Chương 1 TỔNG QUAN Trong chương này, chúng tôi trình bày nguồn gốc phóng xạ môi trường, các chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên, đại lượng vật lý mô tả liều lượng bức xạ và cách xác định suất liều chiếu của không khí bằng đầu dò nhấp nháy qua hệ số chuyển đổi suất liều chiếu G E và hệ số chuyển đổi suất liều chiếu riêng phần DP E . Phóng xạ môi trường tự nhiên 1. Nguồn gốc phóng xạ môi trường tự nhiên Phóng xạ môi trường luôn tồn tại xung quanh chúng ta, kể từ khi Trái Đất được hình thành và phát triển sự sống. Mọi cá thể sống trên Trái Đất đều tiếp xúc với các nguồn phóng xạ.
Phóng xạ môi trường có nguồn gốc từ các nguồn phóng xạ tự nhiên và từ nguồn phóng xạ nhân tạo. Nguồn phóng xạ nhân tạo từ trong các lò phản ứng hạt nhân, các vụ thử hạt nhân, nhà máy công nghiệp chiếu xạ, y tế (xạ trị, chẩn đoán). Nguồn phóng xạ tự nhiên là các chất đồng vị phóng xạ có trong đất, nước, không khí, và từ bức xạ vũ trụ, chúng hình thành nên nền phông phóng xạ tự nhiên. Phóng xạ tự nhiên là nhân tố đóng góp chủ yếu trong phóng xạ môi trường.
Phông phóng xạ tự nhiên phụ thuộc vào hàm lượng chất phóng xạ tự nhiên chứa trong đất, nước, khí của từng vùng và lượng bức xạ vũ trụ tại vùng đó, vì vậy sẽ có vùng có phông phóng xạ tự nhiên cao hoặc thấp khác nhau. Bức xạ vũ trụ đến Trái Đất từ không gian bên ngoài gọi là bức xạ vũ trụ sơ cấp, bức xạ vũ trụ sơ cấp đẳng hướng trong không gian và không đổi theo thời gian. Chúng thường được xem như là các hạt tích điện bao gồm khoảng 86% proton, 12% alpha, 1% electron và các hạt nhân nặng khác chiếm 1% [16], với phổ năng lượng trải dài từ 109 eV (tương đương năng lượng của proton chuyển động đạt 43% vận tốc ánh sáng) đến 1020 eV. Vì đa số bức xạ vũ trụ sơ cấp là những hạt tích điện nên quỹ đạo chúng rất phức tạp do ảnh hưởng của từ trường Trái Đất.
Khi các bức xạ sơ cấp đến bầu khí quyển của Trái Đất, chúng tương tác với các nguyên tử và phân tử mà chủ yếu là Oxy và Nitơ hình thành các bức xạ thứ cấp Luan van 5 và tiếp tục hướng đến bề mặt Trái Đất. Hiện tượng này gọi là mưa rào khí quyển. Bức xạ thứ cấp bao gồm neutron, electron, muon, proton và các đồng vị phóng xạ H-3, Be-7, Be-10, C-14, Na-22 có mặt trong không khí. Độ cao càng cao thì bức xạ vũ trụ càng lớn.
Phóng xạ tự nhiên có trong đất do sự tồn tại từ các chuỗi phóng xạ Actini (U- 235), Urani (U-238), Thori (Th-232), Neptuni (Np-237) và đồng vị phóng xạ tự nhiên K-40 không thuộc trong bốn chuỗi này. Hoạt độ của các đồng vị phóng xạ này trong đất đá có thể thay đổi khác nhau, mức phóng xạ trong đất phụ thuộc vào loại đất, sự tạo thành khoáng sản và mật độ khoáng sản. Mức chiếu xạ này có liều trung bình trong một năm khoảng 0,45mSv [17].1 tóm lược về các bức xạ trong môi trường đất và không khí gây ảnh hưởng đến con người. Bức xạ trong môi trường đất và không khí [18] Nước biển trong các đại dương có chứa Kali, Rubidi, Urani, Thori và Radi do tách ra từ đất, đá rồi trôi theo dòng nước, hàm lượng của chúng trong nước nhỏ hơn Luan van 6 trong đất từ 10 đến 100 lần.
Chất phóng xạ trong nước chủ yếu là do K-40 vì nồng độ của nó cao hơn nhiều so với các đồng vị khác, chúng gây chiếu xạ lên cơ thể với suất liều trung bình trong một năm đạt 0,25mSv [17]. Trong vật liệu xây dựng cũng chứa các đồng vị phóng xạ, thông thường phần lớn là các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Thành phần phổ biến trong bê tông là K-40 và các sản phẩm của chuỗi phân rã Urani, Thori. Một số vật liệu xây dựng: xi măng, bê tông, đá hoa cương, đá cẩm thạch đều có chứa một lượng Radon nhất định.
Các vật liệu được gia công từ phế liệu công nghiệp như xỉ lò cao, bột tro từ nhà máy nhiệt điện đều có chứa Radi, sau khi Radi phân rã sẽ sinh ra khí Radon. Chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên Actini, Urani, Thori Khoảng 76 đồng vị phóng xạ tự nhiên khác nhau được biết đến ngày nay, phần lớn nằm trong bốn chuỗi phân rã tự nhiên [19], đó là chuỗi Thori (đồng vị đặc trưng là Th-232 với chu kỳ bán rã 1, 405 1010 năm), chuỗi Urani (đồng vị đặc trưng là U- 238 với chu kỳ bán rã 4, 468 109 năm), chuỗi Actini (đồng vị đặc trưng là U-235 với chu kỳ bán rã 7,038 108 năm), chuỗi Neptuni (đồng vị đặc trưng là Np-237 với chu kỳ bán rã 2,140 106 năm). Chuỗi Neptuni có thời gian sống ngắn hơn rất nhiều so với tuổi của Trái Đất, nên đến nay chuỗi Neptuni không còn tồn tại nữa. Trong quá trình phân rã phóng xạ, các đồng vị phóng xạ đặc trưng nói trên phát ra (một hoặc đồng thời) ba loại phóng xạ: alpha, beta và gamma, tạo ra các đồng vị phóng xạ con cháu.
Một số sản phẩm phân rã trung gian trong chuỗi là nguồn phát gamma. Các thành phần chính thể hiện trạng thái cân bằng cường độ bức xạ của gamma cho mỗi phân rã của hạt nhân mẹ [20]. Trong đất và thực vật, một số đồng vị phóng xạ khác có mặt với chu kỳ bán rã rất dài và không có trong bốn chuỗi phân rã tự nhiên. Đồng vị quan trọng nhất là đồng vị phóng xạ K-40 (chu kỳ bán rã 1, 25 109 năm) trong đất và cây cối với tỷ lệ K-40 0,012% là hằng số.
Sự phân bố của đồng vị này khá đồng nhất. Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Actini (U-235) Trải qua nhiều lần phân rã, đồng vị U-235 cuối cùng thành đồng vị chì bền vững Pb-207 (có độ phổ cập là 22,1% ).2 trình bày về sơ đồ phân rã của chuỗi Actini. Trong chuỗi Actini có quá trình phân rã tạo ra khí trơ Rn-219 có chu kỳ bán rã 3,96 giây quá ngắn để vào trong khí quyển. Đây là lý do không khảo sát đồng vị này trong môi trường không khí xung quanh.1 trình bày chi tiết về chu kỳ bán ra từng đồng vị và các sản phẩm phân rã của chúng có trong chuỗi Actini.
Sơ đồ chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Actini [21] Luan van 8 Bảng 1. Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Actini [22] Đồng vị Năng lượng Phân rã Chu kỳ bán rã Sản phẩm phóng xạ (MeV) U-235 α 7,04×108 năm 4,678 Th-231 Th-231 β 25,52 giờ 0,391 Pa-231 Pa-231 α 32673 năm 5,150 Ac-227 β 98,62% 0,045 Th-227 Ac-227 21772 năm α 1,38% 5,042 Fr-223 Th-227 α 18,72 ngày 6,146 Ra-223 β 99,98% 1,149 Ra-223 Fr-223 22,0 phút α 0,02% 5,562 At-219 Ra-223 α 11,43 ngày 5,979 Rn-219 β 97% 1,566 Rn-219 At-219 56 s α 3% 6,324 Bi-215 Rn-219 α 3,98 giây 6,946 Po-215 Bi-215 β 7,62 phút 2,189 Po-215 α 99,99977% 7,526 Pb-211 Po-215 1,78×10-3 giây β 0,00023% 0,721 At-215 Pb-211 β 36,1 phút 1,367 Bi-211 At-215 α 10-4 giây 8,178 Bi-211 α 99,72% 0,574 Po-211 Bi-211 2,15 phút β 0,28% 6,750 Tl-207 Po-211 α 0,52 giây 7,594 Pb-207 Tl-207 β 4,77 phút 1,418 Pb-207 Pb-207 bền b. Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Urani (U-238) Đồng vị phóng xạ U-238 được tìm thấy trong hầu hết các loại đá, đất và vật liệu xây dựng, trải qua 14 lần dịch chuyển, thành đồng vị chì bền vững Pb-206 (có độ phổ cập là 24,1% ).3 là sơ đồ phân rã của chuỗi Urani. Đồng vị phóng xạ U-235 Urani thiên nhiên gồm 0,714% U-235 và 99,3% U-238, tức tỉ lệ 0,72%, U-238 vì thế đa số các đồng vị phóng xạ được phát hiện đều bắt nguồn từ chuỗi Urani (U- Luan van 9 238).2 trình bày chi tiết về chu kỳ bán ra từng đồng vị và các sản phẩm phân rã của chúng có trong chuỗi Urani.
Chuỗi phóng xạ Urani đáng chú ý nhất là đồng vị Ra-226 và khí Rn-222. Nguyên tố Ra-226 trong môi trường không tồn tại dưới dạng khoáng chất riêng lẻ mà tồn tại ở dạng muối clorua, bromua, nitrat dễ hoà tan trong nước hoặc một số muối ít tan kết hợp với các khoáng chất khác như canxi cacbonat, oxit sắt ngậm nước. Đồng vị Ra-226 phát ra nhiều bức xạ gamma, chiếm 85,5% bức xạ gamma của cả dãy. Đối với khí Rn-222, khi U-238 phân rã trong đất thì khí Rn-222 được sinh ra ngưng đọng thành chất lỏng dưới mặt đất, khi chất lỏng ở dưới mặt đất bốc hơi vào khí quyển, Rn-222 sẽ khuếch tán vào bầu khí quyển, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người.
Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Urani [21] Luan van 10 Bảng 1. Một số thông tin của chuỗi phân rã phóng xạ Urani [22] Đồng vị Năng lượng Phân rã Chu kỳ bán rã Sản phẩm phóng xạ (MeV) U-238 α 4,47×109 năm 4,270 Th-234 Th-234 β 24,10 ngày 0,272 Pa-234 Pa-234 β 6,70 giờ 2,195 U-234 U-234 α 245500 năm 4,858 Th-230 Th-230 β 75380 năm 4,770 Ra-226 Ra-226 α 1601 năm 4,871 Rn-222 Rn-222 α 3,82 ngày 5,590 Po-218 α 99,98% 6,615 Pb-214 Po-218 3,07 phút β 0,02% 0,260 At-218 Pb-214 β 26,92 phút 1,019 Bi-214 α 99,90% 6,874 Bi-214 At-218 1,42 giây β 0,10% 2,881 Rn-218 Rn-218 α 36×10 giây -3 7,263 Po-214 β 99,979% 3,270 Po-214 Bi-214 19,8 phút α 0,021% 5,621 Tl-210 Po-214 α 16,23×10-5 giây 7,833 Pb-210 Tl-210 β 1,30 phút 5,482 Pb-210 Pb-210 β 22,23 năm 0,063 Bi-210 Bi-210 β 99,99986% 5,011 ngày 1,162 Po-210 α 0,00014% 5,037 Tl-206 Po-210 α 138,376 ngày 5,407 Pb-206 Tl-206 β 4,20 phút 1,532 Pb-206 Pb-206 bền c. Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Thori (Th-232) Xuất phát từ hạt nhân Th-232 (có độ phổ cập là 100%) trong tự nhiên, trải qua 10 lần dịch chuyển, trở thành đồng vị chì bền vững Pb-208 (có độ phổ cập là 52,4%).4 là sơ đồ chuỗi phân rã của Th-232. Thori phân tán rộng trên vỏ Trái Đất, hàm lượng trung bình của Thori của lớp trên cùng của vỏ Trái Đất khoảng 1,2 105%.
Hàm lượng Thori có xu hướng tăng dần trong các lớp bề mặt. Đó là do các khoáng chất chứa Thori có độ hoà tan cực kỳ thấp. Do đó, kết quả theo sau các Luan van 11 quá trình phong hoá là các thành phần khác nhau của đất bị phân huỷ ở mức độ rất lớn trong khi các khoáng chất Thori phân huỷ ở mức độ thấp hơn, vì vậy Thori ở các lớp bề mặt được làm giàu.