CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Đánh giá hoạt độ phóng xạ sử dụng hệ phân tích gamma thực địa
Hiệu suất đầu dò phụ thuộc vào nhiều yếu tố: loại đầu dị, kích thước và dạng đầu dị (hình học đầu dị), kích thước và hình học của vật liệu phóng xạ (nguồn, mẫu đo), khoảng cách từ vật liệu phóng xạ tới đầu dị, loại bức xạ cần đo (gamma, alpha, beta, neutron…), năng lượng của bức xạ cần đo, tán xạ ngược của bức xạ từ môi trường xung quanh tới đầu dò, sự hấp thụ bức xạ trước khi tia gamma đến được đầu dị (bởi khơng khí, chất liệu bao quanh phần nhạy của đầu dị, bản thân vật liệu phóng xạ bao gồm matrix và mật độ), cách bố trí hình học đo, vấn đề hạn chế của hàm đáp ứng thời gian của đầu dò (do bản chất của loại đầu dò và hệ điện tử) làm trùng phùng số đếm các gamma nối tầng trong nguồn phân rã đa năng dẫn đến sự thêm hoặc mất số đếm ở đỉnh năng lượng toàn phần. Do hệ khảo sát hiện trường nên trong luận văn, tác giả sử dụng phần mềm tính tốn hiệu suất ISOCS CANBERRA mơ phỏng các thông số liên quan đến khảo sát hiện trường: độ sâu lớp đất, mật độ đất, đường kính của lớp đất, góc lệch giữa nguồn và đầu dị.
3.1.1 Hiệu suất ghi theo độ sâu
Trong phần này chúng tôi khảo sát độ sâu cực đại của lớp đất cịn tác dụng phóng xạ lên hệ đo. Khi đo phóng xạ hiện trường, các lớp đất sẽ bức xạ gamma vào đầu dị. Do tính chất của photon đi qua các lớp hấp thụ sẽ mất dần năng lượng, các bức xạ gamma của các lớp đất càng ở dưới sâu sẽ càng ít tác dụng lên đầu dò do lớp đất mặt trên hấp thụ. Hiệu suất ghi càng nhỏ tức là phóng xạ từ lớp đất tác dụng lên đầu dò càng nhỏ. Trong luận văn tác giả khảo sát hiệu suất ghi của một khối đất hình trụ có đường kính 200 cm, mật độ đất 1,37 g/cm3, độ dày 1 cm cách mặt đất cách lần lượt những khoảng cách đều 2 cm liên tiếp cho đến 40 cm tương tác lên đầu dò. Đối với mỗi độ sâu sẽ khảo sát 12 mức năng lượng từ 238,63 keV đến 2614,51 keV. Số liệu được trình bày ở phần phụ lục 2. Sau khi xem xét, tác giả so sánh hiệu suất ghi của các lớp đất khác với hiệu suất ghi của lớp đất trên cùng (cách bề mặt 0 cm). Bảng 3.1 trình bày tỷ số hiệu suất ghi của các lớp đất có độ sâu khác so với hiệu suất ghi của lớp đất trên cùng.
Bảng 3.1. Tỷ số hiệu suất ghi đối với các lớp đất theo độ sâu so với bề mặt (%)
Năng lượng (keV) 0 cm 4 cm 8 cm 16 cm 20 cm 28 cm 30 cm 32 cm 40 cm 238,63 100,0 43,3 18,9 3,8 1,8 0,6 0,3 0,2 0,0 295,20 100,0 45,8 21,1 4,7 2,3 0,8 0,4 0,3 0,1 351,93 100,0 47,8 23,0 5,6 2,8 1,0 0,5 0,4 0,1 583,20 100,0 53,8 29,0 8,9 5,0 2,1 1,2 0,9 0,3 661,66 100,0 55,3 30,7 9,9 5,7 2,6 1,5 1,2 0,4 794,94 100,0 57,5 33,2 11,6 6,9 3,3 2,0 1,6 0,6 911,10 100,0 59,2 35,1 12,9 7,9 3,9 2,4 1,9 0,8 1120,29 100,0 61,5 38,0 15,1 9,6 5,0 3,2 2,6 1,1 1238,10 100,0 62,7 39,4 16,2 10,5 5,6 3,7 3,0 1,3 1460,83 100,0 64,5 41,8 18,2 12,1 6,7 4,5 3,7 1,8 1764,60 100,0 66,5 44,3 20,4 14,0 8,1 5,6 4,7 2,3 2614,51 100,0 70,3 49,5 25,4 18,3 11,4 8,4 7,2 3,9
Hình 3.2 biểu diễn hiệu suất ghi của đầu dò do các lớp đất cách mặt đất 0 cm, 4 cm, 8 cm cho hiệu suất chênh lệch lớn giữa các mức năng lượng. Các lớp đất bên dưới sâu từ 20 cm trở đi thì hiệu suất có giá trị như nhau giữa các mức năng lượng.
Hình 3.2. Giá trị hiệu suất ghi ở các lớp đất khác nhau.
Dựa vào hình 3.2 chúng ta thấy càng xuống sâu (28 cm tới 40 cm so với mặt đất) thì hiệu suất ghi của đầu dị rất nhỏ vào khoảng 10-7. Dựa vào bảng 3.1, hiệu suất ghi của lớp đất ở độ sâu 28 cm với các mức năng lượng giảm còn 3% hiệu suất ghi của lớp đất trên cùng. Và hiệu suất ghi của các lớp đất từ khoảng cách 30 cm dưới mặt đất hầu như không tương tác vào đầu dò giống như các cơng trình [11], [14], [26]. Vì vậy khi thực hiện việc đo đạc chúng tôi xét khối đất khảo sát có độ sâu
0,00E+00 1,00E-05 2,00E-05 3,00E-05 4,00E-05 5,00E-05 6,00E-05 7,00E-05 8,00E-05 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 H iệ u suấ t gh i
Năng lượng (keV)
3.1.2 Ảnh hưởng của mật độ đất lên hiệu suất ghi
Trong khảo sát hiện trường, mật độ đất của khu vực đo dao động từ 1,3 g/cm3 tới 2 g/cm3, trong phịng thí nghiệm 1,2 g/cm3 tới 1,8 g/cm3. Theo ảnh hưởng của độ sâu lớp đất lên hiệu suất ghi, chúng tơi khảo sát một khối đất có đường kính 200 cm độ dày 30 cm và có mật độ đất từ 0,8 g/cm3 tới 2,2 g/cm3. Đối với mỗi mật độ đất sẽ khảo sát 7 mức năng lượng từ 238,63 keV đến 2614,51 keV. Kết quả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi theo mật độ đất trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Hiệu suất ghi theo mật độ đất
Năng lượng (keV) Mật độ đất (g/cm3 ) 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 238,63 2,21.10-5 1,83.10-5 1,55.10-5 1,35.10-5 1,19.10-5 1,06.10-5 9,60.10-6 8,75.10-6 338,32 1,76.10-5 1,47.10-5 1,25.10-5 1,09.10-5 9,63.10-6 8,62.10-6 7,80.10-6 7,11.10-6 609,31 1,18.10-5 1,01.10-5 8,71.10-6 7,64.10-6 6,79.10-6 6,11.10-6 5,54.10-6 5,07.10-6 727,30 1,06.10-5 9,10.10-6 7,91.10-6 6,97.10-6 6,21.10-6 5,59.10-6 5,08.10-6 4,65.10-6 911,10 9,30.10-6 8,03.10-6 7,03.10-6 6,22.10-6 5,57.10-6 5,03.10-6 4,58.10-6 4,19.10-6 1460,83 7,01.10-6 6,18.10-6 5,50.10-6 4,93.10-6 4,46.10-6 4,06.10-6 3,72.10-6 3,42.10-6 2614,51 4,67.10-6 4,22.10-6 3,83.10-6 3,50.10-6 3,21.10-6 2,96.10-6 2,74.10-6 2,54.10-6 Hình 3.3 biểu diễn hiệu suất ghi của đầu dị của các lớp đất có mật độ đất từ 0,8 g/cm3 tới 2,2 g/cm3. Dựa vào hình 3.3 ta thấy mật độ đất càng cao (lớn hơn 1,6 g/cm3) hiệu suất ghi của đầu dò càng thấp (hiệu suất ghi bắt đầu cỡ 10-6). Vật liệu có mật độ càng lớn thì khả năng cản bức xạ càng cao. Do đó mật độ lớp đất càng lớn thì bức xạ của các lớp đất bên dưới khơng tương tác tới đầu dị do lớp đất mặt trên hấp thụ bớt. Bên cạnh đó, đất tại hiện trường là mơi trường tự nhiên nên mật độ của mặt đất thường không đồng nhất, sự chênh lệch mật độ trong khối đất 200 cm sẽ tạo thành sai số trong kết quả khi đo hiện trường.
Hình 3.3. Hiệu suất ghi ứng với mật độ đất thay đổi.
3.1.3 Ảnh hưởng đường kính của nguồn lên hiệu suất ghi
Khảo sát hiệu suất ghi của lớp đất hình trụ có độ dày 30 cm với mật độ đất 1,6 g/cm3, đường kính lần lượt là 1 m, 2 m, đến 20 m [11]. Đối với mỗi độ sâu sẽ khảo sát 12 mức năng lượng từ 238,63 keV đến 2614,51 keV. Số liệu được trình bày ở phần phụ lục 4. Sau khi xem xét, tác giả so sánh hiệu suất ghi của các đường kính khác lên hiệu suất ghi của lớp đất có đường kính 1 m, được bảng số liệu sau. Bảng 3.3 trình bày tỷ
số hiệu suất ghi của các khối đất có đường kính khác so với hiệu suất ghi của khối đất có đường kính 1 m. 0'000E+00 500E-08 1'000E-08 1'500E-08 2'000E-08 2'500E-08 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 H iệ u suấ t gh i Mật độ đất (g/cm3) 238,63 338,32 609,31 727,30 911,10 1460,83 2614,51
Bảng 3.3. Tỷ số hiệu suất ghi của các khối đất có đường kính khác so với hiệu suất ghi của khối đất có đường kính 1 m (%).
Năng lượng (keV) Đường kính khối đất (m) 1 2 4 8 12 16 18 20 238,63 100,0 69,9 32,4 10,8 5,2 3,0 2,4 2,0 295,20 100,0 70,1 32,7 10,9 5,2 3,1 2,5 2,0 351,93 100,0 70,4 32,9 11,0 5,3 3,1 2,5 2,0 583,20 100,0 71,4 34,1 11,5 5,6 3,3 2,6 2,1 661,66 100,0 71,6 34,4 11,7 5,6 3,3 2,7 2,2 794,94 100,0 72,0 34,7 11,9 5,8 3,4 2,7 2,2 911,10 100,0 72,2 35,0 12,0 5,8 3,4 2,8 2,3 1120,29 100,0 72,4 35,4 12,3 6,0 3,5 2,8 2,3 1238,10 100,0 72,7 35,7 12,4 6,0 3,6 2,9 2,3 1460,83 100,0 73,4 36,5 12,8 6,2 3,7 3,0 2,4 1764,60 100,0 74,2 37,4 13,2 6,4 3,8 3,1 2,5 2614,51 100,0 74,8 38,5 13,8 6,8 4,0 3,3 2,7
Hình 3.5 biểu diễn sự thay đổi hiệu suất theo các đường kính khối đất ở các mức năng lượng khác nhau. Kết quả cho thấy khối đất có đường kính lớn 10m trở lên thì sự thay đổi hiệu suất ghi của đầu dị có giá trị chênh lệch khơng lớn. Với khối đất có đường kính 8 m thì hiệu suất ghi của các mức năng lượng từ 10,8% cho tới 13,8% (độ chênh lệch 3,1%) so với khối đất có đường kính 1 m. Với khối đất có đường kính 16 m thì hiệu suất ghi của các mức năng lượng từ 3,0% tới 4,0% (độ chênh lệch 1,0%) so với khối đất có đường kính 1 m. Tỷ số hiệu suất ghi của các đường kính khối đất lớn hơn 16 m với khối đất có đường kính 1 m nhỏ hơn 3% và độ chênh lệch hiệu suất ghi giữa các mức năng lượng khác nhau nhỏ hơn 1,0%. Tức khối đất có đường kính rất lớn thì hiệu suất ghi của đầu dị là như nhau. Tuy nhiên trong luận văn này do khoảng cách của đầu dò cách mặt đất 1 m, bộ chuẩn trực có góc mở 900 tạo thành khối đất có đường kính 2 m.
Hình 3.5. Hiệu suất ghi với đường kính khối đất khác nhau.
3.1.4 Ảnh hưởng của góc lệch giữa nguồn và đầu dị lên hiệu suất ghi
Trong khảo sát này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của góc lệch giữa nguồn và đầu dị qua đó nhận thấy sự thay đổi của hiệu suất ghi của đầu dò với cùng một nguồn ở các vị trí khác nhau trên một cung trịn bán kính 100 cm.
Hình 3.6. Vị trí nguồn khảo sát lệch so với trục đầu dò. 0'000E+00 200E-08 400E-08 600E-08 800E-08 1'000E-08 1'200E-08 1'400E-08 1'600E-08 1'800E-08 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 H iệ u suấ t gh i
Năng lượng (keV)
Nguồn là khối đất hình trụ đường kính 2 mm và cao 2 mm có mật độ 1,6 g/cm3. Các góc lệch được chọn là các góc 00, 150, 300, 450, 600, 750, 900. Đối với mỗi góc lệch sẽ khảo sát 7 mức năng lượng từ 238,63 keV đến 2614,51 keV [17]. Kết quả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi ứng với các góc lệch tại mỗi mức năng lượng được trình bày ở phần phụ lục 6. Sau khi xem xét, tác giả trình bày tỷ số hiệu suất ghi của các góc lệch khác so với hiệu suất ghi góc lệch 00 (nguồn và đầu dị đối diện) và số liệu trình bày bảng 3.4.
Bảng 3.4. Tỷ số hiệu suất ghi với các góc lệch khác nhau so với hiệu suất ghi góc lệch 00 Năng lượng (keV) Góc lệch 00 150 300 450 600 750 900 238,63 100,0 99,2 97,2 92,1 85,1 77,1 70,5 338,32 100,0 99,4 97,5 92,7 85,7 79,4 74,3 609,31 100,0 98,7 97,0 94,2 88,4 82,6 79,4 727,30 100,0 99,2 97,5 94,5 89,3 84,3 81,4 911,10 100,0 99,7 98,5 95,0 90,4 86,6 84,1 1460,83 100,0 99,5 99,1 96,3 93,1 90,4 88,8 2614,51 100,0 99,1 98,7 97,6 96,1 93,1 91,7
Dựa vào bảng 3.4 kết quả cho thấy các góc lệch 750, 900 hiệu suất ghi nhận của đầu dò thay đổi lớn, trung bình là 18,5%, mức chênh lệch cao nhất ở năng lượng 238,63 keV với góc lệch 900 sai lệch 29,5%. Nhưng đối với các góc 150, 300, 450 thì có mức chênh lệch khơng q lớn, trung bình là 5,4%. Mức chênh lệch cao nhất ở năng lượng 238,63 keV góc 450 lệch 7,9%. Tức là một nguồn bị lệch từ vị trí 00 sang 450 thì khả năng ghi nhận của đầu dị là như nhau. Vì vậy trong khi đo đạc để tránh sai số, chúng tôi sử dụng bộ chuẩn trực 900 tức so với phương thẳng đứng mỗi bên lệch 450 so với đầu dò. Và bức xạ gamma tại mỗi vị trí từ khối đất đường kính 200 cm tương tác lên đầu dò là như nhau.
3.1.5 Hiệu chỉnh hiệu suất với phân bố phóng xạ theo độ sâu
Khi các đồng vị phóng xạ lắng đọng theo độ sâu của lớp đất và mật độ đất càng cao thì khả năng cản trở bức xạ gamma của các lớp đất bên dưới lên đầu dò càng lớn. Để đánh giá được mức độ suy giảm này, tác giả khảo sát ở 2 vị trí, tại mỗi vị trí khảo sát khối đất đường kính 6 cm dài 30 cm được tách thành 10 lớp với mỗi lớp 3 cm và thực hiện đo hoạt độ các đồng vị 232Th, 226Ra, 40K của từng lớp đất, kết quả cho trong bảng 3.5.
Bảng 3.5. Hoạt độ của các đồng vị theo từng lớp đất
Độ sâu so với mặt đất (cm) Vị trí 1 Vị trí 2 232Th 226Ra 40K 232Th 226Ra 40K (Bq/kg) (Bq/kg) (Bq/kg) (Bq/kg) (Bq/kg) (Bq/kg) 0-3 21,55±0,66 17,87±0,57 47,20±1,43 24,08±0,74 15,50±0,53 74,16±2,23 3-6 25,66±0,79 16,66±0,53 64,81±1,96 27,45±0,84 16,58±0,57 45,44±1,37 6-9 27,73±0,85 20,26±0,64 75,47±2,29 28,69±0,88 16,48±0,57 30,50±0,92 9-12 26,63±0,82 18,14±0,58 107,54±3,26 29,28±0,89 16,91±0,58 34,16±1,03 12-15 33,53±1,03 19,29±0,61 101,59±3,08 27,73±0,85 15,73±0,54 24,31±0,73 15-18 34,57±1,06 18,56±0,59 37,42±1,13 29,99±0,92 16,19±0,56 29,31±0,88 18-21 35,98±1,10 19,92±0,63 32,29±0,98 28,50±0,87 15,61±0,54 23,47±0,71 21-24 36,27±1,11 21,27±0,68 30,00±0,91 28,25±0,86 16,81±0,58 25,33±0,76 24-27 40,10±1,23 22,88±0,73 32,40±0,98 27,99±0,86 18,01±0,62 27,20±0,82 27-30 30,12±0,92 16,41±0,56 28,79±0,87
Từ bảng số liệu trên vẽ đồ thị phân bố hoạt độ của từng đồng vị 232Th, 226Ra, 40K theo độ sâu. Kết quả cho trong các hình 3.7, hình 3.8 và hình 3.9.
Phân bố của 232Th
Tại vị trí 1: hoạt độ cao nhất là 40,10 Bq/kg, thấp nhất là 21,55 Bq/kg, hoạt độ trung bình là 31,34 Bq/kg. Vị trí 2: hoạt độ cao nhất là 30,12 Bq/kg, thấp nhất là 24,08 Bq/kg, hoạt độ trung bình là 28,21 Bq/kg. Chênh lệch trung bình của vị trí 1 và vị trí 2 là 11%. Từ số liệu nhận thấy hoạt độ của 232Th thấp ở lớp đất bề mặt, khi càng xuống sâu hoạt độ của chúng có sự ổn định. Do rửa trôi của nước các thành phần khoáng sẽ lắng xuống bên dưới, làm hoạt độ của 232Th cao hơn so với bề mặt nhưng độ chênh lệch không lớn.
Phân bố của 226Ra
Tại vị trí 1: hoạt độ cao nhất là 22,88 Bq/kg, thấp nhất là 16,66 Bq/kg, hoạt độ trung bình là 19,43 Bq/kg. Vị trí 2: hoạt độ cao nhất là 18,01 Bq/kg, thấp nhất là 15,50 Bq/kg, hoạt độ trung bình là 16,42 Bq/kg. Chênh lệch trung bình của vị trí 1 và vị trí 2 là 18%. Từ số liệu ta thấy sự phân bố của 226Ra trong các mẫu thu thập được là tương đối đồng đều. Mặc dù vẫn thấy có sự lắng đọng của 226Ra nhưng không rõ ràng.
Từ kết quả khảo sát đồng vị 232Th và 226Ra cho thấy phân bố hoạt độ của chúng theo độ sâu tương đối đồng đều ít thay đổi. Vì vậy khi xác định chúng trên hệ gamma hiện trường chúng tơi sử dụng mơ hình khối đất đồng nhất.
Phân bố của 40K
Khác với 232Th và 226Ra, tại hai vị trí khảo sát 40K có quy luật phân bố và giá trị hoạt độ khác nhau. Mỗi vị trí có một đặc điểm riêng do 40K là nguyên tố chính mà thực vật hấp thụ, là khống chất có độ di chuyển cao, dễ bị nước rửa trơi. Tại vị trí 1, hoạt độ cao nhất là 107,54 Bq/kg, thấp nhất là 30,00 Bq/kg, hoạt độ trung bình là 58,75 Bq/kg. Ở các lớp đất bề mặt (0 đến 15 cm), lượng cỏ mọc trong lớp đất này rất nhiều, lớp cỏ hấp thụ một lượng Kali giúp lưu trữ một lượng lớn Kali trong đất. Nhưng lớp đất sâu hơn lượng Kali được giữ trong tầng này là ít hơn. Tại vị trí 2, hoạt độ cao nhất là 74,16 Bq/kg, thấp nhất là 23,47 Bq/kg, hoạt độ trung bình là 34,26 Bq/kg. Hoạt độ của 40K của các tầng đất có sự khác biệt lớn. Cao nhất ở bề mặt và giảm dần theo độ sâu. Từ độ sâu 20 cm trở đi ở cả hai vị trí hoạt độ 40K đều thấp vào khoảng