Loại
quặng Kiểu đo
Detector ghi cường độ gamma (Ig) Ngưỡng năng lượng (MeV) m = /, cm2/g Đất đá Nước Không khí Quặng urani Tích phân CU-19 NaI(Tl) - 0,035 0,037 0,028 - - 0,025 Vi phân NaI (Tl) 1,05-1,35 1,35-1,55 1,65-1,85 2,05-2,65 0,034 0,034 0,034 0,035 - 0,036 0,037 0,038 - 0,032 0,033 0,034 Quặng thori Tích phân CU-19 NaI(Tl) - 0,035 0,034 0,021 - 0,024 - 0,022
40
Loại
quặng Kiểu đo
Detector ghi cường độ gamma (Ig) Ngưỡng năng lượng (MeV) m = /, cm2/g Đất đá Nước Không khí Vi phân NaI(Tl) 1,05-1,35 1,35-1,55 1,65-1,85 2,05-2,65 2,4-2,8 0,032 0,032 0,033 0,035 0,037 - 0,032 0,034 0,035 0,037 - 0,029 0,030 0,031 0,033
2.1.3. Lấy mẫu và đo suất liều tại hiện trường
Các mẫu đất, lương thực là gạo, ngô, sắn, rau và mẫu nước uống được lấy ngay tại khu vực xung quanh tụ điểm khoáng sản. Hình 2.4 và 2.5 trình bày vị trí lấy mẫu tại hai tụ điểm khoáng sản đất hiếm Mường Hum và sa khoáng monazite Bản Gié.
(Hình ảnh khảo sát thực địa được trình bày trong Phụ lục 3).
41
Hình 2.5. Sơ đồ vị trí lấy mẫu môi trường tại mỏ monazite Bản Gié
Quy trình lấy mẫu được thực hiện theo hướng dẫn của IAEA [64]. Mẫu đất, đá, quặng ở mỗi điểm lấy mẫu được lấy ở 5 vị trí trên hình vuông cạnh 60 cm (4 đỉnh và tại giao điểm 2 đường chéo) (Hình 2.6). Mẫu được lấy ở độ sâu đến 30 cm. Mẫu được sấy khô, nghiền nhỏ, trộn và dàn đều theo hình vuông, bề dày 1÷2 cm. Chia mẫu thành 4 phần bằng 2 đường chéo, lấy 2 phần đối diện để rút gọn mẫu. Phần đất thu được lại tiến hành thực hiện theo quy tắc trộn đều và chia 4 phần như trên, cho đến khi mẫu còn lại cỡ từ 1÷2 kg. Phần mẫu còn lại được đóng gói vào túi polyethylene tỷ trọng cao (HDPE), được ghi đầy đủ vị trí tọa độ và thời gian lấy mẫu.
42
Hình 2.6. Sơ đồ vị trí lấy mẫu đất.
Các mẫu sau đóng gói được đưa về Phòng thí nghiệm của Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân để tiến hành xử lý và tạo tiêu bản phù hợp với việc đo phổ gamma.
2.1.4. Phương pháp detector vết hạt nhân đo nồng độ radon và thoron
Nồng độ hoạt độ radon (222Rn) và thoron (220Rn) trong không khí được xác định bằng phương pháp detector vết hạt nhân. Loại detector sử dụng là phim CR39 đặt trong hộp có cấu trúc đặc biệt của hãng Radosy [105] để có thể đồng thời ghi nhận được radon và thoron trong không khí [41, 58]. Hình 2.7 là cặp hộp đựng phim-detector CR39 đo radon trong không khí của hãng Radosy (Hungary) sử dụng trong nghiên cứu của tác giả [36, 41, 54, 58, 69, 105].
Hình 2.7. Cặp hộp đựng phim-detector vết hạt nhân CR39.
Thiết bị đo vết RADUET gồm hai buồng đo và phim CR39 được gắn dưới đáy hai buồng. Cấu trúc của hộp đựng phim cho phép cả hai loại khí 222Rn và
220Rn từ không khí vào được buồng đo thức nhất, nhưng 220Rn không có khả năng đi vào buồng đo thứ hai vì chu kỳ bán rã của nhân này rất ngắn (54 s).
43
Như vậy phim CR39 ở buồng đo thứ nhất ghi nhận được tổng hoạt độ 222Rn và
220Rn, nhưng phim CR39 ở buồng đo thứ hai chỉ ghi nhận được hoạt độ của
222Rn.
Detector được treo trong nhà ở của các hộ dân xung quanh tụ khoáng trong thời gian không ngắn hơn 3 tháng. Sau khoảng thời gian treo tại hiện trường, detector được thu gom và mang về phòng thí nghiệm để xử lý và xác định nồng độ hoạt độ của Rn trên khu vực nghiên cứu (Nguyễn Văn Dũng vcs., 2021) [41, 58, 105].
2.1.5. Xử lý mẫu và đo nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ trong phòng thí nghiệm
Tại phòng thí nghiệm, mẫu đất được phơi khô ở nhiệt độ phòng, sau đó được sấy ở nhiệt độ 105oC đến khối lượng không đổi. Mẫu được sàng qua rây kích thước lỗ 2 mm để loại bỏ các hạt sỏi, sạn và các tàn dư lá và rễ cây.
Để đảm bảo hình học đo của các mẫu và mẫu chuẩn giống nhau, các mẫu được đựng trong các hộp nhựa HDPE hình trụ với chiều cao 30 mm và đường kính trong 75 mm. Để đảm bảo bề dày khối mẫu phân tích và mẫu chuẩn như nhau, khối lượng mẫu chuẩn và mẫu phân tích được chọn là 180 gam. Với các loại đất nhẹ, cần phải nén để mẫu phân tích đạt 180 gam. Tuy nhiên với hộp đựng mẫu đã chọn, đối với các mẫu pha cát, hoặc lẫn nhiều cát mật độ riêng lớn không cần nén khối lượng mẫu đã có thể lên tới 220 gam. Để tiện cho việc hiệu chỉnh sự sai lệch do hiệu ứng tự hấp thụ trong mẫu phân tích và mẫu chuẩn, tiến hành nén mẫu để khối lượng mẫu đạt từ 195 gam đến 220 gam tùy theo từng loại mẫu đất. Sau khi cân mẫu tiến hành nhốt mẫu bằng cách hàn kín nắp với thân hộp đựng mẫu bằng nhựa epoxy. Mỗi hộp đựng mẫu được ghi đầy đủ tên mẫu, khối lượng mẫu và ngày nhốt mẫu.
44
Hình 2.8. Một số mẫu đất đá được nhốt chờ đo phổ.
Mục đích của nhốt mẫu là không để khí radon (222Rn và 220Rn) thoát ra ngoài, nhằm đạt cân bằng bền phóng xạ giữa 226Ra và 232Th với các nhân con- cháu (progenies) của chuỗi phóng xạ, cụ thể là giữa 226Ra với 224Bi, 224Pb; giữa
232Th với 228Ac. Thời gian nhốt mẫu ngắn nhất phải là 3 tuần. Sau 3-4 tuần nhốt, nồng độ hoạt độ của các nhân 40K, 226Ra, 232Th trong mẫu đất được định lượng trên hệ phố kế gamma dùng detector bán dẫn germani siêu tinh khiết (HPGe).
Các mẫu gạo được đãi sạch rồi nấu thành cơm; sắn được bóc vỏ, rửa sạch rồi hấp chín; ngô được đãi sạch rồi luộc chín; rau được nhặt bỏ phần lá già, giữ phần ăn được, rửa sạch rồi luộc chín (N.V. Dũng vcs., 2021). Các mẫu lương thực-thực phẩm đã chín được sấy khô ở nhiệt độ 105oC. Mẫu khô được nghiền vụn rồi cũng nhốt trong các hộp HDPE trong 3-4 tuần để đạt cân bằng phóng xạ, tương tự như mẫu đất, rồi đo xác định nồng độ hoạt độ các nhân 40K, 226Ra và 232Th trong mẫu trên hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe. Nồng độ hoạt độ mẫu khô được quy về nồng độ hoạt độ của mẫu ướt trên cơ sở hàm lượng nước trong mẫu đã làm bay hơi, vì cơm cũng như thực phẩm được ăn ở dạng ướt.
Hệ phổ kế gamma sử dụng để định lượng nồng độ hoạt độ các nhân phóng xạ trong mẫu đất, mẫu lương thực-thực phẩm và mẫu nước là của hãng Canberra (Mỹ). Một số thông số về chất lượng của hệ phổ kế được trình bày trong Bảng 2.2 và Hình 2.9 là ảnh hệ phổ kế gồm detector cùng buồng bảo vệ và Duar chứa nitơ lỏng, hệ cung cấp cao áp và các bộ tiền khuếch đại cùng máy tính và chương trình xử lý phổ.
45
Bảng 2.2. Một số thông số đặc trưng của hệ phổ kế gamma sử dụng
trong nghiên cứu dùng detector HPGe của hãng Canberra (Mỹ).
TT Thông số Đặc trưng,
giá trị
1 Model, số Seri BE-6530;B19171
2 Hiệu suất ghi tương đối tại đỉnh 1,332 MeV của 60Co 18% 3 Độ phân giải năng lượng ở đỉnh 1,332 MeV của 60Co 1,9 keV 4 Tỷ số Đỉnh/Compton ở đỉnh 1,332 MeV 75:1
5 Hằng số thời gian 6 µs
6 Thế làm việc 4.500 V
7 Bề dày vỏ detector 1mm
8 Phần mềm ghi nhận và phân tích phổ Genie 2000
Hình 2.9. Hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe, hãng CANBERRA. 2.1.6. Chương trình đảm bảo và kiểm soát chất lượng (QA/QC) của phép đo 2.1.6. Chương trình đảm bảo và kiểm soát chất lượng (QA/QC) của phép đo phóng xạ gamma
Để xây dựng đường chuẩn năng lượng, Luận án đã sử dụng bộ nguồn chuẩn phóng xạ gamma do IAEA cung cấp. Trong Bảng 2.3 đưa ra các nguồn chuẩn phóng xạ, hoạt độ và các năng lượng bức xạ gamma đặc trưng của mỗi nguồn chuẩn được sử dụng trong luận án.
46
Bảng 2.3. Các đặc trưng của nguồn chuẩn phóng xạ sử dụng trong xác
định nồng độ hoạt độ các nhân phóng xạ trong các mẫu môi trường.
Nguồn Năng lượng (keV) Hoạt độ μCi (năm 1980) Chu kỳ bán rã (năm) 137Cs 661,7 1,0 30,17 60Co 1.173,2 1,0 5,27 1.332,5 1,0 5,27 US 2 186,0 351,9 1.764,5 TS 5 911,2 2.614,0
Để xây dựng đường cong hiệu suất ghi tại đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng đối với hệ phổ kế gamma dùng detector bán dẫn HPGe và lập phương trình phân tích xác định hoạt độ phóng xạ của 226Ra, 232Th và 40K, đã sử dụng bộ mẫu chuẩn phóng xạ do IAEA cung cấp, đó là mẫu chuẩn IAEA RGK-1, RGU-1 và RGTh-1 [126-128], mẫu đất chuẩn IAEA 375 [129] và KCl do Đức sản xuất có độ tinh khiết cao 99,9%. Luận án cũng đã được sử dụng các chất nền là SiO2, CaCO3, TiO và MgO2, để tạo ra các mẫu chuẩn thứ cấp.
Từ bộ mẫu chuẩn của IAEA là RGK-1, RGU-1, RGTh-1 và chất nền SiO2, CaSO3, TiO2 và MgOđã tạo ra mẫu chuẩn thứ cấp hỗn hợp TN. Các chất nền SiO2, CaSO3, MgO, TiO2 được trộn đều theo tỷ lệ về khối lượng. Sau đó cho thêm các mẫu chuẩn RGK-1, RGU-1 và RGTh-1 sao cho thu được được nồng độ hoạt độ của 226Ra, 232Th và 40K trong mẫu chuẩn thứ cấp hỗn hợp TN1 lần lượt là 331±8 Bq/kg, 219±2 Bq/kg và 985±29 Bq/kg.
Cũng từ các chất nền trên kết hợp với KCl đã tạo ra mẫu chuẩn thứ cấp
TNK1 đối với 40K. Mẫu chuẩn TNK1 được pha từ các chất nền như sau: 60 gam SiO2+346,54 gam TiO2+429,96 gam CaSO3+280,75 gam MgO+291,56
gam muối KCl. Nồng độ hoạt độ của 40K trong mẫu chuẩn thứ cấp TNK1 là 3.432 Bq/kg. Hình 2.7 trình bày các mẫu chuẩn thứ cấp sử dụng trong luận án.
47
Hình 2.10. Hộp mẫu chuẩn thứ cấp RGU-1, RGTh-1, RGK-1, TN1 và
TNK1.
Mẫu chuẩn thứ cấp TNK2 được tạo từ 120 gam SiO2+60 gam muối KCl. Nồng độ hoạt độ của 40K trong mẫu chuẩn thứ cấp TNK2 là 5.528 Bq/kg [130].
2.2. Xác định nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ theo phương pháp phổ gamma
2.2.1. Cơ sở vật lý
Luận án đã sử dụng phương pháp phổ gamma để xác định nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ trong mẫu nghiên cứu. Hạt nhân con tạo thành sau mỗi phân rã alpha hoặc beta từ hạt nhân mẹ sẽ ở trạng thái kích thích, chúng sẽ giải phóng năng lượng kích thích bằng cách phát ra bức xạ gamma để trở về trạng thái cơ bản. Mỗi nhân phóng xạ con có thể phát ra một số bức xạ gamma đặc trưng có năng lượng và hệ số phân nhánh xác định. Căn cứ vào vị trí của các đỉnh hấp thụ toàn phần trên phổ gamma mà thiết bị ghi nhận được, nhận diện được các nhân phóng xạ có trong mẫu. Căn cứ vào tốc độ đếm tại đỉnh hấp thụ toàn phần ta biết được nồng độ hoạt độ. Nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ quan tâm được tính theo công thức sau [79]:
A0 = n
εIγm (2.17)
Trong đó:
- A0 là nồng độ hoạt độ của đồng vị đang xét (Bq/kg), - ℇ là hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh thấp thụ toàn phần, - m là khối lượng mẫu đo đơn vị (kg),
48
- n là tốc độ đếm của diện tích tại đỉnh hấp thụ toàn phần được tính theo công thức như sau:
n = Ns
ts −Nb
tb (2.18)
Trong đó: Ns là diện tích đỉnh trong phổ mẫu và Nb là diện tích đỉnh trong phổ phông, ts là thời gian thực đo mẫu và tb là thời gian đo phông.
2.2.2. Chọn vạch gamma đặc trưng xác định hoạt độ phóng xạ
Để xác định hoạt độ phóng xạ của các nhân phát bức xạ gamma đa năng, chọn bức xạ đặc trưng nào có hệ số phân nhánh lớn, đỉnh hấp thụ toàn phần nằm xa các đỉnh hấp thụ toàn phần của các bức xạ khác. Ngược lại với các nhân chỉ phát 1 bức xạ gamma đặc trưng, để xác định hoạt độ phóng xạ của nó ta chỉ dựa vào vạch đó mà thôi.
Đối với nhân 40K: Khi phân rã gamma chỉ phát ra bức xạ đặc trưng năng lượng 1.460,8 keV với hệ số phân nhánh 10,66%, nên luận án chỉ dựa vào đỉnh năng lượng này để xác định hoạt độ phóng xạ của 40K.
Đối với 232Th: Khi phân rã chỉ phát ra bức xạ gamma đặc trưng năng lượng 63,81 keV (0,27%), còn đồng vị kế tiếp là 228Ra khi phân rã chỉ phát ra bức xạ gamma 13,51 keV (1,6%) nên chúng hầu như không được sử dụng để xác định hoạt độ của 232Th trong mẫu môi trường. Để xác định hoạt độ 232Th thường dựa vào các bức xạ gamma đặc trưng của các đồng vị con cháu có cường độ lớn, năng lượng cao. Nồng độ hoạt độ của 232Th được xác định dựa vào các đỉnh hấp thụ toàn phần của các bức xạ gamma năng lượng 338,32 keV (11,27%); 911,2 keV (25,8%); 968,97 keV (15,8%) của 228Ac; vạch 238 keV (43,6%) của
212Pb và 583,19 keV (30,4%) của 208Tl [80].
2.2.3. Xác định nồng độ hoạt độ của 238U cân bằng và không cân bằng
Khi phân tích mẫu đất định lượng 238U, việc lựa chọn các đỉnh gamma của các con cháu trong chuỗi phải xét đến yếu tố cân bằng phóng xạ giữa 238U với 226Ra. Nếu như phân tích 238U cân bằng với 226Ra, thường dựa vào các vạch gamma có năng lượng cao và hệ số phân nhánh lớn do các đồng vị 214Pb
và 214Bi phát ra. Các vạch thường được chọn là 242 keV(7,6%); 295,22 keV (18,4%); 351,93 keV(35,6%) của 214Pb và vạch 609,31 keV (44,6%); 1.120,29 (14,7%); 1.764,49 keV (15,1%) của 214Bi. Để
49
thiết lập trạng thái cân bằng giữa 226Ra và sản phẩm con cháu của 226Ra, cụ thể là 214Pb và 214Bi cần phải nhốt mẫu ít nhất 30 ngày.
Trong trường hợp mất cân bằng, không thể xác định hoạt độ 238U dựa vào các bức xạ gamma do các nhân 214Bi và 214Pb phát ra. Tùy theo kích thước và loại detector có thể chọn các vạch gamma đặc trưng sau:
- Hoạt độ của 238U có thể được xác định dựa vào vạch gamma 49,55 keV (0,07%) do chính 238U phát ra, hoặc các vạch gamma năng lượng
63,28 keV (4,8%); 92,37 keV(2,81%) và vạch 92,7 keV(2,77%) do 234Th cân bằng với 238U. Hai đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma năng lượng 92,37 keV(2,81%) và vạch 92,79 keV(2,77%) chồng chập nhau, coi đỉnh tổng đó là do bức xạ gamma 92,56 keV(5,6%) gây ra. Các vạch trên có năng lượng nhỏ nằm trên nền compton của các bức xạ gamma năng lượng lớn. Vì vậy, các đỉnh này chỉ được sử dụng trong trường hợp detector gamma đo năng lượng thấp, cửa nhỏ mỏng, tinh thể nhỏ.
- Hoạt độ của 238U có thể được xác định dựa vào vạch 1.001,03 keV(0,835%) do 234mPa cân bằng với 238U phát ra. Trong vùng năng
lượng này, hiệu suất ghi tại đỉnh hấp thụ toàn phần nhỏ, hệ số phân nhánh của bức xạ gamma 1001,03 keV rất nhỏ, chỉ áp dụng với detector tinh thể lớn. Trong trường hợp mẫu đất đá môi trường, thời gian đo cần phải đủ dài, để đỉnh 1.001,03 keV xuất hiện với sai số thống kê < 5%.
2.2.4. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối
Với các bức xạ đặc trưng đã chọn, sau khi đo phổ gamma của mẫu phân tích xác định được tốc độ đếm tại đỉnh hấp thụ toàn phần. Với mỗi nhân phóng xạ cho trước, các bức xạ gamma đặc trưng có năng lượng Eγ và hệ số phân nhánh Iγ đã biết, hiệu suất ghi được xác định dựa vào đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần tại năng lượng Eγ. Đo phổ gamma của mẫu chuẩn, thực nghiệm xác định tốc độ đếm n, suy ra hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần được theo công thức:
ε = n
m.Ao.Iγ (2.19)
Luận án đã sử dụng các mẫu chuẩn của IAEA là RGU-1, RGTh-1 và RGK-1 để xây dựng đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần. Trên tất cả các hệ phổ kế, mẫu phân tích và mẫu chuẩn được chứa trong
50
hộp có hình học hoàn toàn như nhau nên hiệu ứng tự hấp thụ có thể bỏ qua trong tính toán hiệu suất ghi. Để giảm sai số thống kê khi xây dựng đường cong hiệu suất ghi phổ gamma của mẫu chuẩn, thời gian đo được lựa chọn đủ