1.3.1. Nguồn gốc hạt phĩng xạ chứa trong thực vật
Hạt nhân phĩng xạ tự nhiên cĩ mặt trong tất cả các mơi trường của con người bao, gồm đất, nước, khơng khí, thực phẩm và thậm chí cả cơ thể của con người chúng ta cũng chứa các chất phĩng xạ tự nhiên. Hạt nhân phĩng xạ tự nhiên thường cĩ hoạt độ phĩng xạ riêng rất thấp và chủ yếu cĩ nguồn gốc từ họ U, Th, 40K hay cịn gọi là hạt phĩng xạ nguyên thủy trên trái đất[9]. Các hạt nhân phĩng xạ tự nhiên được hình thành từ quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ với vật chất trên trái đất. Ngày nay, khi khoa học kỹ thuật phát triển, con người đã tạo ra nguồn phĩng xạ (phĩng xạ nhân tạo) được hình thành trong các quá trình ứng dụng phĩng xạ trong y học, sử dụng phân bĩn trong sản xuất nơng nghiệp, thử nghiệm và sản xuất vũ khí hạt nhân, khai thác khống sản, làm giàu nhiên liệu, sử dụng cho lị phản ứng hạt nhân… Quá trình hình thành nguyên tố phĩng xạ (cả tự nhiên và nhân tạo) đều được diễn ra tại lớp vỏ trái đất –là nơi xảy ra quá trình phân rã phĩng xạ của hạt nhân phĩng xạ ban đầu vào trong đất hoặc phát bụi phĩng xạ vào khơng khí.
Với hệ thực vật trên trái đất, tồn bộ quá trình tồn tại, sinh trưởng đều gắn liền với các điều kiện mơi trường từ lớp vỏ trái đất (đất, nước, khơng khí). Do đĩ, mọi cá thể thực vật đều chứa lượng phĩng xạ nhất định từ các nguồn phĩng xạ tự nhiên và nhân tạo trên lớp vỏ trái đất. Thực vật trực tiếp bám bụi phĩng xạ từ mơi trường qua lá và thân cây do tiếp xúc với bụi phĩng xạ trong khơng khí. Khi bụi phĩng xạ (gọi là rác thải phĩng xạ), hoặc hoạt độ phĩng xạ riêng trong đất đạt đến một mức độ nhất định (nĩ sẽ vượt lên trên bề mặt của trái đất) sẽ tác động và bám trực tiếp vào thân cây, lá cây. Theo đánh giá chung của các nhà nghiên cứu, hiện nay các loại bụi phĩng xạ trên bề mặt trái đất đất đang ngày càng gia tăng và các nguyên tố phĩng xạ nhân tạo cĩ thể được tìm thấy hầu hết trong các mẫu đất, nước, thực phẩm,các lồi động và thực vật…[5]
Ngồi ra thực vật cịn bị nhiễm phĩng xạ thơng qua việc rễ cây hấp thụ các chất phĩng xạ chứa trong nước và đất đá. Quá trình này xảy ra tất yếu với mọi cá thể thực vật do đĩ, hầu hết các loại thực vật đều chứa một lượng nhất định nguyên tố phĩng xạ tự nhiên như urani, thori, radium và kali. Hiện nay, hàng loạt phĩng xạ trong đất bị ơ nhiễm được hấp thụ bởi rễ cây sau đĩ được chuyển giao cho các chồi, và trở thành một phần của chuỗi thức ăn [14]. Khi cây lương thực được trồng trong đất bị ơ nhiễm, các chất phĩng xạ được chuyển từ đất vào rễ cây, vào chồi cây và cuối cùng là nĩ được đưa vào chuỗi thức ăn, nước uống của con người [14].
1.3.2. Thành phần đồng vị phĩng xạ trong mẫu thực vật
Theo kết quả nghiên cứu chung của các nhà khoa học, trong các loại rau quả, thực vật đều chứa một lượng nguyên tố phĩng xạ với hoạt độ phĩng xạ riêng nhất định. Hoạt độ phĩng xạ riêng này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như mức độ ơ nhiễm phĩng xạ của đất, nước, khơng khí; mức độ (khả năng) hấp thụ phĩng xạ của từng lồi, từng cá thể thực vật. Một số kết quả nghiên cứu cụ thể về thành phần, hoạt độ riêng và tính chất của các nguyên tố phĩng xạ chứa trong các mẫu thực vật: Trong trái cây, rau và thực vật cĩ chứa kim loại nặng và nguyên tố phĩng xạ phát bức xạ gamma [8]. Trong các loại rau xanh, trái cây, đỗ, gạo, các loại củ, các thực phẩm cĩ nguồn gốc từ đường, cà phê, bột mì, bột mì, bột ngơ, mì ống… cĩ chứa các hạt nhân phĩng xạ tự nhiên 232Th, 238U, 210Pb, 226Ra, 228Ra. Mỗi năm, việc con người ăn các loại rau và thức ăn chế biến từ những thực phẩm trên cũng đồng nghĩa với việc tiêu thụ một lượng nguyên tố phĩng xạ tự nhiên cĩ thời gian sống dài 14.5μSv [16]. - Trong lá Chè xanh cĩ chứa đồng vị phĩng xạ 90Sr và 137Cs cao hơn so với những thực phẩm cĩ nguồn gốc thực vật khác. Hoạt độ phĩng xạ trong Chè được so sánh ngang với rau ở Ấn Độ và Nhật Bản [12]. - Trung bình trong mỗi bữa ăn hỗn hợp cĩ chứa một lượng phĩng xạ của ngũ cốc với nồng độ khoảng 1-3,5 pCi / kg 210Pb. Hơn một trăm mĩn ăn khác nhau (thịt, rau, ngũ cốc, thủy sản ,… ) đã được Ramiza , Hussain , Rani và Nasim - Akhtar thu thập và phân tích phĩng xạ
trong các năm 1998, 1999, 2000 và được coi như một phần của chương trình giám sát thực phẩm quốc gia của Syria[6].
1.3.3. Hoạt độ phĩng xạ riêng trong mẫu thực vật ở những điều kiện vật lý khác nhau.
Theo kết quả nghiên cứu của Ramiza, M.Y. Hussain, M Rani và Nasim-Akhtar thuộc Khoa vật lý, Trường Đại học nơng nghiệp, Faisalabad, Pakistan (năm 2010) tiến hành khảo sát nồng độ phĩng xạ tự nhiên chứa trong các mẫu rau quả ở những điều kiện khác nhau với. Mẫu khảo sát là 01 kg rau quả (rau trứng, bầu, khoai tây và ớt ngọt)được thu thập từ nhiều địa điểm khác nhau tại Thành phố Faisalabad. Các mẫu được phân tích ở các điều kiện rửa sạch, bĩc vỏ ngồi, luộc, sấy ở nhiệt độ cao và sấy ở nhiệt độ thấp. Hoạt động khảo sát được tiến hành cho cả hai hình thức rửa/ khơng rửa và cắt nhỏ (hoạt độ phĩng xạ của nước luộc và nước sử dụng để rửa khoảng 3,25 Bq /L. Các mẫu được làm khơ trong dầu ăn Kisan Sun Flower ở nhiệt độ 110 độ C; và làm mát bằng nước đến nhiệt độ khoảng 380 C). Các phân tích đã được thực hiện cả trước và sau khi chế biến; cả trong tình trạng nĩng và lạnh. Sử dụng các detector Geiger Muller được sử dụng để xác định hoạt độ phĩng xạ [16]. Máy cĩ hiệu suất ghi là 60% tốc độ đếm phơng là 20 xung/phút. Bảng 1.4 đưa ra hoạt độ phĩng xạ riêng của một số mẫu thực vật ở một số điều kiện khác nhau.
Bảng 1.4. Hoạt độ phĩng xạ riêng của một số mẫu thực vật ở một số điều kiện khác nhau
Điều kiện Rau trứng
Bq/kg Bầu Bq/kg Bình Bầu Bq/kg Khoai tây Bq/kg Ớt ngọt Bq/kg Rửa 51.34+0.79 41.42+0.46 42.13+0.64 47.05+0.72 46.2+0.93 Cắt nhỏ 43.22+1.93 38.67+1.30 38.8+0.33 38.18+0.24 39.47+0.41 Sấy ở nhiệt độ cao 56.11+0.72 55.33+0.36 53.87+0.33 53+0.42 53.4+0.31 Sấy ở nhiệt độ thấp 45.11+0.44 45.1+ 0.11 41.33+1.75 40.83+0.87 39.2+0.38
Từ số liệu của bảng 1.4 ta thấy rằng:
- Hoạt độ phĩng xạ riêng của tất các rau quả đã giảm sau khi rửa.
- Ở điều kiện sấy ở nhiệt độ thấp hoạt độ phĩng xạ riêng trong rau, quả nhỏ hơn ở điều kiện sấy ở nhiệt độ cao.
- Hoạt độ phĩng xạ riêng trong rau quả giảm theo các điều kiện khác nhau từ sấy ở nhiệt độ cao đến rửa sạch và cuối cùng là sấy ở nhiệt độ thấp.
- Ở điều kiện sấy ở nhiệt độ cao hoạt độ phĩng xạ riêng cao nhất đã được tìm thấy trong cây rau trứng (56,11 0,72 Bq / kg); hoạt độ phĩng xạ riêng thấp nhất đã được tìm thấy trong khoai tây (53 0,42 Bq / kg).
- Các loại rau khi cùng sấy ở nhiệt độ phịng, hoạt độ phĩng xạ riêng được tìm thấy cao nhất trong cây rau trứng (45,11 0,44 Bq / kg) và hoạt độ phĩng xạ riêng thấp nhất trong ớt ngọt (39,2 0,38 Bq / kg). Các sự khác biệt về nồng độ phĩng xạ cĩ thể là do các hấp thụ và bức xạ năng lượng ánh sáng màu khác nhau.
CHƢƠNG II: XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHĨNG XẠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ GAMMA
2.1. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp
2.1.1. Cơ sở của phương pháp
Cường độ bức xạ do một nguyên tố nào đĩ phát ra từ một đối tượng nghiên cứu đều tỷ lệ với hàm lượng của nguyên tố đĩ. Nếu phân rã phĩng xạ của các nguyên tố phát ra các dạng bức xạ khác nhau (alpha, bêta và gamma) thì hàm lượng của nĩ cĩ thể được xác định dựa vào việc ghi nhận một trong số các loại bức xạ trên. Phổ bức xạ alpha do hạt nhân phĩng xạ phát ra là phổ gián đoạn, cĩ năng lượng hồn tồn xác định đặc trưng cho nguyên tố đĩ. Cường độ bức xạ alpha được phát ra từ một đơn vị khối lượng mẫu, tỉ lệ thuận với hàm lượng của nguyên tố phân rã alpha. Do khả năng đâm xuyên của hạt alpha rất nhỏ, nên trước khi đo hoạt độ phĩng xạ alpha cần phải tiến hành xử lý hĩa học các mẫu. Cơng đoạn xử lý hĩa học mẫu để đo phổ alpha thường rất phức tạp. Ngày nay phương pháp phổ alpha ít được sử dụng để xác định hàm lượng uran, thơri trong đất đá [2,3].
Bức xạ bêta cĩ khả năng đâm xuyên lớn hơn so với alpha nhưng phổ bê ta do một nguyên tố phĩng xạ phát ra là phổ liên tục. Hiện nay, phương pháp phổ bê ta cũng hầu như khơng cịn được sử dụng để xác định hàm lượng của uran, thơri và kali.
Đa số các nguyên tố trong ba dãy phĩng xạ tự nhiên, hạt nhân con được hình thành ở trạng thái kích thích, chúng phát ra bức xạ gamma để trở về trạng thái kích thích cĩ năng lượng thấp và cuối cùng về trạng thái cơ bản. Phổ bức xạ gamma do nguyên tố phĩng xạ phát ra là phổ gián đoạn, cĩ năng lượng hồn tồn đặc trưng cho nguyên tố đĩ. Cường độ bực xạ gamma đặc trưng của mỗi nguyên tố phĩng xạ tỷ lệ thuận với hàm lượng của nguyên tố đĩ. Ngồi ra, bức xạ gamma cĩ khả năng đâm xuyên lớn nên trong địa vật lý hạt nhân bức xạ gamma được quan tâm đặc biệt. Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của cơng nghệ, các thiết bị đo phổ gamma ngày càng hồn thiện cho nên hàm lượng của các nguyên tố phĩng xạ U, Th, K được xác định theo phương pháp phổ gamma. Trong phịng thí nghiệm hàm lượng các
nguyên tố phĩng xạ U, Th, K được xác dịnh bằng phổ kế gamma bán dẫn với máy phân tích biên độ nhiều kênh. Ngồi hiện trường, hàm lượng của các nguyên tố phĩng xạ U, Th, K thường được xác định bằng phổ kế gamma nhấp nháy với máy phân tích bốn kênh.
Các bức xạ gamma do các nguyên tố phĩng xạ phát ra cĩ phổ gián đoạn. Mỗi hạt nhân phĩng xạ gamma phát ra một hoặc một số bức xạ gamma cĩ năng lượng hồn tồn xác định đặc trưng cho nguyên tố đĩ. Ngồi ra, các bức xạ gamma cĩ khả năng đâm xuyên lớn, do đĩ phương pháp gamma nĩi chung cĩ chiều sâu nghiên cứu lớn. Trong phịng thí nghiệm, các mẫu đo phổ gamma khơng cần phải xử lý hĩa học trước khi đo, chỉ cần xử lý sơ bộ như sấy khơ và nghiền nhỏ để cĩ thể tạo ra mẫu đo hình học đo xác định.
Với các thiết bị phổ kế gamma bán dẫn cĩ độ phân giải cao, cho phép tách được hầu hết các đỉnh hấp thụ tồn phần của các vạch bức xạ gamma đặc trưng do các nguyên tố phĩng xạ phát ra. Với việc trợ giúp của máy tính, các chương trình xử lý phổ ngày càng hồn thiện, diện tích của các đỉnh hấp thụ tồn phần được xác định một cách nhanh chĩng với độ chính xác cao. Như vậy, với hệ phổ kế gamma bán dẫn cĩ độ phân giải năng lượng cao cĩ thể xác định được hàm lượng của các nguyên tố phĩng xạ phát ra bức xạ gamma cĩ trong mẫu.
Hầu hết các nguyên tố phĩng xạ trong hai dãy uran và thơri đều tồn tại ở trạng thái cân bằng. Ở trạng thái cân bằng phĩng xạ độ phĩng xạ của mọi nguyên tố trong dãy đều bằng nhau và bằng hoạt độ phĩng xạ của nguyên tố mẹ. Điều này cĩ nghĩa hàm lượng của nguyên tố bất kỳ trong dãy liên hệ đơn trị với hàm lượng của nguyên tố mẹ ở đầu dãy. Đối với dãy uran ở trạng thái cân bằng, tỉ số khối lượng giữa Bi214 và 238
U bằng 7,5.10-15. Cịn đối với dãy thơ ri ở trạng thái cân bằng, tỉ số giữa khối lượng của 208Tl và thơ ri là 1,37.10-16. Như vậy, dựa vào hoạt độ phĩng xạ của một sản phẩm phân rã trong dãy cĩ thể xác định được hàm lượng của hạt nhân mẹ. Trong thực tế, để xác định hàm lượng của uran và thơri theo phương pháp phổ gamma đều dựa vào diện tích đỉnh hấp thụ tồn phần của các vạch bức xạ gamma đặc trưng cĩ cường độ lớn và ở xa các vạch khác.
2.1.2. Phương pháp phân tích phổ gamma
Thường phổ gamma của mẫu mà thiết bị ghi nhận được là phổ phức tạp, là sự chồng chất của các phổ gamma đơn năng. Vì vậy để nhận diện các đồng vị phĩng xạ và tính hoạt độ theo phương pháp phổ gamma, cần phải phân tích phổ gamma.
Mục đích chính của việc phân tích phổ gamma là xác định năng lượng và diện tích các đỉnh phổ làm cơ sở cho việc nhận diện nguyên tố và xác định hoạt độ phĩng xạ. Phổ gamma ghi được bao gồm một số đỉnh nằm trên một nền phơng. Đỉnh quan trọng nhất trên phổ gamma là đỉnh quang điện. Đỉnh này là kết quả tương tác của bức xạ gamma với vật liệu detector thơng qua hiệu ứng quang điện. Kết quả của quá trình tương tác là tồn bộ năng lượng của bức xạ gamma đã được giải phĩng trong thể tích của detector.
Trong phổ gamma, vị trí đỉnh tương ứng với năng lượng của tia gamma và hoạt độ phĩng xạ được xác định qua diện tích của đỉnh phổ. Đối với các tia gamma năng lượng lớn hơn 1022 keV cịn xuất hiện các đỉnh tán xạ ngược trong khoảng 200÷300 keV, đỉnh 511 keV, đỉnh (Eγ 511) keV và (Eγ 1022) keV. Đối với các detector kích thước lớn cịn xuất hiện thêm các đỉnh tổng của hai tia gamma cascade. Các đỉnh năng lượng kể trên làm cho phổ gamma trở nên phức tạp và trong một số trường hợp cĩ thể can nhiễu lẫn nhau.
Phần phơng của phổ gamma đĩng gĩp của tán xạ Compton diễn ra trong detector và của phĩng xạ tự nhiên từ các vật liệu của detector, từ đất đá, từ khơng khí xung quanh detector, từ các tia vũ trụ. Trong nhiều trường hợp, phơng gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng phổ gamma vì thế việc che chắn là rất cần thiết, thơng thường người ta hay sử dụng chì làm vật liệu che chắn để hạn chế phơng phĩng xạ tự nhiên.
Trong thực nghiệm, năng lượng của bức xạ gamma ứng với các đỉnh quang điện cĩ thể xác định bằng việc chuẩn năng lượng. Hoạt độ phĩng xạ được xác định dựa trên diện tích đỉnh đã trừ phơng của các đỉnh hấp thụ tồn phần của các bức xạ đặc trưng. Kết quả tính diện tích đỉnh phổ cịn ảnh hưởng tới kết quả xác định thời
gian bán rã của các đồng vị phĩng xạ. Cĩ hai phương pháp để xác định diện tích đỉnh phổ gamma là phương pháp số và phương pháp làm khớp.
Hiện nay hầu hết việc phân tích phổ biên độ xung được thực hiện với sự trợ giúp của các chương trình máy tính. Các chương trình này được cài đặt trên các máy tính cá nhân, cĩ thể vừa ghi nhận vừa xử lý phổ. Việc phân tích phổ cĩ thể tự động hĩa một phần sau khi đã được thực hiện các quy trình như thiết lập các thơng số cần thiết, chuẩn năng lượng, độ phân giải, hiệu suất ghi… Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, cần thiết phải cĩ những can thiệp trực tiếp như để phát hiện ra những bất thường của phổ, quyết định những vùng phổ hoặc những đỉnh phổ cần xử lý, đối với các đỉnh chập cần phải cĩ những xử lý đặc biệt,… Từ những lý do này mà các chương trình phân tích phổ gamma đều cĩ những bước thực hiện riêng biệt với rất nhiều các tùy chọn tạo cho chương trình một sự mềm dẻo, thích hợp với hầu hết các yêu cầu đặt ra trong việc ghi nhận và phân tích phổ gamma.
Phân tích phổ sử dụng các chương trình máy tính cĩ tốc độ xử lý nhanh, cĩ thể nhận biết và xử lý hầu hết các đỉnh với chất lượng tốt. Các số liệu thu được cho biết