Nghiên cứu một số vấn đề cơ bản về liều lượng học và an toàn phóng xạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Khóa luận tốt nghiệp Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới thầy giáo Nguyễn Thành Công người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật Lý Trường Đại Học Vinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đề tài. Cảm ơn tập thể lớp 46B Vật Lý luôn luôn ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua. Đồng thời tôi xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình cùng bạn bè sinh viên đã quan tâm giúp đỡ tôi, động viên tôi hoàn thành khóa luận này. Là một sinh viên bước đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tôi không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô và các bạn để khóa luận được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn. Vinh, tháng 5 năm 2009. SV: Nguyễn Thị Hằng. Nguyễn Thị Hằng - 46 B 1 Khoa Vật Lý TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Khóa luận tốt nghiệp lời cảm ơn Tôi Nguyễn Thị Hằng - 46 B 2 Khoa Vật Lý TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC A- Mở đầu 1. Lý do chọn đề tài 2. Mục đích nghiên cứu đề tài 3. Nhiệm vụ đề tài 4. Phương pháp nghiên cứu đề tài 5. Bố cục đề tài B- Nội dung Chương I. Tương tác của bức xạ với vật chất và các nguyên lý cơ bản của phòng tránh phóng xạ. 1.1. Tương tác của bức xạ với vật chất. 1.2. Những quy tắc và nguyên lý cơ bản của phòng tránh phóng xạ. Chương II. Các đơn vị đo liều và tác dụng sinh học của bức xạ hạt nhân. 2.1 Các đơn vị đo liều cơ bản. 2.2 Tác dụng sinh học của bức xạ hạt nhân và các mức chiếu giới hạn cho phép. 2.3 Bảo vệ, phòng tránh bức xạ trong các điều kiện của phòng thí nghiệm, các nguyên tắc bảo vệ chung. Chương III. Các kết quả thực hành tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm. 3.1. Nghiên cứu sự suy giảm suất liều bức xạ gamma nguồn Cs-137 vào bề dày các vật liệu che chắn và vào khoảng cách. 3.2. Tính toán các đơn vị đo liều bức xạ. 3.3. Tính toán sự phân rã của các chất phóng xạ. 3.4. Tính toán che chắn phóng xạ. C- Kết luận D- Tài liệu tham khảo E- Phủ lục Nguyễn Thị Hằng - 46 B 3 Khoa Vật Lý TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Khóa luận tốt nghiệp A- MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Các bức xạ ion hóa xung quanh ta (tia gamma, chùm electron, hạt alpha…)tác động lên mô sống đặc biệt đó là chính con người. Các bức xạ này xuất hiện ngay từ thuở khai sinh lúc đó con người đã phải hứng chịu đủ mọi loại phóng xạ từ vũ trụ, từ trái đất và môi trường xung quanh… Chính vì vậy mà nó trở thành mối quan tâm của toàn xã hội. Ngoài ra các bức xạ này cũng gắn liền với các hoạt động của con người như bao gồm các tia X dùng trong chẩn đoán và điều trị các hạt nhân phóng xạ được dùng trong y học và công nghiệp. Việc xử lý các chất thải phóng xa việc đánh giá xác suất xảy ra các sự cố hạt nhân lúc này trở nên hết sức quan trọng và luôn nằm trong chính sách quốc gia của nhà nước. Riêng về ngành vật lý hạt nhân của chúng ta thời gian qua đã quan tâm nhiều đến công tác an toàn bức xạ. Đó là một bộ môn khoa học chuyên nghiên cứu về những tác động của bức xạ đối với cơ thể con người nhằm tìm ra những giải pháp những tiêu chí an toàn nhất trong khi vẫn khai thác được những lợi ích tiềm tàng và đa dạng của năng lượng hạt nhân và nguyên tử. Với quan điểm đó, ngành vật lý hạt nhân của chúng ta đã quan tâm cả về phương diện kỹ thuật lẫn phương diện pháp luật. Về mặt kỹ thuật, tại Viện năng lượng Nguyên tử Việt Nam, một phòng chuẩn cấp hai về liều lượng học và an toàn bức xạ đã được xây dựng, một hệ thống bảo đảm việc đo đạc và theo dõi liều kế cá nhân, bảo đảm chất lượng điều trị và chẩn đoán bằng kỷ thuật hạt nhân đã được hình thành. Nguyễn Thị Hằng - 46 B 4 Khoa Vật Lý TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Khóa luận tốt nghiệp Về mặt pháp luật, mọi quy phạm an toàn bức xạ ion hóa, cơ sở pháp lý cấp luật nhà nước đầu tiên của Việt Nam đã được ban hành. Tuy nhiên theo đánh giá của nhiều cán bộ trong ngành thì đây vẫn là lĩnh vực còn yếu kém nhất của hoạt động khoa học và công nghệ hạt nhân trong thời gian qua và có thể nói rằng, hiện nay liều lượng học và an toàn bức xạ hạt nhân gần như đang phải bắt đầu từ những bước đầu tiên. Vì vậy để tận dụng tối đa các ứng dụng của ngành năng lượng hạt nhân nguyên tử trong các lĩnh vực của đời sống xã hội thì các kiến thức cũng như các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ không chỉ cần cho đối tượng là những người làm việc với phóng xạ và bức xạ mà cho tất cả mọi người. Đặc biệt việc nghiên cứu để nắm vững các luận điểm cơ bản của liều lượng học và các nguyên tắc bảo vệ, phòng tránh, an toàn bức xạ là việc làm có tính thời sự, rất cần thiết và quan trọng . Nhìn nhận thấy vai trò to lớn đó, tôi đã mạnh dạn chọn nghiên cứu đề tài: “NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ LIỀU LƯỢNG HỌC VÀ AN TOÀN PHÓNG XẠ” nhằm được đi sâu vào tìm hiểu để góp phần nâng cao sự hiểu biết của mình. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI - Trình bày một số vấn đề cơ bản về liều lượng học và an toàn phóng xạ như: quy tắc và nguyên lý cơ bản của an toàn phóng xạ, tương tác bức xạ với vật chất. - Trình bày được các đơn vị đo liều cơ bản, tác dụng sinh học của bức xạ hạt nhân, bảo vệ. - Tiến hành thí nghiệm kỷ thuật hạt nhân, đo đạc thực nghiệm,giải các bài tập nhằm kiểm chứng lại giả thuyết và giúp chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn về những kết quả đó, tin tưởng vào kết quả và có điều kiện tìm hiểu thêm. Nguyễn Thị Hằng - 46 B 5 Khoa Vật Lý TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Khóa luận tốt nghiệp 3. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI - Tìm hiểu về bức xạ, tương tác bức xạ với vật chất, quy tắc và nguyên lý cơ bản về an toàn phóng xạ . - Phải nghiên cứu về đơn vị đo liều cơ bản, nghiên cứu tác dụng sinh học của bức xạ hạt nhân để biết được mức chiếu giới hạn cho phép. - Tiến hành đo đạc thực nghiệm, tính toán và xử lý số liệu, giải các bài tập để kiểm chứng lại lý thuyết. - Rút ra các kết luận cần thiết. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Căn cứ vào mục đích và nhiệm vụ đề tài, chúng tôi đã lựa chọn phối hợp nhiều phương pháp, trong đó có hai phương pháp chủ yếu. 4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Bao gồm: Thu thập tài liệu, đọc, phân tích, tổng hợp tài liệu và xử lý các số liệu cần thiết. 4.2. Phương pháp thực nghiệm Tiến hành thí nghiệm khảo sát, đo đạc lấy số liệu thực nghiệm. Xử lý các số liệu thu được, rút ra nhận xét, kết luận. 5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI A. Mở đầu B. Nội dung Chương I. Tương tác của bức xạ với vật chất và nguyên lý cơ bản của phòng tránh phóng xạ. Chương II. Các đơn vị đo liều và tác dụng sinh học của bức xạ hạt nhân. Chương III. Các kết quả thực hành tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm. C. Kết luận D. Tài liệu tham khảo E. Phụ lục Nguyễn Thị Hằng - 46 B 6 Khoa Vật Lý TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Khóa luận tốt nghiệp B - PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I. TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT VÀ CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA PHÒNG TRÁNH PHÓNG XẠ. Liều lượng học là một bộ môn của vật lý hạt nhân ứng dụng trong đó khảo sát các tính chất của bức xạ ion hóa, các đại lượng vật lý đặc trưng cho tương tác của bức xạ ion hóa với môi trường cũng như các phương pháp và thiết bị đo các đại lượng này. Nhiệm vụ quan trọng nhất của liều lượng học là thiết lập sự đánh giá định lượng hiệu ứng tác dụng của bức xạ ion hóa lên đối tượng nghiên cứu. Nhiệm vụ nói chung là thiết lập các điều kiện an toàn khi làm việc với các nguồn bức xạ và kiểm tra việc thực hiện những điều kiện này. 1.1. TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT Bức xạ ion hóa là bức xạ bất kỳ mà tương tác của nó với môi trường trong một thể tích nhất định dẫn tới sự tạo thành các điện tích trái dấu. Bức xạ ion hóa là các hạt ion hóa trực tiếp hoặc gián tiếp hay tổ hợp của chúng. Các hạt tích điện như proton, hạt alpha, bức xạ bêta… có động năng đủ để ion hóa bằng va chạm là những hạt ion hóa trực tiếp. Các hạt trung hòa như lượng tử gamma, nơtron…có thể tạo thành một cách trực tiếp các hạt ion hóa hoặc gây ra những biến đổi hạt nhân là những hạt ion hóa gián tiếp. Bức xạ hạt nhân là tất cả các loại hạt phát ra trong các quá trình biến đổi phóng xạ cũng như trong phản ứng hạt nhân. Vì những tính chất tương tự, có thể liệt kê vào bức xạ hạt nhân các loại bức xạ Rơnghen, bức xạ phát sinh trong quá trình gia tốc, các hạt mang điện, các tia vũ trụ. Nguyễn Thị Hằng - 46 B 7 Khoa Vật Lý TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Khóa luận tốt nghiệp Bức xạ hạt nhân có thể phân chia thành: - Bức xạ điện tích (electron, pozitron, proton…) - Bức xạ điện từ (lượng tử gamma, tia Rơnghen…) - Bức xạ trung hòa điện (nơtron, nơtrinô…) Tương tác của bức xạ với vật chất mang tính chất tác động qua lại. - Vật chất làm suy giảm cường độ và năng lượng của bức xạ. - Bức xạ làm thay đổi cấu trúc của vật chất, gây ra các biến đổi vật lý, hóa học và các biến đổi này phụ thuộc rất nhanh vào năng lượng dạng bức xạ. Và các thông số liều lượng học của bức xạ ion hóa phụ thuộc vào tính chất của bức xạ và tính chất của môi trường. Tính chất của bức xạ được đặc trưng bằng các đại lượng như điện tích của hạt, khối lượng m, năng lượng E của nó, thành phần phổ, hướng của dòng bức xạ và thành phần chất lượng của bức xạ. Tính chất của môi trường được biểu diễn qua các thông số như mật độ ρ, nguyên tử số Z… Khả năng ion hóa của các hạt được đặc trưng bằng đại lượng độ hao phí năng lượng ion hóa trung bình (dE/dx) ion . Các dạng bức xạ khác nhau có độ hao phí năng lượng ion hóa trung bình khác nhau. Chẳng hạn, đối với các electron tốc độ cao và đơn năng, theo công thức gần đúng bêta: ion dX dE       = 22 4 00 cm zn2 β π ( ) ( ) ( )         δ−β−−+β+−β−−β−+ β− β 2222 22 22 11 8 1 2ln1121 J12 Ecm ln ; (1) Trong đ ó: n 0 - số điện tử trong 1 cm 3 môi trường z 0 - điện tích của electron β =v/c- tỷ số tốc độ electron trên tốc độ ánh sáng J (z)= 13,5Z là thế ion hóa trung bình các nguyên tử môi trường Z - số thứ tự nguyên tử môi trường V ì n 0 =KρZ/A trong đó k là số Avôgadrô, A l à khối lượng nguyên tử nên hao phí năng lượng do ion hóa tỷ lệ với ρZ/A. Nguyễn Thị Hằng - 46 B 8 Khoa Vật Lý TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Khóa luận tốt nghiệp Từ đó rút ra rằng hao phí năng lượng ion hóa của các electron tỷ lệ với mật độ điện tử trong môi trường và 1 hàm nào đó của tốc độ J(v). Trong các lớp khối lượng bằng nhau của các chất khác nhau thì hao phí năng lượng ion hóa của electron gần bằng nhau. Khi năng lượng của electron tăng, theo công thức (1) hao phí năng lượng. Vì ion hóa của chúng lúc đầu giảm, sau đó tăng chậm. Chiều dài quãng chạy của electron cũng thay đổi một cách tương ứng trong môi trường mà ta khảo sát. ( Hao phí năng lượng càng lớn thì chiều dài quãng chạy càng nhỏ). Bảng 1 giới thiệu quãng chạy của electron với các giá trị năng lưọng khác nhau trong 3 môi trường. Bảng 1: Quãng chạy của electron trong không khí, nước và chì(cm) Môi trường Năng lượng (MeV) 0,05 0,5 5 50 500 Không khí 4,1000 160,00 2.10 3 17.10 3 63.10 3 Nước(Tế bào sinh học) 0,0047 0,19 2,6 19 78 Chì 9.10 -4 0,037 0,3 1,25 2,5 1.1.1. Hạt mang điện tương tác với vật chất Hạt mang điện là hạt có khối lượng lớn gấp hàng trăm lần khối lượng electron. Quá trình tương tác chính của chúng với vật chất là va chạm đàn tính và va chạm không đàn tính với electron quỹ đạo. Hao phí năng lượng trung bình -(dE/dx) ion đối với hạt nặng tích điện cũng phụ thuộc vào tốc độ của hạt, điện tích Z r của nó, nồng độ điện tử của môi trường và đối với các giá trị năng lượng nhỏ ( c v =β =0) thì có thể biễu diễn bằng công thức: - ion dx dE       =       π 2 0 2 r 4 0 vm ZZ4 NZln         J vm2 2 0 ; (2) Trong đó: m 0 - là khối lượng điện tử N- Số nguyên tử trong 1cm 3 chất hãm J - Thế ion hóa trung bình của nguyên tử môi trường Nguyễn Thị Hằng - 46 B 9 Khoa Vật Lý TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Khóa luận tốt nghiệp Từ biểu thức trên rút ra rằng, hao phí năng lượng của ion hóa và do đó quãng chạy phụ thuộc rất mạnh vào địên tích của hạt. Giá trị độ hao phí năng lưọng ion hóa của hạt alpha lớn hơn nhiều so với giá trị này của proton cùng năng lượng. Bảng 2 giới thiệu quãng chạy của hạt alpha trong không khí, nước và nhôm. Bảng 2: Quãng chạy của hạt alpha trong không khí, nước(Tế bào sinh học) và nhôm. Năng lượng hạt alpha(MeV) Không khí (cm) Nước( m µ ) (tế bào sinh học) Nhôm ( m µ ) 4 2,5 31 16 5 3,5 43 23 6 4,6 56 30 7 5,9 72 38 8 7,4 91 48 9 8,9 110 58 10 10,6 130 69 Từ sự so sánh bảng 1 và 2 ta thấy quãng chạy của hạt alpha trong các môi trường nhỏ hơn nhiều so với quãng chạy của bức xạ bêta. Mặt khác độ hao phí năng lượng ion hóa của hạt alpha lớn hơn nhiều so với độ hao phí năng lượng ion hóa của electron nghĩa là bức xạ alpha có tác dụng ion hóa hơn nhiều. Bức xạ ion hóa gián tiếp (lượng tử gamma, nơtron) không tương tác với trường Coulomb của nguyên tử do đó là bức xạ đâm xuyên mạnh, ion hóa yếu so với các hạt tích điện. 1.1.2. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất - Sự suy giảm năng lượng: I(x)= I 0 .e - x. µ - Nguyên nhân do 3 quá trình: hiệu ứng compton, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng tạo cặp. +) Hiệu ứng Compton Nguyễn Thị Hằng - 46 B 10 Khoa Vật Lý