Nghiên cứu ứng dựng phương pháp phổ gamma tự nhiên đánh giá tính phóng xạ đất đá trên bề mặt tại miền trung nước lào​

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN SOMSAVATH LEUANGTAKOUN NGHIÊN CỨU ỨNG DỰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA TỰ NHIÊN ĐÁNH GIÁ TÍNH PHĨNG XẠ ĐẤT ĐÁ TRÊN BỀ MẶT TẠI MIỀN TRUNG NƯỚC LÀO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN SOMSAVATH LEUANGTAKOUN NGHIÊN CỨU ỨNG DỰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA TỰ NHIÊN ĐÁNH GIÁ TÍNH PHĨNG XẠ ĐẤT ĐÁ TRÊN BỀ MẶT TẠI MIỀN TRUNG NƯỚC LÀO Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân Mã số: 9440130.04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Bùi Văn Loát TS Phan Việt Cương Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án cơng trình nghiên cứu riêng tôi, liệu kết nghiên cứu nêu Luận án trung thực chưa người khác công bố cơng trình khác Tác giả SOMSAVATH LEUANGTAKOUN i LỜI CẢM ƠN Bản Luận án hồn thành Bợ mơn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN dưới hướng dẫn PGS.TS Bùi Văn Loát TS Phan Việt Cương Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với hai thầy tận tình hướng dẫn, đợng viên, giúp đỡ tác giả suốt thời gian nghiên cứu hoàn thành Luận án Hoàn thành Luận án này, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy, cô Bộ môn Vật lý hạt nhân, Lãnh đạo Khoa Vật lý, Phòng Sau đại học, Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tác giả cám ơn Bộ Giáo dục Đào tạo Việt Nam cấp học bổng Đại sứ quán Lào Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ Nghiên cứu sinh hoàn thành Bản Luận án Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn tới Viện Y học Phóng xạ U bướu Quân đội, Trung tâm Vật lý hạt nhân Viện Vật lý, Viện Khoa học Kỹ thuật hạt nhân, Trung tâm Mơi trường Hóa học Quân tạo điều kiện cho Nghiên cứu sinh tiến hành thí nghiệm, phân tích mẫu suốt thời gian làm Luận án Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ suốt thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thành Luận án Tác giả SOMSAVATH LEUANGTAKOUN ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT x DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ .viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHĨNG XẠ VÀ TÍNH CHẤT PHĨNG XẠ CỦA VỎ TRÁI ĐẤT .5 1.1 Phóng xạ tự nhiên tính chất phóng xạ đất đá 1.1.1 Phơng phóng xạ tự nhiên 1.1.2 Hạt nhân phóng xạ tự nhiên bề mặt Trái Đất .6 1.1.3 Tia vũ trụ 1.1.4 Các dạng phân rã phóng xạ tự nhiên đất đá Hiện tượng chiếm electron 10 1.2 Chuỗi phân rã phóng xạ liên tiếp tượng cân phóng xạ 12 1.2.1 Quy luật phân rã phóng xạ 12 1.2.2 Chuỗi phân rã phóng xạ liên tiếp 13 1.2.3 Hiện tượng cân tạm thời cân bền 13 238 232 235 1.2.4 Ba dãy phóng xạ U, Th U 15 1.3 Các thông số đánh giá mức đợ nguy hiểm phóng xạ tự nhiên mẫu đất .16 1.3.1 Liều chiếu suất liều chiếu 16 1.3.2 Liều hấp thụ suất liều hấp thụ 17 1.3.3 Các thông số đánh giá tính phóng xạ đất đá 17 1.4 Tình hình nghiên cứu giới nước 20 1.4.1 Các nghiên cứu Thế giới 20 1.4.2 Các nghiên cứu Việt Nam Lào 26 Tiểu kết Chương 28 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 29 2.1 Hệ phổ kế gamma 29 iii 2.1.1 Sơ đồ khối nguyên tắc hoạt động hệ phổ kế gamma 29 2.1.2 Các đặc trưng phổ kế gamma 31 2.1.2.1 Vài nét tương tác xạ gamma với vật chất 31 2.1.3 Một vài thông số hệ hệ phổ kế gamma sử dụng Luận án 36 2.2 Phương pháp lấy mẫu xử lý mẫu 41 2.2.1 Về địa lý khu vực nghiên cứu nguyên tắc chọn vị trí lấy mẫu .41 2.2.2 Đặc điểm chung địa chất khu vực nghiên cứu 42 2.2.3 Quy trình lấy mẫu 44 2.2.4 Xử lý mẫu tạo mẫu phân tích 44 2.2.5 Nguồn mẫu chuẩn phóng xạ 45 2.3 Xác định hoạt đợ phóng xạ riêng đồng vị phóng xạ theo phương pháp phổ gamma 47 2.3.1 Xác định hoạt đợ phóng xạ riêng đồng vị phóng xạ phổ kế gamma bán dẫn 47 238 2.3.2 Xác định hoạt độ riêng U cân không cân 48 Tiểu kết Chương 54 CHƯƠNG NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG PHĨNG XẠ RIÊNG TRÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA NHẤP NHÁY VÀ BÁN DẪN 29 3.1 Phương pháp ma trận xác định hoạt độ 40 K, 226 Ra, 232 Th mẫu hệ phổ gamma nhấp nháy NaI(Tl) 55 3.1.1 Cơ sở phương pháp 55 40 226 232 3.1.2 Xây dựng phương trình xác định hoạt độ K, Ra Th phổ kế gamma nhấp nháy 57 3.1.3 Phân tích đối chứng với phịng thí nghiệm uy tín .59 3.2 Phát triển phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi nâng cao đợ xác 59 3.2.1 Đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi 59 3.2.2 Kết hợp sử dụng đường cong hiệu suất ghi tương đối hiệu suất ghi tuyệt đối vạch lượng 1460,82 keV nâng cao đợ xác 62 3.2.3 Xác định hoạt đợ phóng xạ riêng đồng vị iv 40 226 K, Ra 232 Th 64 3.2.4 Áp dụng đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi đánh giá trạng thái cân 226 238 phóng xạ Ra U 65 3.3 Hiện chỉnh kết đo, đánh giá sai số kết qủa phân tích .68 3.3.1 Hiệu chỉnh sai khác khối lượng mẫu chuẩn mẫu phân tích 68 3.3.2 Công thức truyền sai sô 69 3.3.3 Các nguồn gây sai số 69 Tiểu kết Chương 70 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 71 40 226 232 4.1 Hoạt đợ phóng xạ riêng K, Ra, Th Radi tương đương mẫu đất 71 40 226 232 4.1.1 Hoạt đợ phóng xạ riêng K, Ra, Th Radi tương đương theo nhóm địa chất 71 40 226 232 4.1.2 Đánh giá đóng góp đồng vị K, Ra Th vào hoạt độ Radi tương đương 76 4.2 Hoạt đợ phóng xạ riêng 40 K, 226 Ra, 232 Th hoạt đợ Radi tương đương theo vị trí địa lý 77 4.2.1 Đặc điểm chung 77 4.2.2 Hoạt đợ phóng xạ riêng 40 4.2.3 Hoạt đợ phóng xạ riêng 226 K 81 Ra 83 232 4.2.4 Hoạt độ phóng xạ riêng Th 85 4.3 Các hệ số phóng xạ nguy hiểm đồng vị phóng xạ đất gây .86 4.3.1 Hoạt độ Radi tương đương 88 4.3.2 Suất liều hấp thụ khơng khí bề mặt đất cao m .89 4.3.3 Liều hiệu dụng chiếu hàng năm 89 4.3.4 Các số nguy hiểm chiếu chiếu 89 Tiểu kết Chương 90 KẾT LUẬN 91 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC 104 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Mợt số đặc trưng dãy phóng xạ tự nhiên .6 Bảng 1.2 Các vạch gamma có cường đợ mạnh lớn đồng vị phóng xạ dãy phóng xạ tự nhiên phát 11 Bảng 1.3 Hoạt đợ phóng xạ riêng 40 K, 226 Ra 232 Th giới 25 Bảng 2.1 Thơng số buồng chì che chắn detector 38 Bảng 2.2 Một số thông số đặc trưng detector sử dụng Luận án 39 Bảng 2.3a Diện tích dân số số điểm lấy mẫu tỉnh miền trung nước CHDCND Lào 41 Bảng 2.3b Đưa tổng số mẫu chọn theo nhóm điạ chất 42 Bảng 2.4 Các đặc trưng nguồn chuẩn phóng xạ sử dụng Luận án 45 Bảng 2.5 Hiệu suất ghi tuyệt đốicủa detector đỉnh đặc trưng 50 Bảng 2.6 Ngưỡng phát hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe Viện Y học Phóng xạ U bướu Qn đợi 52 Bảng 2.7a Kết xác định hoạt đợ phóng xạ riêng mẫu chuẩn IAEA 375 53 Bảng 3.1 Vùng cửa sổ lượng đặc trưng cho 40 K, 226 Ra 232 Th 56 Bảng 3.2 Một số thông số mẫu chuẩn dùng để xác định hệ số aik 57 Bảng 3.3 Các kết xác định tỉ só hoạt đợ 214 Pb/ 214 Bi 238 U/ 214 Bi với ba cấu hình khác phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi 61 Bảng 3.4 Hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần lượng 1460,8 keV với mật độ mẫu khác 63 Bảng 3.5 Phân tích thử nghiệm mẫu chuẩn thứ cấp TN1 theo đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi 65 Bảng 3.6 Kết đánh giá tỷ số hoạt độ 238 U 226 Ra một số mẫu địa chất đất 67 Bảng 4.1 Hoạt đợ phóng xạ riêng 40 K, 226 Ra, 232 Th hoạt độ Radi tương đương theo nhóm loại đất Bảng 4.2 Giá trị trung bình dải biến thiên hoạt đợ phóng xạ riêng 40 K, 226 71 Ra 232 Th hoạt độ Radi tương đương đất đá lấy từ 30 huyện khác tỉnh miền trung Lào 78 vi Bảng 4.3 So sánh hoạt đợ phóng xạ riêng 40 K, 226 Ra 232 Th mẫu đất tỉnh miền trung Lào với mẫu đất một số nước giới tỉnh Việt Nam giáp tỉnh miền trung Lào 82 Bảng 4.4 Các số nguy hiểm mẫu đất miền trung Lào giới .87 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các nguồn gây liều trung bình hàng năm cho người Hình 1.2 Quy luật suy giảm hạt nhân phóng xạ theo thời gian 12 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ phổ kế HPGe 29 Hình 2.2 Quá trình tương tác xạ gamma tinh thể kích thước trung bình hàm phản ứng đầu đo 34 Hình 2.3 Hệ phổ kế gamma nhấp nháy Bộ môn Vật lý hạt nhân .37 Hình 2.4 Đường chuẩn lượng hệ phổ kế gamma nhấp nháy NaI (Tl) dùng Luận án 38 Hình 2.5 Đồ thị mô tả phụ thuộc bề rộng nửa chiều cao vào lượng hệ phổ kế gamma nhấp nháy NaI(Tl) dùng Luận án 39 Hình 2.6 Hệ phổ kế gamma HPGe CANBERRA 40 Hình 2.7 Bản đồ lấy mẫu đất tỉnh miền trung nước CHDCND Lào 43 Hình 2.8 Mợt số mẫu đất đá nhốt chờ đo phổ 45 Hình 2.9 Các hợp mẫu chuẩn RGU-1, RGTh-1, RGK-1, TN1 TNK1 .46 Hình 2.10 Dạng phổ mẫu chuẩn IAEA RGU-1 đo hệ phổ kế HPGe Viện Y học Phóng xạ U bướu Qn đợi 24h 50 Hình 2.11 Đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối đỉnh hấp thụ toàn phẩn hệ phổ kế Viện Y học phóng xạ U bướu Qn đợi 51 40 Hình 3.1 Vùng cửa sổ lượng đặc trưng cho Hình 3.2 Kết đo hoạt độ 40 K, 226 Ra K, 226 Ra 232 Th 56 232 Th mẫu TN1 .58 Hình 3.3 Đường cong chuẩn nợi hiệu suất ghi dựa đỉnh gamma 214 Bi với ba cấu hình khác 60 Hình 3.4 Đồ thị mô tả phụ thuộc hiệu suất ghi tuyệt đối đỉnh lượng 1460,8 keV vào mật độ mẫu đo đối với hệ phổ kế gamma tai Viện Y học Phóng xạ U bướu Qn đợi 64 Hình 4.1 Mối tương quan hoạt đợ phóng xạ riêng 232 Th hoạt độ Radi tương đương 76 Hình 4.2 Biểu đồ hoạt đợ riêng trung bình 40 K, 226 Ra, 232 Th hoạt độ Radi tương đương đất 30 huyện thuộc tỉnh miền trung Lào: a viii 40 226 K, b Ra, S185 S177 S198 S199 Ghi chú: Dòng kết phân tích hệ phổ kế gamma nhấp nháy Phụ lục 5b: So sánh đối chứng kết xác định hoạt độ phóng xạ riêng 232 Th bằng hệ phổ kế nhấp nháy hệ phổ kế gamma bán dẫn Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý Hoạt độ phóng Mẫu S4 110 Mẫu S29 S41 S123 S124 S125 S128 S129 S132 S133 S134 S136 S141 40K S131 S146 111 Hoạt độ phóng Mẫu 40K S147 S137 S151 Phu lục Hoạt độ phóng xạ riêng trung bình 40 K, 226 Ra thuộc nhóm a Nhóm MZ1 Kýhiệu S25 S26 S29 S30 S70 S80 S81 S82 S93 S94 S122 S136 S137 S138 S139 S140 S141 232 Th mẫu đất 112 Kýhiệu S142 S143 S144 S153 S182 S185 S187 S195 Trungbinh Nhỏ nhất Lớn nhất Kýhiệu S1 S2 S3 S6 S8 S9 S12 S72 S73 S74 S88 S95 S104 S105 S106 113 Kýhiệu S107 S108 S109 S110 S114 S118 S119 S123 S124 S126 S127 S128 S129 S130 S131 S132 S133 S134 S135 S145 S146 S147 S148 S149 S150 S151 S152 S154 114 Kýhiệu S155 S156 S157 S158 S159 S160 S161 S162 S163 S164 S165 S166 S167 S168 S169 S170 S171 S172 S173 S174 S175 S176 S177 S178 S179 S180 S181 S183 115 Kýhiệu S184 S186 S198 S199 S200 S201 S202 Trung binh Nhỏ Lơn Ký hiệu S4 S5 S7 S10 S11 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 116 Ký hiệu S23 S27 S28 S56 S57 S58 S59 S68 S69 S71 S75 S76 S77 S78 S79 S92 S102 S111 S112 S113 S115 S116 S117 S125 Trung binh Nhỏ nhất Lớn nhất 117 D nhóm PZ3+Pz1 Ký hiệu S36 S38 S39 S40 S42 S43 S45 S47 S66 S67 S91 S83 S84 S85 S86 S87 S89 S90 S91 S120 S121 Trung binh Nhỏ nhất Lớn nhất Ký hiệu 118 S28 S35 S41 S44 S46 S53 S54 S55 S103 S188 S189 S190 S191 Trung binh Nhỏ nhất Lớn nhất Ký hiệu S31 S32 S33 S34 S96 S97 S98 S99 S100 S101 S196 S197 119 Ký hiệu Trung binh Nhỏ Lớn Ký hiệu S37 S48 S49 S50 S51 S52 S60 S61 S62 S63 S64 S65 S192 S193 S194 Trung binh Nhỏ nhất Lớn nhất 120 Phụ lục 7: Các số nguy hiểm: Hoạt độ Radi tương đương, suất liều thấp thụ không khí, số nguy hiểm chiếu chiếu Nhóm Số 25 MZ1 MZ2 78 Pz3,Pz1 35 12 cPz3 cPz2,Pz2 13 N2Q 39 GMz,PR 15 121 ... NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN SOMSAVATH LEUANGTAKOUN NGHIÊN CỨU ỨNG DỰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA TỰ NHIÊN ĐÁNH GIÁ TÍNH PHĨNG XẠ ĐẤT ĐÁ TRÊN BỀ MẶT TẠI MIỀN TRUNG NƯỚC LÀO Chuyên ngành: Vật... PHĨNG XẠ VÀ TÍNH CHẤT PHĨNG XẠ CỦA VỎ TRÁI ĐẤT .5 1.1 Phóng xạ tự nhiên tính chất phóng xạ đất đá 1.1.1 Phơng phóng xạ tự nhiên 1.1.2 Hạt nhân phóng xạ tự nhiên bề mặt Trái Đất. .. xạ đất đá, phơng phóng xạ tự nhiên Các nguồn gây chiếu chiếu cho thể người, đồng vị phóng xạ 40 K, 226 Ra 232 Th có đất đá gây liều lớn Khi nghiên cứu tính phóng xạ đất đá, số đánh giá mức