Tổng quan nghiên cứu

Phóng xạ tự nhiên là một trong những nguồn bức xạ chính mà con người tiếp xúc hàng ngày, chiếm khoảng 85% tổng liều bức xạ hiệu dụng trung bình hàng năm, trong đó khí Radon đóng góp 42% [42]. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên như 238U, 226Ra, 232Th, 40K có mặt phổ biến trong đất đá và ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sống cũng như sức khỏe con người. Nồng độ hoạt độ phóng xạ của các đồng vị này trong đất đá có sự biến thiên lớn tùy theo đặc điểm địa chất và vị trí địa lý, ví dụ nồng độ hoạt độ phóng xạ trung bình toàn cầu của 40K là khoảng 412 Bq/kg, 232Th là 45 Bq/kg và 238U là 33 Bq/kg [41]. Bên cạnh đó, đồng vị phóng xạ nhân tạo 137Cs cũng được quan tâm do tính chất phân rã và khả năng lan truyền trong môi trường.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao độ chính xác trong xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ này trong mẫu đất, đặc biệt ở các khu vực có phông phóng xạ cao, nơi thành phần nguyên tố đất đá biến đổi phức tạp do sự cộng sinh của các nguyên tố đất hiếm, Titan, Zirconi. Mục tiêu cụ thể của luận văn là phát triển kỹ thuật phân tích phổ gamma kết hợp với phương pháp đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi để xác định chính xác nồng độ hoạt độ phóng xạ của 238U, 226Ra, 232Th, 40K và 137Cs trong mẫu đất tại xã Thanh Sơn, huyện Kim Bảng, tỉnh Hà Nam. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2022-2023, với phạm vi lấy mẫu tại ba vị trí khác nhau trong xã Thanh Sơn, bao gồm khu công nghiệp Bút Sơn và các khu dân cư lân cận.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu chính xác về mức độ phóng xạ trong đất, từ đó đánh giá các chỉ số nguy hiểm phóng xạ như tương đương nồng độ hoạt độ Radium, suất liều hấp thụ trong không khí, nguy cơ mắc ung thư suốt đời, góp phần nâng cao công tác quản lý môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về phóng xạ tự nhiên và kỹ thuật phân tích phổ gamma. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Chuỗi phân rã phóng xạ: Bao gồm các chuỗi phân rã của đồng vị 238U, 232Th và 235U, trong đó các đồng vị con phát ra bức xạ gamma đặc trưng với năng lượng xác định, cho phép xác định hoạt độ của đồng vị mẹ thông qua phổ gamma. Chuỗi phân rã 238U kết thúc bằng 206Pb, 232Th kết thúc bằng 208Pb, và 235U kết thúc bằng 207Pb.

  2. Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi (Internal Efficiency Calibration Curve): Phát triển dựa trên phương pháp Multi-Group Analysis (MGA), kỹ thuật này sử dụng các bức xạ gamma có năng lượng gần nhau từ các đồng vị khác nhau trong cùng mẫu để xác định tỷ số hoạt độ phóng xạ mà không cần hiệu chỉnh sự thay đổi thành phần mẫu hay hiệu suất ghi tuyệt đối. Hàm chuẩn nội hiệu suất ghi f(E) chỉ phụ thuộc vào năng lượng gamma và được xây dựng từ các vạch gamma của đồng vị thứ hai trong mẫu.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Nồng độ hoạt độ phóng xạ (Activity Concentration): Đơn vị Bq/kg, biểu thị số phân rã trên giây trong một kilogram mẫu.
  • Hiệu suất ghi (Detection Efficiency): Tỷ lệ bức xạ gamma được detector ghi nhận.
  • Hệ số phân nhánh (Branching Ratio): Xác suất phát ra bức xạ gamma đặc trưng trong mỗi phân rã.
  • Tương đương nồng độ hoạt độ Radium (Raeq): Chỉ số đánh giá mức độ nguy hiểm phóng xạ tổng hợp từ 226Ra, 232Th và 40K.
  • Chỉ số nguy hiểm chiếu ngoài (Hex) và chiếu trong (Hin): Đánh giá mức độ an toàn phóng xạ từ đất đá.
  • Suất liều hấp thụ trong không khí (Dair) và Tương đương liều hiệu dụng hàng năm (AEDE): Các chỉ số đo lường liều bức xạ mà con người nhận được từ môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là 27 mẫu đất được thu thập tại xã Thanh Sơn, huyện Kim Bảng, tỉnh Hà Nam trong năm 2022-2023, tại ba vị trí: khu công nghiệp Bút Sơn, khu dân cư gần kho xăng dầu Lê Chân và khu dân cư thôn Yên Lão. Mẫu được lấy ở độ sâu 30 cm, xử lý sạch rễ cây, sỏi đá, sấy khô, nghiền nhỏ và rây để đảm bảo đồng nhất. Mỗi mẫu có khối lượng 180g, được lưu trữ từ 28-30 ngày để thiết lập cân bằng phóng xạ giữa 226Ra và các đồng vị con.

Thiết bị sử dụng là hệ phổ kế gamma bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (SEGe, model GC5019) với độ phân giải năng lượng 1,9 keV tại đỉnh 1332,5 keV của 60Co và hiệu suất ghi tương đối 50%. Phổ gamma được ghi nhận và phân tích bằng phần mềm Genie 2000, cho phép xây dựng đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi dựa trên các vạch gamma đặc trưng của đồng vị thứ hai trong mẫu.

Phương pháp phân tích dựa trên xác định tỷ số hoạt độ phóng xạ giữa các đồng vị 238U, 226Ra, 232Th, 40K và 137Cs thông qua các đỉnh gamma đặc trưng, kết hợp với đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi để nâng cao độ chính xác, giảm sai số do biến đổi thành phần mẫu và hiệu suất ghi. Độ không đảm bảo đo được tính toán theo công thức lan truyền sai số, bao gồm sai số từ tốc độ đếm, hiệu suất ghi và hệ số phân nhánh.

Timeline nghiên cứu bao gồm: thu thập và xử lý mẫu (2022-2023), đo phổ gamma và phân tích dữ liệu (2023), đánh giá kết quả và viết luận văn (cuối 2023).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đánh giá trạng thái cân bằng phóng xạ 238U và 226Ra trong mẫu chuẩn: Tỷ số hoạt độ 238U/226Ra trong mẫu chuẩn RGU-1 và các mẫu chuẩn thứ cấp dao động từ 1,00 ± 0,04 đến 1,05 ± 0,07, cho thấy các mẫu chuẩn cân bằng phóng xạ với độ không đảm bảo đo tối đa 7%, phù hợp với khuyến cáo IAEA.

  2. Nồng độ hoạt độ phóng xạ trong mẫu đất xã Thanh Sơn: Nồng độ hoạt độ phóng xạ của 226Ra, 232Th, 40K và 137Cs trong các mẫu đất dao động rộng, ví dụ 226Ra từ khoảng 20 đến 655 Bq/kg, 232Th từ 37 đến 886 Bq/kg, 40K từ 252 đến 3200 Bq/kg, và 137Cs có mặt với nồng độ thấp hơn nhưng có thể phát hiện được. Các giá trị này cao hơn đáng kể so với mức trung bình toàn cầu, phản ánh đặc điểm phông phóng xạ cao của khu vực.

  3. Hệ số nguy hiểm phóng xạ: Tương đương nồng độ hoạt độ Radium Raeq trong các mẫu dao động trong khoảng 370 Bq/kg, gần hoặc vượt ngưỡng an toàn khuyến nghị. Chỉ số nguy hiểm chiếu ngoài Hex và chiếu trong Hin đều được tính và có những mẫu vượt mức 1, cho thấy nguy cơ phóng xạ cần được kiểm soát.

  4. Nguy cơ mắc ung thư suốt đời (ELCR): Dựa trên liều hiệu dụng hàng năm AEDE, nguy cơ mắc ung thư suốt đời tại các khu vực khảo sát có xu hướng tăng theo nồng độ hoạt độ phóng xạ, đặc biệt ở các vị trí gần khu công nghiệp và mỏ khai thác, phản ánh tác động tiềm tàng đến sức khỏe cộng đồng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến thiên nồng độ hoạt độ phóng xạ là do đặc điểm địa chất phức tạp, sự cộng sinh của các nguyên tố đất hiếm, Titan, Zirconi trong khu vực, cũng như ảnh hưởng của các hoạt động công nghiệp và khai thác mỏ. Việc áp dụng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi đã giúp giảm thiểu sai số do biến đổi thành phần mẫu và hiệu suất ghi, nâng cao độ chính xác so với phương pháp hiệu suất ghi tuyệt đối truyền thống.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả phù hợp với xu hướng nồng độ phóng xạ cao tại các vùng có mỏ đất hiếm và quặng uranium, đồng thời cho thấy sự mất cân bằng phóng xạ giữa 238U và 226Ra trong một số mẫu, điều này phù hợp với các báo cáo trước đây về hiện tượng phong hóa và di chuyển đồng vị radium trong môi trường đất đá.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố nồng độ hoạt độ phóng xạ theo vị trí lấy mẫu, bảng tổng hợp các chỉ số nguy hiểm phóng xạ và biểu đồ so sánh tỷ số hoạt độ 238U/226Ra trong các mẫu chuẩn và mẫu thực địa, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và mức độ nguy hiểm phóng xạ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giám sát phóng xạ định kỳ tại các khu vực có phông phóng xạ cao, đặc biệt là xã Thanh Sơn, nhằm theo dõi biến động nồng độ hoạt độ phóng xạ và các chỉ số nguy hiểm, đảm bảo an toàn cho cộng đồng. Thời gian thực hiện: hàng năm; Chủ thể: cơ quan quản lý môi trường địa phương.

  2. Áp dụng kỹ thuật phân tích phổ gamma kết hợp đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi trong các phòng thí nghiệm môi trường để nâng cao độ chính xác phân tích phóng xạ trong mẫu đất, thực phẩm và nước, góp phần cải thiện chất lượng dữ liệu nghiên cứu và giám sát. Thời gian: ngay lập tức; Chủ thể: các viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm.

  3. Tuyên truyền, nâng cao nhận thức cộng đồng về tác động của phóng xạ tự nhiên và cách phòng tránh phơi nhiễm, đặc biệt tại các khu vực có phông phóng xạ cao. Thời gian: liên tục; Chủ thể: chính quyền địa phương, tổ chức y tế.

  4. Nghiên cứu mở rộng áp dụng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi cho các loại mẫu khác như lương thực, thực phẩm nhằm đánh giá an toàn phóng xạ trong chuỗi thực phẩm, bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng. Thời gian: 1-2 năm; Chủ thể: các viện nghiên cứu khoa học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý hạt nhân, Môi trường: Luận văn cung cấp phương pháp phân tích phổ gamma tiên tiến, dữ liệu thực nghiệm và đánh giá phóng xạ môi trường, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển kỹ thuật.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Thông tin về mức độ phóng xạ và các chỉ số nguy hiểm giúp xây dựng chính sách giám sát, quản lý và bảo vệ sức khỏe cộng đồng tại các vùng có phông phóng xạ cao.

  3. Phòng thí nghiệm phân tích phóng xạ: Áp dụng kỹ thuật chuẩn nội hiệu suất ghi để nâng cao độ chính xác trong phân tích mẫu đất, thực phẩm, nước, từ đó cải thiện chất lượng kết quả và hiệu quả công việc.

  4. Các doanh nghiệp khai thác khoáng sản và công nghiệp liên quan: Hiểu rõ mức độ phóng xạ trong khu vực hoạt động giúp đánh giá rủi ro, tuân thủ quy định an toàn phóng xạ và bảo vệ người lao động cũng như môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi là gì và ưu điểm của nó?
    Phương pháp này sử dụng các bức xạ gamma có năng lượng gần nhau từ các đồng vị trong cùng mẫu để xác định tỷ số hoạt độ phóng xạ mà không cần hiệu chỉnh sự thay đổi thành phần mẫu hay hiệu suất ghi tuyệt đối. Ưu điểm là không phá hủy mẫu, không cần mẫu chuẩn, áp dụng cho mẫu có thành phần phức tạp và hình dạng bất kỳ.

  2. Tại sao cần đánh giá cân bằng phóng xạ giữa 238U và 226Ra?
    Cân bằng phóng xạ giữa 238U và 226Ra giúp xác định chính xác hoạt độ của các đồng vị trong chuỗi phân rã. Mất cân bằng có thể gây sai số lớn trong xác định hoạt độ nếu chỉ dựa vào các đồng vị con, do đó cần đánh giá để lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp.

  3. Nồng độ hoạt độ phóng xạ trong mẫu đất xã Thanh Sơn có vượt ngưỡng an toàn không?
    Một số mẫu có nồng độ hoạt độ phóng xạ và các chỉ số nguy hiểm như Raeq, Hex vượt ngưỡng khuyến nghị 370 Bq/kg và 1 tương ứng, cho thấy cần có biện pháp giám sát và quản lý để đảm bảo an toàn cho người dân.

  4. Phổ gamma được đo như thế nào và phần mềm nào được sử dụng?
    Phổ gamma được đo bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn SEGe (model GC5019) với độ phân giải cao. Phần mềm Genie 2000 được sử dụng để ghi nhận, phân tích phổ, xây dựng đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi và xác định hoạt độ phóng xạ.

  5. Nguy cơ mắc ung thư suốt đời được tính toán dựa trên cơ sở nào?
    Nguy cơ này được tính dựa trên liều hiệu dụng hàng năm AEDE, hệ số rủi ro tử vong do bức xạ ion hóa là 0,057 Sv⁻¹ và tuổi thọ trung bình tại tỉnh Hà Nam là 74,69 năm. Công thức tính giúp đánh giá tác động lâu dài của phóng xạ đến sức khỏe con người.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển thành công kỹ thuật phân tích phổ gamma kết hợp phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi, nâng cao độ chính xác xác định hoạt độ phóng xạ của 238U, 226Ra, 232Th, 40K và 137Cs trong mẫu đất có phông phóng xạ cao.
  • Kết quả phân tích cho thấy nồng độ hoạt độ phóng xạ tại xã Thanh Sơn vượt mức trung bình toàn cầu, với một số chỉ số nguy hiểm phóng xạ vượt ngưỡng an toàn.
  • Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi giúp khắc phục sai số do biến đổi thành phần mẫu và hiệu suất ghi, phù hợp với các mẫu có thành phần phức tạp.
  • Nghiên cứu cung cấp dữ liệu quan trọng cho công tác giám sát phóng xạ môi trường và đánh giá nguy cơ sức khỏe cộng đồng tại các vùng có phông phóng xạ cao.
  • Đề xuất triển khai giám sát định kỳ, nâng cao nhận thức cộng đồng và mở rộng ứng dụng kỹ thuật phân tích cho các mẫu môi trường khác trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo là áp dụng kỹ thuật này trong các nghiên cứu mở rộng và phối hợp với các cơ quan quản lý để xây dựng chính sách bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng hiệu quả hơn.