Tổng quan luận án
Vấn đề khảo sát phóng xạ môi trường và an toàn bức xạ trong vật liệu xây dựng (VLXD) giữ vai trò thiết yếu đối với sức khỏe cộng đồng. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên nguyên thủy như $^{238}\text{U}$, $^{235}\text{U}$, $^{232}\text{Th}$ cùng các sản phẩm phân rã của chúng và $^{40}\text{K}$ luôn hiện diện trong vỏ Trái Đất cũng như trong các nguyên liệu khoáng thô (đất, đá, cát) dùng để sản xuất VLXD. Tại Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào (CHDCND Lào), người dân dành phần lớn thời gian sinh hoạt trong các công trình nhà ở và tòa nhà công cộng (chiếm tới 80% thời gian của một ngày đêm 24 giờ). Phóng xạ phát ra từ các bức tường VLXD có thể gây chiếu xạ ngoài và chiếu xạ trong (qua đường hô hấp khí radon và bụi mịn), đồng thời hiện tượng tán xạ nhiều lần của bức xạ gamma trong không gian khép kín làm tăng mức độ phơi nhiễm bức xạ của cư dân.
Mặc dù việc kiểm tra, đánh giá mức độ phóng xạ trong VLXD đã được thực hiện bắt buộc và thiết lập thành tiêu chuẩn tại nhiều quốc gia, tại CHDCND Lào, do điều kiện khoa học kỹ thuật và sự thiếu hụt nhân lực chuyên môn, lĩnh vực này chưa từng được triển khai. Sau khi CHDCND Lào trở thành thành viên chính thức của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), IAEA đã khuyến cáo chính phủ Lào cần thực hiện các nghiên cứu này. Nhằm giải quyết khoảng trống thực tiễn và xây dựng đội ngũ cán bộ, nghiên cứu sinh đã được cử sang học tập và thực hiện đề tài tại Trung tâm Vật lý hạt nhân thuộc Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Mục tiêu chính của luận án được xác định gồm 2 nội dung:
- Nghiên cứu phương pháp sử dụng hệ phổ kế gamma dùng các loại detector khác nhau bao gồm detector nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ và detector bán dẫn siêu tinh khiết loại $\text{HPGe}$ để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên có trong các VLXD.
- Sử dụng các phương pháp đã nghiên cứu để xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các đồng vị phóng xạ tự nhiên có trong một số VLXD điển hình thường được sử dụng tại CHDCND Lào như: xi măng, đất, cát, gạch.
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hoạt độ phóng xạ riêng của các hạt nhân phóng xạ tự nhiên thuộc ba chuỗi phóng xạ ($^{238}\text{U}$, $^{235}\text{U}$, $^{232}\text{Th}$) và đồng vị $^{40}\text{K}$ trong các mẫu VLXD phổ biến (xi măng, đất, cát, gạch). Phạm vi không gian của nghiên cứu bao gồm việc khảo sát, thu thập mẫu thực tế tại 4 nhà máy sản xuất xi măng lớn tại các tỉnh Viêng Chăn, Thủ đô Viêng Chăn, Khammouane, Salavan (CHDCND Lào) và phân tích thực nghiệm trên các hệ phổ kế hạt nhân tại Viện Vật lý (Hà Nội, Việt Nam). Phạm vi thời gian và bối cảnh gắn liền với giai đoạn phát triển kinh tế - xã hội 2013–2014 của CHDCND Lào.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã tổng quan tình hình nghiên cứu về phóng xạ tự nhiên trong VLXD trên thế giới và tại Việt Nam. Các nghiên cứu quốc tế đã thiết lập cơ sở dữ liệu về hoạt độ phóng xạ riêng của $^{226}\text{Ra}$, $^{232}\text{Th}$ và $^{40}\text{K}$ trong xi măng Portland và các loại VLXD thông dụng khác.
| Quốc gia |
Hoạt độ $^{226}\text{Ra}$ ($\text{Bq}\cdot\text{kg}^{-1}$) |
Hoạt độ $^{232}\text{Th}$ ($\text{Bq}\cdot\text{kg}^{-1}$) |
Hoạt độ $^{40}\text{K}$ ($\text{Bq}\cdot\text{kg}^{-1}$) |
Nguồn trích dẫn |
| Hy Lạp |
92 |
31 |
310 |
[12] |
| Áo |
26,7 |
14,2 |
210 |
[13] |
| Bangladesh |
60,5 |
64,7 |
952,2 |
[14] |
| Trung Quốc |
56,50 |
36,50 |
173,2 |
[15] |
| Ai Cập |
134 |
88 |
416 |
[16] |
| Pakistan |
31,3 |
26,8 |
51,3 |
[17] |
| Thổ Nhĩ Kỳ |
40,5 |
26,1 |
267,1 |
[18] |
| Ghana |
61,63 |
25,96 |
451,30 |
[19] |
| Ấn Độ |
37,0 |
24,1 |
432,2 |
[20] |
| Malaysia |
34,7 |
32,9 |
190,6 |
[21] |
| Brazil |
61,7 |
58,5 |
564,0 |
[22] |
Đối với các VLXD khác như gạch, đất và cát, mức độ phóng xạ và chỉ số tương đương Radium ($\text{Ra}_{\text{eq}}$) cũng được ghi nhận chi tiết tại các quốc gia như Úc [24], Trung Quốc [15, 25, 26], Ai Cập [27, 28, 29], Brazil [30, 31], Ấn Độ [32] và giá trị trung bình thế giới [33] (mức trung bình thế giới đối với gạch, đất, cát là $35\text{ Bq}\cdot\text{kg}^{-1}$ cho $^{226}\text{Ra}$, $30\text{ Bq}\cdot\text{kg}^{-1}$ cho $^{232}\text{Th}$ và $400\text{ Bq}\cdot\text{kg}^{-1}$ cho $^{40}\text{K}$).
Tại Việt Nam, năm 1999, Viện Khoa học Kỹ thuật hạt nhân đã tiến hành khảo sát hoạt độ phóng xạ tự nhiên của một số loại VLXD trên địa bàn Hà Nội [34]:
| Loại mẫu |
$^{232}\text{Th}$ ($\text{Bq}\cdot\text{kg}^{-1}$) |
$^{226}\text{Ra}$ ($\text{Bq}\cdot\text{kg}^{-1}$) |
$^{40}\text{K}$ ($\text{Bq}\cdot\text{kg}^{-1}$) |
| Cát đen |
$36,2 \pm 1,6$ |
$25,5 \pm 0,9$ |
$651 \pm 21$ |
| Cát vàng bãi Bùng Hà Bắc |
$20 \pm 2,4$ |
$12,4 \pm 2,5$ |
$357 \pm 2$ |
| Xi măng Hải Phòng |
$32,3 \pm 2,8$ |
$28,6 \pm 2,5$ |
$73 \pm 9$ |
| Xi măng Hoàng Thạch |
$27,8 \pm 2,8$ |
$69,6 \pm 3,7$ |
$205 \pm 2$ |
| Sỏi |
$23 \pm 4$ |
$23,5 \pm 5$ |
$389 \pm 8$ |
| Đá |
$19 \pm 4$ |
$25,5 \pm 5$ |
$46 \pm 21$ |
| Gạch xây |
$85 \pm 4$ |
$84,0 \pm 15$ |
$665 \pm 0$ |
| Gạch lát |
$34 \pm 4$ |
$39 \pm 8$ |
$385 \pm 5$ |
| Vữa trát tường |
$37 \pm 4$ |
$44 \pm 4$ |
$525 \pm 5$ |
| Bột đá |
$6,8 \pm 2,4$ |
$12,4 \pm 2,5$ |
$< 10$ |
| Tro xỉ hồ chứa |
$100 \pm 5$ |
$122 \pm 9$ |
$626 \pm 3$ |
| Tro bay |
$126 \pm 1$ |
$164 \pm 13$ |
$788 \pm 7$ |
Khoảng trống nghiên cứu được luận án tập trung giải quyết là: Trước thời điểm thực hiện đề tài, tại CHDCND Lào hoàn toàn chưa có số liệu thực nghiệm nào về hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong các VLXD sản xuất trong nước, thiếu quy trình phân tích phổ gamma cho các mẫu thể tích lớn và chưa có tiêu chuẩn an toàn bức xạ quốc gia cho VLXD.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết vật lý hạt nhân và tương tác bức xạ
Luận án dựa trên lý thuyết phân rã của ba họ phóng xạ tự nhiên:
- Chuỗi $^{238}\text{U}$: Gồm 14 đồng vị phóng xạ phân rã $\alpha$ và $\beta^-$ liên tiếp kết thúc ở $^{206}\text{Pb}$ bền. Hoạt độ cân bằng phóng xạ xác định qua 6 đồng vị con phát gamma thuận lợi ($^{234}\text{Th}$, $^{234\text{m}}\text{Pa}$, $^{226}\text{Ra}$, $^{214}\text{Pb}$, $^{214}\text{Bi}$, $^{210}\text{Pb}$). Sự thất thoát khí $^{222}\text{Rn}$ (chu kỳ bán rã 3,8232 ngày) được khắc phục bằng cách lưu mẫu kín trong khoảng 1 tháng ($\approx 10$ lần chu kỳ bán rã của $^{222}\text{Rn}$) để tái lập cân bằng thế kỷ trước khi đo.
- Chuỗi $^{235}\text{U}$: Chiếm 0,72% uran tự nhiên, gồm 12 đồng vị qua 11 tầng phân rã về $^{207}\text{Pb}$ bền; đỉnh gamma chính của $^{235}\text{U}$ ở năng lượng $185,72\text{ keV}$ (nằm sát đỉnh $186,2\text{ keV}$ của $^{226}\text{Ra}$).
- Chuỗi $^{232}\text{Th}$: Chiếm 100% thori tự nhiên, gồm 10 tầng phân rã về $^{208}\text{Pb}$ bền. Các đỉnh gamma đo được gồm $^{228}\text{Ac}$, $^{212}\text{Pb}$, $^{212}\text{Bi}$, $^{208}\text{Tl}$. Nhánh phân rã của $^{212}\text{Bi}$ sang $^{208}\text{Tl}$ có xác suất rẽ nhánh $35,94%$ (hệ số 0,3594).
Cơ chế tương tác của bức xạ gamma trong dải năng lượng $10\text{ keV} - 3\text{ MeV}$ bao gồm:
- Hiệu ứng quang điện: Chiếm ưu thế ở năng lượng thấp, tiết diện tỉ lệ $\sigma_{\text{photo}} \propto Z^{4\div 5}/E^{1\div 3}$; kèm phát xạ tia X đặc trưng (như tia X của vỏ chắn chì chì $\text{Pb}$ đỉnh $\text{K}_\alpha$ tại $74,97\text{ keV}$) hoặc electron Auger.
- Tán xạ Compton: Tương tác với electron liên kết yếu, biến thiên bước sóng $\Delta\lambda = \lambda' - \lambda = \lambda_0(1-\cos\theta)$ với $\lambda_0 = 2,42621\times 10^{-12}\text{ m}$; năng lượng electron giật lùi tạo nên phân bố nền liên tục và gờ Compton, kèm đỉnh tán xạ ngược ở góc $\theta = 180^\circ$.
- Hiệu ứng tạo cặp electron-positron: Xuất hiện khi $E_\gamma \ge 2m_0c^2 = 1,022\text{ MeV}$, tiết diện tỉ lệ $\sigma_{\text{pair}} \propto Z^2$; kèm quá trình hủy positron phát 2 photon $0,511\text{ MeV}$, hình thành đỉnh thoát đơn ($E_\gamma - 0,511\text{ MeV}$) và đỉnh thoát kép ($E_\gamma - 1,022\text{ MeV}$).
Định luật suy giảm bức xạ gamma qua vật chất tuân theo quy luật:
$$I(x) = I_0 e^{-\mu x} = I_0 e^{-\mu_m \rho x}$$
với $\mu$ là hệ số suy giảm tuyến tính ($\text{cm}^{-1}$), $\mu_m = \mu/\rho$ là hệ số suy giảm khối ($\text{cm}^2/\text{g}$), $\lambda = 1/\mu$ là quãng chạy tự do trung bình.
Về mặt sinh học phóng xạ, tác dụng trực tiếp (bắn phá phân tử DNA) và gián tiếp (phân ly nước tạo gốc tự do $\text{H}^+$, $\text{OH}^\bullet$ và $\text{H}_2\text{O}_2$) dẫn đến các tổn thương ở mức tế bào (chết tế bào, biến đổi di truyền, phân chia dị thường) và mức cơ thể (đục thủy tinh thể, giảm bạch cầu, sốt ban đỏ, nôn mửa, ung thư).
Phương pháp thực nghiệm và thiết bị phân tích
- Hệ phổ kế gamma bán dẫn siêu tinh khiết $\text{HPGe}$ (hãng ORTEC, Mỹ): Cấu hình hình trụ đồng trục, đặt trong buồng chì che chắn phông môi trường, làm việc ở nhiệt độ nitơ lỏng $77\text{ K}$ ($-196^\circ\text{C}$) nhằm hạn chế dòng dò nhiệt do vùng cấm hẹp ($0,67\text{ eV}$ ở $300\text{ K}$). Độ phân giải năng lượng (FWHM) đạt $0,08% - 0,1%$.
- Hệ phổ kế gamma nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$: Kích thước tinh thể $3'' \times 3''$ bọc vỏ nhôm gắn ống nhân quang điện (PMT) gồm photocathode, chuỗi dynode phân cực gia tốc $50-100\text{ V}$ và anode tạo xung dòng microampe kéo dài $1\ \mu\text{s}$.
- Khối điện tử chuẩn NIM: Gồm nguồn nuôi cao áp, khối tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, bộ biến đổi tương tự - số (ADC), máy phân tích biên độ đa kênh (MCA), bộ loại trừ chồng chập xung (pile-up rejector) và máy phát xung chuẩn.
- Phần mềm điều khiển và xử lý phổ: MAESTRO-32, Gamma Vision, KSpect.
- Nguồn phóng xạ chuẩn: Sử dụng các nguồn đơn năng $^{137}\text{Cs}$ ($661,6\text{ keV}$), $^{60}\text{Co}$ ($1173,2\text{ keV}$ và $1332,5\text{ keV}$) và nguồn đa đỉnh $^{152}\text{Eu}$ để chuẩn năng lượng và xây dựng đường chuẩn hiệu suất ghi.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về các đồng vị phóng xạ có trong vật liệu xây dựng
Chương 1 hệ thống hóa nguồn gốc của các đồng vị phóng xạ trong môi trường tự nhiên và VLXD. Tác giả phân tích chi tiết sơ đồ phân rã của các chuỗi phóng xạ nguyên thủy $^{238}\text{U}$, $^{235}\text{U}$, $^{232}\text{Th}$ cùng đồng vị $^{40}\text{K}$, điều kiện xác lập cân bằng phóng xạ thế kỷ và hiện tượng thất thoát khí phóng xạ radon ($^{222}\text{Rn}$, $^{220}\text{Rn}$, $^{219}\text{Rn}$). Chương này làm rõ cơ chế tác động sinh học của bức xạ ion hóa lên cơ thể người ở các cấp độ phân tử (phân tử bia DNA, quá trình tạo gốc tự do và hợp chất oxy hóa mạnh $\text{H}_2\text{O}_2$), tế bào và cơ quan chức năng, phân loại mức độ nhạy cảm phóng xạ của các mô (mô tạo máu trong tủy xương, mô sinh dục, niêm mạc, da, thủy tinh thể).
Chương 1 cũng tổng hợp các số liệu công bố quốc tế về hoạt độ phóng xạ riêng của $^{226}\text{Ra}$, $^{232}\text{Th}$, $^{40}\text{K}$ trong xi măng và các VLXD tại nhiều nước (Bảng 1.1, 1.2), dẫn chứng số liệu khảo sát tại Hà Nội năm 1999 (Bảng 1.3), đồng thời nêu bật thực trạng phát triển kinh tế của CHDCND Lào (tăng trưởng GDP bình quân 7,6%, thu nhập đầu người gần 1.700 USD giai đoạn 2013–2014) kéo theo sự gia tăng nhu cầu xây dựng dân dụng nhưng hoàn toàn vắng bóng các nghiên cứu và kiểm soát bức xạ trong VLXD.
Chương 2: Phổ kế gamma sử dụng các detector bán dẫn HPGe và nhấp nháy NaI(Tl)
Chương 2 trình bày cơ sở vật lý của phương pháp phổ kế hạt nhân. Nội dung chương bao gồm:
- Các phương trình tương đối tính của lượng tử gamma: liên hệ động năng $E = h\nu$, xung lượng $p = h\nu/c$ và hệ thức năng lượng toàn phần $E^2 = (m_0c^2)^2 + p^2c^2$.
- Cơ chế và công thức tính toán tiết diện của 3 hiệu ứng tương tác chính giữa photon gamma và vật chất (quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp) cùng quy luật suy giảm cường độ chùm tia qua lớp vật liệu che chắn.
- Lý thuyết vùng năng lượng chất rắn giải thích nguyên lý hoạt động của detector bán dẫn; cơ chế tạo lớp chuyển tiếp p-n phân cực ngược để hình thành miền nghèo nhạy bức xạ có bề dày $d = \left(\frac{2\varepsilon V}{eN}\right)^{1/2}$; yêu cầu làm lạnh detector $\text{HPGe}$ bằng nitơ lỏng ($77\text{ K}$) để triệt tiêu dòng dò; phân tích các cấu hình detector $\text{HPGe}$ đồng trục (rỗng một đầu và rỗng hai đầu).
- Cấu tạo và cơ chế nhấp nháy của detector $\text{NaI(Tl)}$ pha tạp Thallium gắn ống nhân quang điện (PMT).
- Cấu trúc phổ gamma thực nghiệm đo được trên detector bán dẫn và nhấp nháy: quang đỉnh hấp thụ toàn phần, phổ liên tục Compton, gờ Compton, đỉnh tán xạ ngược $180^\circ$, đỉnh tia X đặc trưng thoát khỏi vỏ chì, đỉnh hủy positron $0,511\text{ MeV}$, đỉnh thoát đơn và thoát kép. So sánh phổ của các nguồn chuẩn $^{137}\text{Cs}$, $^{60}\text{Co}$ và $^{152}\text{Eu}$ ghi nhận trên hai loại detector.
- Sơ đồ cấu trúc khối điện tử tiêu chuẩn NIM ghép nối máy tính qua card chuyên dụng và phần mềm phân tích (MAESTRO-32, Gamma Vision, KSpect).
Chương 3: Phương pháp thực nghiệm
Chương 3 trình bày quy trình thu thập mẫu, chuẩn bị mẫu và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm đối với 4 nhóm VLXD phổ biến tại CHDCND Lào: xi măng, cát, gạch và đất.
Đối với nhóm mẫu xi măng, tác giả đã tiến hành thu thập 37 mẫu từ sản phẩm đầu ra của 4 nhà máy sản xuất xi măng lớn nhất tại CHDCND Lào, bao gồm cả hai chủng loại: xi măng Portland và xi măng hỗn hợp. Mỗi mẫu có khối lượng từ 3 đến 4 kg.
| STT |
Ký hiệu mẫu |
Loại xi măng |
Ký hiệu vị trí |
Địa điểm / Nhà máy |
Tọa độ địa lý |
| 1–7 |
1V1 đến 1V7 |
Portland cement (1V) |
A |
Nhà máy Văng Viêng, tỉnh Viêng Chăn |
$18^\circ 56' 7.0''\text{E}$ |
| 8–14 |
2V1 đến 2V7 |
Xi măng hỗn hợp (2V) |
A |
Nhà máy Văng Viêng, tỉnh Viêng Chăn |
$18^\circ 56' 7.0''\text{E}$ |
| 15–17 |
1VT1 đến 1VT3 |
Xi măng hỗn hợp (1VT) |
B |
Nhà máy Xangkham, Thủ đô Viêng Chăn |
$18^\circ 6' 27.9''\text{E}$ |
| 18–21 |
2VT1 đến 2VT4 |
Portland cement (2VT) |
B |
Nhà máy Xangkham, Thủ đô Viêng Chăn |
$18^\circ 6' 27.9''\text{E}$ |
| 22–25 |
1K1 đến 1K4 |
Portland cement (1K) |
C |
Nhà máy Casing, tỉnh Khammouane |
$17^\circ 24' 19.2''\text{E}$ |
| 26–29 |
2K1 đến 2K4 |
Xi măng hỗn hợp (2K) |
C |
Nhà máy Casing, tỉnh Khammouane |
$17^\circ 24' 19.2''\text{E}$ |
| 30–33 |
1SV1 đến 1SV4 |
Portland cement (1SV) |
D |
Nhà máy Salavan, tỉnh Salavan |
$15^\circ 50' 39.4''\text{E}$ |
| 34–37 |
2SV1 đến 2SV4 |
Xi măng hỗn hợp (2SV) |
D |
Nhà máy Salavan, tỉnh Salavan |
$15^\circ 50' 39.4''\text{E}$ |
Các mẫu sau khi thu thập được đóng trong hộp nhựa kín, chuyển về Trung tâm Vật lý hạt nhân (Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) để tiến hành xử lý nghiền, đồng nhất, cân định lượng, lưu trữ kín đạt cân bằng phóng xạ và đo đạc trên hệ phổ kế gamma. Chương này cũng trình bày các thuật toán xử lý phổ: kỹ thuật tách đỉnh chập, nâng cao độ phân giải phổ, hiệu chỉnh tự hấp thụ gamma trong mẫu thể tích lớn, hiệu chỉnh sai số hình học đo, trùng phùng ngẫu nhiên và trùng phùng tổng.
Chương 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận
Chương 4 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm đo đạc hoạt độ phóng xạ riêng của các đồng vị $^{226}\text{Ra}$, $^{232}\text{Th}$ và $^{40}\text{K}$ trong các mẫu xi măng (37 mẫu), cát, gạch và đất thu thập tại CHDCND Lào; tính toán các đại lượng đánh giá an toàn bức xạ tương ứng ($\text{Ra}_{\text{eq}}$, suất liều hấp thụ trong không khí, liều hiệu dụng hàng năm đối với cư dân); so sánh đối chiếu với số liệu của các nước trong khu vực, thế giới và các giới hạn khuyến cáo của IAEA.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án tự xác định các đóng góp khoa học và thực tiễn chính:
- Về mặt khoa học: Thiết lập hoàn chỉnh quy trình phương pháp luận thực nghiệm sử dụng hệ phổ kế gamma độ phân giải cao ($\text{HPGe}$) kết hợp detector nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ để định lượng chính xác hoạt độ phóng xạ riêng trong các mẫu VLXD thể tích lớn, giải quyết các hiệu ứng phức tạp về tự hấp thụ, hình học đo và tách đỉnh chập quang phổ.
- Về mặt thực tiễn:
- Lần đầu tiên cung cấp bộ số liệu thực nghiệm có hệ thống về hoạt độ phóng xạ riêng của các đồng vị phóng xạ tự nhiên ($^{226}\text{Ra}$, $^{232}\text{Th}$, $^{40}\text{K}$) trong các VLXD phổ biến nhất (xi măng, đất, cát, gạch) đang lưu hành tại CHDCND Lào.
- Cung cấp cơ sở khoa học để Bộ Khoa học và Công nghệ Lào xây dựng hệ thống tiêu chuẩn quốc gia về an toàn phóng xạ đối với VLXD dân dụng.
- Cung cấp dữ liệu tham khảo phục vụ các nhà quản lý, doanh nghiệp sản xuất VLXD tại Lào trong việc kiểm soát nguồn nguyên liệu thô đầu vào và điều chỉnh công nghệ sản xuất.
- Đào tạo cán bộ nghiên cứu sinh đầu tiên cho CHDCND Lào làm chủ hoàn toàn phương pháp phân tích hạt nhân bằng phổ kế gamma.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Nghiên cứu tập trung khảo sát trên 4 nhóm vật liệu phổ biến (xi măng tại 4 nhà máy lớn, đất, cát, gạch); toàn bộ quá trình đo đạc phân tích phổ kế gamma phải thực hiện tại phòng thí nghiệm của Viện Vật lý tại Hà Nội (Việt Nam) do CHDCND Lào chưa có cơ sở hạ tầng thiết bị chuyên sâu tại chỗ.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng phạm vi khảo sát hoạt độ phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trên các đối tượng vật liệu và môi trường khác tại CHDCND Lào (như nguồn nước ngầm, không khí, đất đá tại các khu vực mỏ khai khoáng).
- Chuyển giao quy trình và áp dụng kỹ thuật phân tích hạt nhân bằng phổ kế gamma để xây dựng phòng thí nghiệm đo lường bức xạ độc lập tại CHDCND Lào.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng thụ hưởng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Kỹ thuật hạt nhân, Vật lý bức xạ và Khoa học môi trường.
- Các cán bộ quản lý, chuyên viên hoạch định chính sách tại Bộ Khoa học và Công nghệ Lào, cơ quan quản lý an toàn bức xạ và kiểm định chất lượng công trình xây dựng.
- Các kỹ sư công nghệ và nhà máy sản xuất VLXD (xi măng, gạch, khai thác cát đá).
- Các phần đáng tham khảo:
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết toàn diện về tương tác gamma, cơ chế hoạt động chi tiết của detector bán dẫn $\text{HPGe}$ và nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$, cấu trúc các thành phần trong phổ gamma thực nghiệm.
- Chương 3: Phương pháp luận lấy mẫu thực địa, kỹ thuật niêm phong mẫu chống thất thoát radon và thuật toán xử lý sai số hình học, tự hấp thụ cho mẫu thể tích lớn.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao mẫu VLXD cần được lưu giữ trong hộp kín khoảng một tháng trước khi đo phổ gamma chuỗi $^{238}\text{U}$?
Trong chuỗi phân rã của $^{238}\text{U}$, sản phẩm trung gian là khí phóng xạ $^{222}\text{Rn}$ (chu kỳ bán rã 3,8232 ngày) rất dễ thất thoát ra ngoài khi nghiền và xử lý mẫu, làm phá vỡ trạng thái cân bằng phóng xạ. Việc lưu giữ mẫu trong hộp kín trong khoảng thời gian bằng 10 lần chu kỳ bán rã của $^{222}\text{Rn}$ (khoảng 1 tháng) là bắt buộc để chuỗi đạt lại trạng thái cân bằng phóng xạ thế kỷ, cho phép xác định chính xác hoạt độ của $^{238}\text{U}$ thông qua các đồng vị con cháu phát gamma sau radon ($^{214}\text{Pb}$, $^{214}\text{Bi}$).
2. Ưu điểm và nhược điểm chính của detector bán dẫn $\text{HPGe}$ so với detector nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ là gì?
Detector bán dẫn $\text{HPGe}$ có độ phân giải năng lượng (FWHM) vượt trội ($0,08% - 0,1%$), cho phép tách rõ các đỉnh năng lượng gần nhau trong phổ gamma phức tạp. Tuy nhiên, $\text{HPGe}$ có phân giải thời gian kém hơn $\text{NaI(Tl)}$, độ nhạy có thể suy giảm theo thời gian dài sử dụng và bắt buộc phải vận hành ở nhiệt độ nitơ lỏng ($77\text{ K} / -196^\circ\text{C}$) để triệt tiêu dòng dò nhiệt. Ngược lại, detector nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ làm việc được ở nhiệt độ phòng nhưng độ phân giải năng lượng kém hơn nhiều.
3. Ba cơ chế tương tác chính của gamma với vật chất trong dải năng lượng $10\text{ keV} - 3\text{ MeV}$ diễn ra như thế nào?
- Hấp thụ quang điện: Gamma truyền toàn bộ năng lượng cho electron liên kết mạnh, bứt electron ra khỏi nguyên tử; xác suất giảm nhanh khi năng lượng tăng và tỉ lệ thuận với $Z^{4\div 5}$.
- Tán xạ Compton: Gamma tán xạ trên electron liên kết yếu, truyền một phần năng lượng cho electron giật lùi, tạo dải phổ liên tục và gờ Compton.
- Tạo cặp electron-positron: Xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân khi năng lượng gamma vượt ngưỡng $1,022\text{ MeV}$, tạo ra cặp electron và positron; khi positron hủy sinh ra 2 photon $0,511\text{ MeV}$.
4. Luận án đã khảo sát bao nhiêu mẫu xi măng và thu thập từ những nhà máy nào tại CHDCND Lào?
Luận án đã thu thập tổng cộng 37 mẫu xi măng (mỗi mẫu từ 3 đến 4 kg), gồm cả xi măng Portland và xi măng hỗn hợp từ 4 nhà máy lớn nhất CHDCND Lào:
- Nhà máy Văng Viêng (tỉnh Viêng Chăn, tọa độ $18^\circ 56' 7.0''\text{E}$): 14 mẫu (7 mẫu Portland, 7 mẫu hỗn hợp).
- Nhà máy Xangkham (Thủ đô Viêng Chăn, tọa độ $18^\circ 6' 27.9''\text{E}$): 7 mẫu (4 mẫu Portland, 3 mẫu hỗn hợp).
- Nhà máy Casing (tỉnh Khammouane, tọa độ $17^\circ 24' 19.2''\text{E}$): 8 mẫu (4 mẫu Portland, 4 mẫu hỗn hợp).
- Nhà máy Salavan (tỉnh Salavan, tọa độ $15^\circ 50' 39.4''\text{E}$): 8 mẫu (4 mẫu Portland, 4 mẫu hỗn hợp).
5. Tại sao khi xác định hoạt độ của $^{232}\text{Th}$ qua đồng vị con $^{208}\text{Tl}$ lại phải chia cho hệ số 0,3594?
Trong chuỗi phân rã của $^{232}\text{Th}$, phân rã của đồng vị $^{212}\text{Bi}$ bị phân nhánh: chỉ có $35,94%$ xác suất phân rã $\alpha$ tạo thành $^{208}\text{Tl}$, trong khi $64,06%$ phân rã $\beta^-$ tạo thành $^{212}\text{Po}$. Do đó, để suy ra hoạt độ tổng của chuỗi thori ở trạng thái cân bằng từ diện tích quang đỉnh gamma của $^{208}\text{Tl}$, bắt buộc phải chia hoạt độ đo được của $^{208}\text{Tl}$ cho tỉ số rẽ nhánh là 0,3594.
Kết luận
Luận án là công trình nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên về hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong các VLXD chủ yếu tại CHDCND Lào sử dụng các hệ phổ kế gamma bán dẫn $\text{HPGe}$ và nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$. Công trình đã xây dựng cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc đánh giá an toàn bức xạ cho người dân sinh hoạt trong các công trình xây dựng. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học trực tiếp giúp các cơ quan quản lý nhà nước tại Lào xây dựng quy chuẩn an toàn bức xạ quốc gia cho VLXD, đồng thời mở đầu cho việc đào tạo chuyên gia chuyên sâu trong lĩnh vực vật lý hạt nhân ứng dụng tại CHDCND Lào.
