xác định dựa vào xạ 351,92keV 214 Pb phát Hàm lượng Thori xác định dựa vào xạ 583,14 keV 208Tl phát Hàm lượng Kali xác định dựa vào xạ 1461 keV 40K phát TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1].TS.Trịnh Văn Giáp (2011),“Điều tra khảo sát để xây dựng sở liệu phơng phóng xạ mơi trường lãnh thổ đất liền giai đoạn 2009-2011” – Báo cáo kết nhiệm vụ khoa học công nghê cấp năm 2009-2011 [2] Ngô Quang Huy (2006),Cơ sở Vật lý hạt nhân, Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội [3] Ngơ Quang Huy (2007), Phóng xạ tự nhiên, Trung tâm Hạt nhân Tp Hồ Chí Minh [4] Bùi Văn Lốt (2009), Xử lí số liệu thực nghiệm hạt nhân, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh [5] Bùi Văn Lốt (2009), Địa vật lý hạt nhân, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Nguyễn Hào Quang (2009), Luận án tiến sĩ Vật lý, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam [7] PGS.TS Đặng Huy Uyên (2004), Vật lý hạt nhận đại cương, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội Tiếng Anh [8] Audi, G (2003), Nuclear Physics, A729 p 337-676 [9].Huda Abdulrahman Al-Sulaiti (2011), “Determination of Natural Radioactivity Levels in the State of Qatar Using HighResolution Gamma-ray Spectrometry”, A thesis submitted for the Degree of Doctor of Philosophy; University of Surrey [10] ANL (2005), Natural Decay Series, Uranium, Radium, and Thorium, in human health fact sheet, Argonne National Laboratory [11] Bui Van Loat, Nguyen Van Quan, Le Tuan Anh, Tran The Anh, Nguyen The Nghia, Nguyen Van Hung (2009), Studying of characteristic of GEM 40P4 HPGE detector by experiment VNU Journal of science, Mathematics-Physics 25, 231236 [12] Denagbe, S J., Radon-222 concentrantion in subsoils and its exhalation rate from a soil sample Radiation Measurements, 200 32:p 27-34 [13] Dunlavey, D C., Seaborg, G T (1952) Investigations of Complex Structure in Alpha-Emission with Nuclear Emulsions Phys Rev 87:p 165 [14] Van Krugten, H., E W (1968), Beta continuum Measurements on 226 Ac and Daughter Products of 225Ac Koopmann, Physics 40:p.253 [15] Lourens, W., (1967), Thesis: A Double Focusing Beta-Ray Spectrometer Applied in Heavy Element Studies Technische Hogeschool Delft [16] Nelson, G., Reilly, D Gamma-Ray Interactions with Matter (cited 2009 25/May), Available from: http://www.sciencemadness.org/lan11_a/lib- www/lapubs/00326397.pdf [17].ORTEC-MAESTRO-32, ORTECPart No.777800 ... TỰ NHIÊN - Lê Thùy Ngân LẬP PHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG CÁC NGUN TỐ PHĨNG XẠ TRONG MẪU ĐẤT ĐÁ TRONG HỆ PHỔ KẾ GAMMA ORTEC Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN... xác định hiệu suất ghi đỉnh hấp 50 thụ toàn phần xạ gamma từ nguồn RGTh1 479g Bảng 3.5 Hoạt độ phóng xạ 152Eu xác định phổ kế gamma 52 ORTEC Bảng 3.6 Kết xác định hoạt độ phóng xạ riêng mẫu đất. .. 3.7 Kết hoạt độ phóng xạ riêng mẫu xi măng Xim phông 56 Bảng 3.8 Kết hoạt độ phóng xạ riêng mẫu đất Hòa Bình 57 Bảng 3.9 Kết hoạt độ phóng xạ riêng nguyên tố phóng xạ tự 58 nhiên 137Cs đất đá