Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 21-29 Nghiên cứu nâng cao độ nhạy phép đo nồng độ đồng vị phóng xạ lương thực thực phẩm hệ phổ kế gamma phân giải cao Lưu Tam Bát1,*, Lưu Như Quỳnh1, Nguyễn Như Vũ1, Lưu Việt Hưng1, Trần Thị Vân1, Lưu Văn Dong1, Nguyễn Công Đoan1, Hà Thị Len1, Nguyễn Thị Soát1, Nguyễn Thị Khang1, Đặng Tuyết Ly1, Nguyễn Thị Minh1 Nguyễn Văn Thoãn2, Khổng Nam Khang2; Trương Thị Hồng Loan3, Trương Hữu Ngân Thy3, Thái Mỹ Phê4 Viện nghiên cứu Môi trường vấn đề Xã hội; 2Viện Y học phóng xạ U bướu Quân đội; Trường Đại học KHTN, thành phố Hồ Chí Minh; 4Trung tâm hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh Nhận ngày 12 tháng 01 năm 2016 Chỉnh sửa ngày 29 tháng 01 năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2016 Tóm tắt: Hệ phổ kế gamma phân giải cao với đầu đo bán dẫn siêu tinh khiết Germani sử dụng để xác định đồng vị phóng xạ phát xạ gamma Các quy trình có để xác định nồng độ đồng vị phóng xạ lương thực thực phẩm, đo với hộp đựng mẫu hình trụ với thời gian 84.600s khó xác định 137Cs số đồng vị phóng xạ khác, hoạt độ phóng xạ nhỏ đo trường hợp mức 0,12 ÷ 0,5Bq 137Cs Do nồng độ đồng vị phóng xạ lương thực thực phẩm thấp, có cân 238U 226 Ra mẫu phân tích Hơn nữa, để xác định nồng độ 137Cs, cần có giải pháp nâng cao độ nhạy hệ đo Bài báo trình bày số giải pháp tối ưu như: Nâng hiệu suất ghi, tăng khối lượng mẫu, tăng thời gian đo mẫu cách hợp lý; nhờ đó, độ nhạy nâng cao rõ rệt, giá trị nhỏ đo đạt tới 0,03Bq ÷ 0,08Bq, đáp ứng yêu cầu phân tích hầu hết nồng độ đồng vị phóng xạ LTTP, kể hoạt độ 137Cs Phương pháp sử dụng để xây dựng sở liệu nồng độ đồng vị phóng xạ lương thực thực phẩm có nguồn gốc khu vực biên giới tiếp giáp với nhà máy điện hạt nhân Trung Quốc Từ khóa: 137Cs, phổ kế gamma, lương thực, thực phẩm đồng vị phóng xạ LTTP thức ban hành nhiều nước kiểm sốt chặt chẽ [1-3] Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu cơng phu nồng độ phóng xạ LTTP thực hiện, năm gần xu ứng dụng lượng hạt nhân ngày tăng tồn cầu Các cơng trình hầu hết sử dụng hệ phổ kế gamma phân giải cao với đầu đo bán dẫn siêu tinh khiết (HPGe); số cơng trình sử dụng phương pháp tách hóa phóng xạ xác định thêm Mở đầu∗ Nồng độ đồng vị phóng xạ lương thực, thực phẩm (LTTP) nhiều nước giới tổ chức Quốc tế quan tâm nghiên cứu, từ sau cố hạt nhân tổ máy số 4, nhà máy điện hạt nhân Chernobyl tiêu chuẩn nồng độ _ ∗ Tác giả liên hệ ĐT: 84-985791515 Email: luutambat47@gmail.com 21 22 L.T Bát nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 21-29 đồng vị 90Sr, 239+240Pu, 210Po 238 U số trường hợp [4-6] Phương pháp sử dụng phổ kế gamma phân giải cao có ưu điểm xác định tất đồng vị phóng xạ tự nhiên đồng vị phóng xạ nhân tạo phát xạ gamma Một vấn đề đặt nghiên cứu xác định nồng độ đồng vị phóng xạ LTTP điều kiện bình thường hệ phổ kế gamma phân giải cao nồng độ phóng xạ tự nhiên nhân tạo LTTP thấp (đặc biệt LTTP qua xử lý, chế biến), có số đồng vị phóng xạ khơng thể xác định phải chấp nhận lấy giá trị nhỏ nồng độ (hoạt độ) phóng xạ nhỏ đo (MDC hay MDA), đặc biệt 137Cs [7,8] Thực tế rằng, để xác định nồng độ đồng vị phóng xạ 137Cs số đồng vị phóng xạ tự nhiên khác mẫu LTTP thời điểm cần sử dụng đồng giải pháp nâng cao độ nhạy hệ đo có Bài báo trình bày số giải pháp nâng cao độ nhạy phép đo phóng xạ LTTP phổ kế gamma phân giải cao, nhằm nâng cao khả xác định nồng độ đồng vị phóng xạ giảm sai số cho giá trị đo Phương pháp nghiên cứu Độ nhạy hệ đo, ký hiệu χ có liên quan đến hoạt độ phóng xạ nhỏ đồng vị phóng xạ mà thiết bị đo (MDA) Giá trị MDA đồng vị phóng xạ với hệ phổ kế gamma xác định cách đo mẫu trắng (gọi mẫu phơng) với kích thước, mật độ thành phần hố học (matrix) giống mẫu nghiên cứu khơng có đồng vị phóng xạ ta quan tâm Ví dụ cần tính MDA đỉnh 137Cs tạo mẫu trắng khơng có 137Cs có tất đồng vị phóng xạ khác (dãy 238U, dãy 232Th, 40K, ) giống mẫu nghiên cứu Khi đó, MDA tính theo công thức sau [3,9,10,11]: tB t MDA (Bq/kg) = tB × EFF × Y × mB 2,71 + 3,29σ B + (2.1) Trong đó: NB: Diện tích đỉnh phổ phông trắng σB = NB : Độ lệch chuẩn phông t: Thời gian đo mẫu nghiên cứu (s) tB: Thời gian đo mẫu trắng (phông) (s) EFF: Hiệu suất đỉnh toàn phần lượng xem xét Y: Tỉ số phân nhánh (%) mB: Khối lượng mẫu trắng (kg) Khi tB = t cơng thức trở thành: MDA (Bq/kg) = 2,71 + 4,66σ B (2.2) tB × EFF × Y × mB Có thể dùng cơng thức (2.2) để tính gần MDA cho đồng vị Cách tính độ lệch chuẩn: σB = NB , NB diện tích đỉnh phổ phơng Bề rộng miền lượng tính NB phổ phơng bề rộng miền lượng tính diện tích đỉnh tương ứng phổ nghiên cứu Độ nhạy hệ đo đồng vị, χ tính bởi: χ = MDA (2.3) Như vậy, để nâng cao độ nhạy việc xác định đồng vị phóng xạ cần để giảm MDA nhỏ đồng vị phóng xạ Biểu thức (2.3) cho thấy để nâng cao độ nhạy phải có MDA nhỏ, để có MDA nhỏ cần tối ưu yếu tố để đạt yêu cầu sau đây: Phông hệ đo (NB): Cần giảm phông hệ đo tới mức tối đa Tăng khối lượng mẫu đo (mB): Khi tăng khối lượng mẫu đo góp phần tăng độ nhạy hệ đo L.T Bát nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 21-29 Tăng thời gian đo mẫu (tB): Độ nhạy tỷ lệ thuận với thời gian đo, thời gian đo mẫu nên từ 86.400s trở lên, thời gian đo mẫu lên tới 300.000s [5], lớn Tăng hiệu suất ghi hệ đo (EFF): Với khối lượng mẫu (tương đương với thể tích định), người ta tối ưu cấu hình đo thông số mẫu đầu đo, 23 cách tối ưu hóa để nâng cao hiệu suất hình học detector xác định cho hiệu suất đo cao mức lượng khác nhau, có tính tới hiệu chỉnh tự hấp thụ Hiệu suất ghi hệ phổ kế gamma phân giải cao với detector bán dẫn siêu tinh khiết (HpGe) phụ thuộc vào lượng hình học mẫu đo trình bày bảng Bảng Hiệu suất ghi (%) đầu dị có hiệu suất ghi tương đối 55% với hình học mẫu đo khác [2] Đỉnh lượng (keV) 60 88 122 166 279 392 514 662 835 898 1115 1173 1333 1836 Phin lọc (hình trụ), nhỏ 50 cm3 15,6 15,2 15,1 12 9,3 7,2 5,4 4,7 3,9 3,1 2,6 2,3 1,7 Bảng cho thấy, thể tích mẫu nhỏ hiệu suất ghi lớn, vùng lượng thấp Mẫu đo hình trụ phin lọc (được nén dạng hình trụ thường tích nhỏ 50 cm3), hộp đựng mẫu PE hình trụ tích 50 cm3, hộp đựng mẫu hình trụ nhơm tích 90 cm3 có hiệu suất ghi lớn nhiều so với mẫu đo hình giếng (Marinelli) 600 cm3; lượng gamma tới gần 900 keV hiệu suất ghi chúng gần tương đương thể tích đựng mẫu khác Như vậy, mẫu LTTP, nghiên cứu xây dựng sở liệu nồng độ đồng vị phóng xạ cần xác định xác nhiều đồng vị phóng xạ tự nhiên nhân tạo giải pháp sử dụng mẫu đo hình trụ tích mẫu đo từ 50 cm3 đến 120 cm3 phù hợp với lượng tro thu từ tất loại mẫu; trường hợp khối lượng mẫu lớn dẫn tới nồng độ 40K cao gây khó khăn cho việc đo mức thấp Hình trụ 50 cm3 14,6 14,2 12,6 9,6 7,4 5,5 4,2 3,6 2,9 2,4 2,3 1,8 1,3 Hộp nhôm 90 cm3 11,6 11,3 10,2 4,5 3,5 2,4 2,1 1,9 1,7 1,5 1,2 Hộp hình giếng 600 cm3 7,4 8,4 7,9 6,1 4,8 3,8 3,1 2,7 2,2 2,1 1.8 1,6 1,3 vùng lượng thấp, xét tổng thể có lợi [2,12-14] Ngay vùng lượng thấp, ép mẫu làm tăng mật độ làm giảm thể tích để có hiệu suất ghi cao hiệu ứng tự hấp thụ tính tốn kỹ, qua cho thấy việc ép mẫu có lợi Như vậy, để nâng cao độ nhạy phép đo nồng độ đồng vị phóng xạ LTTP phổ kế gamma phân giải cao với đầu đo bán dẫn, ta cần có giải pháp đồng về: Lấy khối lượng mẫu tươi phù hợp, đủ lớn cho loại mẫu, làm giàu phương pháp tro hóa, tính tốn tối ưu cấu hình mẫu - đầu đo để nâng cao hiệu suất ghi hệ đo, cuối tăng thời gian đo thích hợp để nồng độ đồng vị phóng xạ xác định với sai số chấp nhận 24 L.T Bát nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 21-29 Thực nghiệm Sử dụng 80 kg gạo tẻ BC15, thu gom Đơng Triều, Quảng Ninh để tro hóa nhiệt độ nhỏ 450 oC thu 520,43 g tro theo quy trình chuẩn quốc tế nước [1,2,3,10] Mẫu tro đồng cách trộn máy nghiền có lưỡi dao phủ titan Mẫu sau chia thành phần gửi tới Phịng thí nghiệm (PTN) để phân tích xác định 137Cs 40K hệ phổ kế gamma phân giải cao Các PTN sử dụng hộp đựng mẫu hình trụ có đường kính 72 mm, đường kính phù hợp với tất hệ đo nước Có PTN nước PTN quốc tế tham gia phân tích xác định nồng độ đồng vị phóng xạ 137Cs 40K tro mẫu gạo, vừa có tính chất so sánh vừa nghiên cứu đánh giá điều kiện tối ưu để nâng cao độ nhạy hệ đo Trước tham gia nghiên cứu này, PTN có quy trình xác định nồng độ đồng vị phóng xạ LTTP, riêng vận dụng quy chuẩn quốc tế, quốc gia đo phóng xạ LTTP Các hệ phổ kế gamma phân giải cao PTN đạt tiêu chuẩn đo phóng xạ mức thấp, nhiên chất lượng khác chủ yếu hiệu suất ghi khả đáp ứng giải lượng rộng: - PTN số I (Viện nghiên cứu hạt nhân): sử dụng hệ phổ kế gamma phân giải cao Hãng Canberra với đầu đo GX3019, hiệu suất ghi tương đối 30%; độ phân giải lượng FWHM 1,90 keV đỉnh lượng 1332 keV 60Co, đặt buồng giảm phơng hình trụ đường kính 50 cm độ cao cm; với lớp che chắn, gồm: mm Al, mm Cu 10 cm Pb siêu phóng xạ, phơng tích phân hệ thống từ 100÷2000 KeV cỡ xung/s Phần mềm thu xử lý phổ MAESTRO®-32; phần mềm xử lý phổ GAMMAW - PTN số II (Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc giá Hà Nội): sử dụng hệ phổ kế gamma phân giải cao Hãng Canberra với đầu đo BEGe5030, hiệu suất ghi tương đối 50%, độ phân giải 1,8 keV đỉnh 1332 keV 60Co, giải lượng đo rộng từ keV MeV, đặt buồng giảm phơng hình trụ đường kính 50 cm độ cao 55 cm - PTN số III (Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh): sử dụng hệ phổ kế Canberra với đầu đo GC3520 đáp ứng lượng từ khoảng 30 keV – 10 MeV Hiệu suất ghi tương đối 38%, độ phân giải 1,77 keV đỉnh 1.332 keV 60 Co Phần mềm chuyên dụng Genie 2000 3.2.1 để thu phổ, xử lý tính tốn kết Hệ đo thứ Hãng Ortec với đầu đo GMX35P470; ghi nhận xạ từ khoảng keV–3MeV, hiệu suất ghi tương đối 33 %, độ phân giải 1,9 keV đỉnh 1.332 keV 60Co Ghi nhận, xử lý phổ gamma, tính tốn kết phần mềm chun dụng Gamma Vision-32V 6.09, buồng giảm phơng hình trụ đường kính 50 cm độ cao 55 cm - PTN số IV (Trung tâm hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh): Sử dụng hệ phổ kế gâm phơng thấp Ortec với đầu đo bán dẫn siêu tinh khiết có hiệu suất ghi tương đối 30%, đáp ứng lượng từ 40 kev đến 3.000 keV; độ phân giải 0,82 keV (122 keV) 1,81 keV (1.332 keV) Chương trình thu nhận xử lý phổ Gamma Vision - PTN số V (Viện Y học phóng xạ u bướu quân đội): sử dụng hệ phổ kế gamma phân giải cao Camberra với đầu đo HpGe siêu tinh khiết model GC1518, đường kính tinh thể HpGe 5,2 cm, dày 3,5 cm hiệu suất ghi tương đối 18%, độ phân giải 1,9 keV đỉnh 1.332 keV 60Co, giải đo từ 65 kev đến 2.108 keV Kích thước buồng giảm phơng: cao 41 cm, bề dày 11,5 cm làm Pb siêu sạch, đường kính giếng đo 28 cm Phần mềm chuyên dụng Genie 2000 v2.1 để thu, xử lý phổ tính tốn kết - PTN số VI (Phịng thí nghiệm nghiên cứu mơi trường biển Monaco, MEL Vương quốc Monaco): Là PTN chun đo phóng xạ mức thấp mẫu mơi trường có LTTP Cơ quan lượng quốc tế PTN đặt lòng đất, hệ phổ kế gamma L.T Bát nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 21-29 phông thấp với đầu đo HpGe siêu tinh khiết có hiệu suất ghi tương đối lớn, tới 150% Như PTN nước sử dụng hệ đo chuyên dụng, PTN số có hiệu suất ghi tương đối thấp (18%), không đáp ứng giải lượng rộng Các hệ đo khác có hiệu suất ghi từ 30% đến 50% (so với đầu đo nhấp nháy hình trụ có kích thước tinh thể inch×3 inch) đáp giải lượng đo rộng 25 Kết thảo luận Sự khác biệt lớn loại đầu đo bán dẫn siêu tinh khiết HpGe sử dụng hiệu suất ghi, thông số hiệu suất ghi tương đối, kết xác định nồng độ đồng vị phóng xạ (ĐVPX) 137Cs 40K trình bày bảng Sai số nồng độ đồng vị phóng xạ bao gồm sai số thống kế sai số hệ thống khác sai số xác định hiệu suất ghi hiệu chỉnh tự hấp thụ, sai số công đoạn thu gom, xử lý, làm tiêu đo Bảng Thông số hệ đo kết đo hoạt độ phóng xạ mẫu thử nghiệm với tro gạo BC15 Số TT Phịng thí nghiệm PTN số I PTN số II PTN số III PTN số IV PTN số V PTN số VI Hiệu suất ghi tương đối, % 30 50 38 30 18 150 Khối lượng mẫu, g 50,30 82,01 111,06 110,24 105,37 60 Kết đo PTN từ bảng cho thấy: Tại PTN số I, sử dụng lượng tro 50,3 g tro (khoảng kg gạo), đo thời gian 86.400 s xác định 137Cs (MDA 0,25 Bq/kg.tươi), xác định tốt 40K nồng độ đồng vị lớn LTTP PTN số II với hệ đo có hiệu suất ghi cao hơn, vùng lượng thấp trung bình nên sử dụng 82,01 g tro (khoảng 13 kg gạo), đo khoảng thời gian 81.767 s, xác định nồng độ 137Cs 40K, phổ đo mẫu trình bày hình 1a đỉnh phổ 137 Cs thể hình 1b, đỉnh 137Cs quan sát rõ Hình 1a Phổ đo ĐVPX mẫu gạo, PTN II Thời gian đo, s 86.400 81.767 147.592 143.000 150.360 895.000 Kết đo (Bq/kg tro khô) 137 40 Cs K < 2,00 5.456 ± 250 2,11 ± 0,36 4.642 ± 437 2,88 ± 0,32 4.846 ± 280 2,30 ± 0,34 5.615 ± 370 2,45 ± 0,60 5.350 ± 476 2,65 ± 0,15 5.115 ± 139 Hình 1b Phổ đo ĐVPX 137Cs mẫu gạo, PTN II Tại PTN số III với hệ đo có hiệu suất ghi tương đối 38%, sử dụng lượng tro, sử dụng 111,06 g (khoảng 17 kg gạo), đo thời gian 147.592 s xác định nồng độ 137Cs, 40 K với sai số thấp PTN số IV với hệ đo có hiệu suất ghi tương đối 30%, sử dụng 110,24 tro (khoảng 17 kg gạo), đo với thời gian 143.000 s, xác định nồng độ 137Cs, 40K với sai số thấp PTN số V với hệ đo có hiệu suất ghi tương đối 18%, sử dụng 105,37 g tro (khoảng 16 kg gạo), đo với thời gian 150.000 s, xác định nồng độ 137Cs, 40K với sai số cao so với PTN số III, IV 26 L.T Bát nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 21-29 Tại PTN số VI, PTN IAEA, hiệu suất ghi đầu đo 150%, với khối lượng tro sử dụng 60 g tro (khoảng kg gạo) với thời gian 895.000s, nồng độ đồng vị 137Cs 2,6 ± 0,10, 40K 5.115 ± 37, sai số đo nồng độ 137Cs 40K thấp nhiều so với PTN khác Từ kết đo nhận thấy: Các quy trình sử dụng PTN, quy định lấy mẫu lương thực kg (gạo, ngô, khoai, sắn), mẫu rau 5÷7 kg (rau củ quả, quả), đo với thời gian 84.600s hầu hết không xác định 137Cs số đồng vị khác dãy U, Th Hoạt độ phóng xạ nhỏ (MDA) đo thực tế mức 0,12 Bq đến 0,5 Bq 137Cs Như vậy, để nâng cao độ nhạy hệ đo, cần giảm giá trị MDA Trong nghiên cứu tập trung vào giải pháp: - Nâng cao hiệu suất ghi hệ đo: Tro thu được, ép nhẹ thường làm cho khối lượng riêng từ 0,6 ÷ 0.7 g/cm3; ép với máy ép tay khối lượng riêng nhận từ 0,9 ÷1,0 g/cm3, giảm độ cao mẫu, đủ mức nâng cao hiệu suất ghi thực tế lên 15% đến 25% cao nữa, tùy theo loại tro, máy ép, tự hấp thụ mức chấp nhận được, vùng lượng thấp - Tăng khối lượng mẫu đo: Tùy theo loại mẫu để chọn khối lượng mẫu tươi đủ lớn, phù hợp, hầu hết phải tăng khối lượng mẫu tươi từ 1,5 đến lần; để xác định 137Cs số đồng vị U, Th gạo phải sử dụng 10 ÷ 15 kg lớn hơn; với rau, củ, cần tối thiểu 10 kg đến 20 kg phần ăn - Tăng thời gian đo: Tăng thời gian đo cách hợp lý có kết tơt bảng Để đánh giá hiệu tăng thời gian đo việc nâng cao độ nhạy, thực đo mẫu tro gạo BC15 với khoảng thời gian đo khác Hệ đo phổ gamma với đầu đo GMX35P4-70, sử dụng mẫu tro gạo BC15 với khối lượng tro 94,715 g (khoảng 15 kg gạo) Kết trình bày bảng Bảng Kết phân tích nồng độ đồng vị phóng xạ mẫu tro gạo BC15, khối lượng 94,715 g với khoảng thời gian đo khác nhau, (Bq/kg tro khô) Đồng vị U-238/Th-234 K-40 Ac-228 Pb-212 Pb-214 Bi-214 Tl-208 Th-228 Ra-226 Ce-144 Cs-137 Bi-212 Th-232 Pa-234m U-235 Be-7 Pb-210 Đo 50.000 s Đo 86.900 s Đo 172.585 s Đo 259.385 s Đo 328.823 s 4,94 ± 2,52 5.268 ± 276 1,74 ± 1.23 1,55 ± 0,30 6,54 ± 1,90 1,47 ± 0,38 0,61 ± 0,11 < 18,43 3,95 ± 1,94 < 0,64 3,19 ± 1,54 1,69 ± 0,30 1,74 ± 1,23 < 40,5 0,23 ± 0,11 < 0,95 19,97± 6,18 4,87 ± 1,3 5.291 ± 261 2,72 ± 1,38 1,55 ± 0,43 1,2 ± 0,33 2,18 ± 0,44 0,57 ± 0,09 < 21,95 2,31 ± 0,81 < 0,48 2,49 ± 1,16 1,59 ± 0,241 1,55 ± 0.43 < 29,01 0,22 ± 0,05