Thạc Sĩ Nghiên cứu đo liều bức xạ Anpha trong mẫu gốm cỗ bằng Đềtectơ nhiệt huỳnh quang LiF (Mg, Cu, P)

Đề tài: Nghiên cứu đo liều bức xạ Anpha trong mẫu gốm cỗ bằng Đềtectơ nhiệt huỳnh quang LiF (Mg, Cu, P)
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng kính ơn đến bậc sinh thành, những người đã có công
nuôi dưỡng và tạo mọi điều kiện để tôi ăn học thành người. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn:
 TS Nguyễn Quang Miên người thầy đã giảng dạy tôi những năm cao học và đã tận tình
hướng dẫn cho tôi hoàn thành luận văn này.
 Ban Lãnh đạo và các Anh Chị Viện khảo cổ học Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho
tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn.
 Th.S Hoàng Đức Tâm người đã giúp đỡ và cho tôi những góp ý quý báu.
 Thầy phản biện đã dành hiều thời gian quý báu để đọc và đóng góp nhiều ý kiến để luận
văn được hoàn thiện.
 Tập thể các thầy, cô trong Khoa vật lý dạy dỗ và động viên tôi trong suốt quá trình học
tập và hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng xin được cám ơn tất cả các bạn thuộc Khoa Vật Lý, các bạn cao học khóa 18
và các đồng nghiệp đã đóng gớp ý kiến cho tôi hoàn thành luận văn này. MỞ ĐẦU
Nhiệt huỳnh quang là hiện tượng vật liệu sau khi bị chiếu xạ có khả năng phát ra các
lượng tử ánh sáng trong miền khả kiến khi được kích thích nhiệt. Hiệu ứng này đã được nghiên
cứu ứng dụng trong đo liều bức xạ hạt nhân và kiểm soát an toàn bức xạ. Đặc biệt nó cũng được
sử dụng nhiều trong đo liều bức xạ môi trường và tính tuổi cổ vật.
Trên thế giới, ở các nước có trình độ khoa học công nghệ cao (Mỹ, Pháp, Anh, Trung
Quốc, Thái Lan ) phương pháp này rất được quan tâm nghiên cứu phát triển và được coi như
là một trong những phương pháp có khả năng chỉ thị niên đại cổ vật hữu hiệu với độ tin tưởng
cao.
Trong đo tuổi nhiệt nhuỳnh quang, mỗi bức xạ hạt nhân ở môi trường khác nhau có khả
năng gây ra các tác dụng liều chiếu xạ khác nhau và cần phải được ghi nhận cụ thể.
Dựa trên nhu cầu thực tế và trang thiết bị hiện có, chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu
xác định liều bức xạ anpha hàng năm trong mẫu gốm bằng vật liệu LiF: Mg,Cu,P” làm đề
tài luận văn thạc sỹ của mình. Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận được kết cấu như sau:
Chương 1: Tổng quan về phương pháp.
Chương 2:Thực nghiệm xác định liều bức xạ anpha trong mẫu gốm.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
Đề tài luận văn được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 10/2009 đến tháng 6/1010
tại Phòng thí nghiệm và xác định niên đại – Viện khảo cổ học Việt Nam. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP
1.1. Cơ sở khoa học của phương pháp
1.1.1. Hình thành các nguyên tố phóng xạ trong môi trường tự nhiên
Như đã biết, từ các sao bụi của các vụ nổ của các ngôi sao, khoảng 4,5 tỉ năm trước đây
đã hình thành mặt trời và hệ thống hành tinh của chúng ta. Trong đám tro bụi đó, có một lượng
rất lớn các nguyên tố phóng xạ. Theo thời gian, đa số các nguyên tố phóng xạ này phân rã và trở
thành những nguyên tố bền vững. Chúng là thành phần vật liệu chính của hệ thống hành tinh
chúng ta hiện nay. Tuy nhiên trong vỏ trái đất vẫn còn những nguyên tố phóng xạ là uranium,
thorium, con cháu của chúng và một số nguyên tố khác. Các nguyên tố phóng xạ này cùng với
sản phẩm phân rã của chúng là nguồn bức xạ ion hóa tự nhiên chủ yếu tác dụng lên mọi sinh vật
trên trái đất.
Trong tự nhiên tồn tại rất nhiều nguyên tố phóng xạ nhưng phổ biến nhất là uran, thori,
kali, radi, radon Đối với các mẫu vật dùng đo tuổi nhiệt phát quang, liều ion hóa hằng năm
trong chúng gần như đều được gây bởi từ những nguyên tố này, chỉ có khoảng một vài phần
trăm còn lại được sinh ra từ nguyên tố rubidi và tia vũ trụ
Uranium gồm các đồng vị: U
238
chiếm 93% uranium thiên nhiên, U
235
chiếm 0,7%, và
U
234
chiếm khoảng 0,005%, U
238
và U
234
là các đồng vị phóng xạ thuộc họ uranium, còn U
235
là
đồng vị phóng xạ thuộc họ Actinium.
Các nguyên tố phóng xạ trong đất đá chủ yếu được tạo thành từ ba dãy phóng xạ U
238
,
U
235
, và Th
232
có thể tóm lược như trong bảng 1.1 sau:
Bảng 1.1: Sơ đồ chuỗi phóng xạ tự nhiên thorium và uranium
Chuỗi Th-232 Chuỗi U-238 Chuỗi U-235
Hạt nhân Thời gian bán rã Hạt nhân Thời gian bán rã Hạt nhân thời gian bán rã
Th -232 14x10
9
năm U-238 4,47x10
9
năm U-235 0,704x10
9
năm
1α 1α, 2β 1α,1β
Ra -228 6,7 năm U-234 245x10
3
năm Pa-231 32,8x10
3
năm
1α
Th-230 75x10
3
năm
1α, 2β 1α  2α,1βRa -224 3,6 ngày Ra-226 1600 năm Ra-223 11,4 ngày
1α 1α 1α
Rn -220 55 giây Rn-222 3,82 ngày Rn-219 4 giây
 2α, 2β  3α, 2β 1α
1α Pb-210 22 năm Po-215 1,8x10
-3
giây
Po-216 0,16 giây  2β
Po-210 138 ngày
1α  2α, 2β
Pb-208 Bền Pb-206 Bền Pb-207 Bền
Trong tự nhiên, ngoài ba dãy phóng xạ trên còn một số các nguyên tố phóng xạ tự nhiên
khác không tạo thành dãy phóng xạ như K
40
. Ngoài ra, còn có các đồng vị C
14
, H
3
, Cs
137 Đây
là loại đồng vị được hình thành do sự tương tác giữa tia vũ trụ với những nguyên tố trong khí
quyển.
Như vậy, các nguyên tố phóng xạ có khắp nơi trên trái đất, trong đất đá, nước và trong
không khí. Các đồng vị phóng xạ này cùng với các con cháu của chúng là nguồn gốc chính của
sự bức xạ tự nhiên tác dụng lên các sinh vật trên trái đất. Theo nguồn gốc, chúng có thể phân
chia thành 3 loại:
- Loại nguyên tố phóng xạ có trong đất đá.
- Loại nguyên tố phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ.
- Loại nguyên tố phóng xạ do hoạt động của con người tạo ra.
Các hạt nhân phóng xạ được tạo thành và tồn tại trong đất đá, nước và trong không khí
thậm chí trong cơ thể chúng ta. Theo cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA), trong 1kg
đất có thể chứa 3 đồng vị phóng xạ tự nhiên với hàm lượng trung bình như sau:
370Bq K
40
(100-700Bq)
25Bq Ra
226
( 10- 50 Bq)
25 Bq U
238
( 10 – 50 Bq)
25 Bq Th
232
(7 – 50 Bq)
1.1.2. Phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đất đá Hoạt độ phóng xạ trong đất đá được hình thành từ những nguồn phóng xạ có sẵn trong tự
nhiên và các nguồn phóng xạ do hoạt động của con người tạo ra. Các nguyên tố phóng xạ tích
tụ trong đất đá và thường không đồng đều giữa các vùng trên trái đất. Chẳng hạn, ở nước ta,
một số nơi như Quảng Nam, Cao Bằng, Lai Châu có lượng quặng phóng xạ khá lớn nên
cường độ phóng xạ trung bình tại những nơi đó cao hơn nhiều lần so với hoạt độ trung bình của
môi trường toàn quốc. Lượng hoạt độ phóng xạ của một số nguyên tố trong đất được chỉ trong
Bảng 1.2.
Bảng 1.2: Hoạt độ phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ trong đất [7]
Nguyên tố phóng xạ Hoạt độ trung bình
Tổng khối lượng
nguyên tố phóng xạ
Tổng hoạt độ
trong toàn bộ thể
tích đất
Uranium 0,7pCi/g (25Bq/kg) 2200kg 0,8Ci (31GBq)
Thorium 1,1pCi/g (40Bq/kg) 12000kg 1,4 Ci (52 GBq)
Potassium-40 11pCi/g (400Bq/kg) 2000kg 13 Ci (500 GBq)
Radium 1,3pCi/g (48Bq/kg) 1,7g 1,7 Ci (63,GBq)
Radon 0,17pCi/g (10Bq/kg) 11à g 0,2 Ci (7,4 GBq)
Các đồng vị phóng xạ nhân tạo như H
3
(12,3 năm), I
129
( 1,57x10
7
năm), Cs
137
(30,17
năm), Sr
90
(28,78 năm), Tc
99
(2,11 x 10
5
năm), Pu
239
(2,41 x 10
4
năm) có thời gian sống dài, do
vậy nếu bị đưa ra môi trường sẽ tích tụ lâu dài trong đất và gây ra phông phóng xạ cao, đặc biệt
khi bị động vật, thực vật hấp thụ qua trao đổi chất. Và con người khi sử dụng các sản phẩm dinh
dưỡng từ động thực vật đó cũng sẽ bị nhiễm phải những liều lượng phóng xạ nhất định.
1.1.3. Hệ thống các đơn vị đo liều phóng xạ
Liều chiếu và suất liều chiếu:
- Liều chiếu: Đối với tia X, tia gamma là tổng số điện tích ion cùng dấu được sinh ra khi
tất cả các hạt tích điện (electron và ion dương) được giải phóng bởi photon trong một thể tích
không khí chia cho khối lượng không khí của thể tích đó, theo công thức:
ch
dQ
D =
dm
(1.1) Trong đó:
dQ: Tổng số điện tích sinh ra trong một thể tích khí.
dm: Khối lượng thể tích không khí đó.
- Suất liều chiếu: Là giá trị liều chiếu tính trong một đơn vị thời gian.
Các đơn vị thường dùng: liều chiếu (R, rad, rem, Sv ); suất liều (R/ giờ, rad/giờ,
rem/giờ, Sv/giờ ).
Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ:
- Liều hấp thụ: là năng lượng bị hấp thụ trên đơn vị khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ, theo
công thức:
ht
dε
D =
dm
(1.2)
Trong đó:
dε : là năng lượng truyền trung bình của bức xạ ion hóa cho vật chất có khối lượng dm.
- Suất liều hấp thụ: là giá trị liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian.
Đơn vị liều hấp thụ là Gray, ký hiệu Gy.
1Gy = 1J/1kg = 100rad.
1rad = 100erg/g (1 rad là một lượng bức xạ đi qua vật chất truyền năng lượng 100erg cho 1g
vật chất).
Liều tương đương và hệ số phẩm chất:
- Hệ số phẩm chất: Mỗi loại bức xạ đặc trưng bởi một đại lượng có tên gọi là hệ số phẩm chất,
ký hiệu là Q (Bảng 1.3).
- Liều tương đương: Bằng hệ số phẩm chất Q nhân với liều hấp thụ.
- Đơn vị là rem.
1rem = 1rad x Q.
Trong hệ SI, liều tương đương sinh học có tên là Sievert(Sv).
1Sv = 1Gy x Q = 100rem.
Bảng 1.3: Hệ số phẩm chất của các loại bức xạ
Các loại bức xạ và năng lượng Hệ số phẩm chất Q
Photon (X, γ ) mọi năng lượng 1Electron và hạt muyon(à ) mọi năng lượng 1
Nơtron năng lượng <10Kev 5
Nơtron năng lượng 10Kev-100Kev 10
Nơtron năng lượng 100Kev-2Mev 20
Nơtron năng lượng 2Mev-20Mev 10
Nơtron năng lượng >20Mev 5
Photon năng lượng >2Mev 5
Hạt ( α ), mảnh phân hạch, hạt nặng 20
1.2. Liều bức xạ
1.2.1. Tác dụng của các tia bức xạ đối với sức khỏe của con người
Tác dụng sinh học của bức xạ hạt nhân có nhiều hình thức khác nhau, đối với sức khỏe
con người thì quan trọng nhất là các dạng có thể xuyên qua cơ thể và gây ra hiệu ứng ion hóa.
Nếu bức xạ ion hóa thấm vào các mô sống, các ion được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình
sinh học bình thường. Tiếp xúc với bất kỳ loại nào trong số các loại bức xạ ion hóa, bức xạ
anpha, beta, các tia gamma, tia X và nơtron đều có ảnh hưởng đến sức khỏe.
Trong môi trường vật chất, bức xạ anpha không có khả năng truyền xa, chúng sẽ bị cản
lại toàn bộ bởi một lớp giấy mỏng hoặc bởi lớp màng ngoài của da. Tuy nhiên, nếu một chất
phát tia anpha được đưa vào trong cơ thể, nó sẽ phát ra năng lượng tác dụng vào các tế bào
xung quanh. Ví dụ trong phổi, nó có thể tạo ra liều chiếu trong đối với các mô nhạy cảm, mà
các mô này thì không có lớp bảo vệ bên ngoài giống như da.
1.2.2. Ý nghĩa của xác định liều bức xạ anpha trong nghiên cứu phóng xạ môi trường và
khảo cổ học
Như đã biết, bức xạ phóng xạ có khắp nơi trên trái đất, vì vậy việc xác định liều bức xạ là
nhiệm vụ có ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm soát các nguồn phóng xạ và đo liều trong y tế
và môi trường hay xác định tuổi cổ vật.
Để xác định tuổi cổ vật bằng gốm, có thể dùng phương pháp nhiệt huỳnh quang, do bởi
trong mẫu gốm luôn có các hạt khoáng nhiệt huỳnh quang khi nung nóng hạt khoáng đến nhiệt
độ xác định thì chúng sẽ phát ra. Nghĩa là, quá trình tích lũy liều trong mẫu gốm chỉ bắt đầu sau khi nung, dựa vào đặc tính này, người ta có thể xác định được niên đại của vật cổ theo phương
trình sau
α β γ c
P
t =
D +D +D +D
(1.3)
Trong đó:
P: là liều tích lũy trong mẫu (Gy)
D ,D ,D ,D α β γ c
tương ứng là suất liều hằng năm của các tia anpha, beta, gamma và vũ trụ lên
mẫu (Gy/năm) [8]
Phương trình 1.3 cho thấy xác định liều bức xạ anpha trong mẫu gốm là nhiệm vụ không
thể thiếu trong đo tuổi mẫu gốm cổ bằng phương pháp nhiệt huỳnh quang.
1.2.3. Phân bố các nguyên tố phóng xạ và liều bức xạ anpha trong mẫu gốm cổ
Trong đất đá có các nguyên tố phóng xạ urani, thori và kali Mẫu gốm khi bị chôn vùi
trong đất đá sẽ bị chiếu xạ bởi các nguyên tố phóng xạ trên. Khi phân rã, các nguyên tố này phát
ra các bức xạ anpha, beta và gamma. Cả 3 loại bức xạ này đều tham gia vào quá trình gây liều
tích lũy lên các vật liệu nhiệt huỳnh quang nhưng với mức độ khác nhau.
Hình 1.1 và 1.2 bên dưới mô tả tác động của các bức xạ này ở các mức độ khác nhau.
Hình 1.1: Mô hình tương tác gây liều bức xạ ion hóa trong hạt vật liệu có kích thước >
5mm
D
d > 5mm
Dα
Dβ
D + D + D α β γ
D + D β γ
Dγ
Hình 1.2: Mô hình tương tác gây liều bức xạ ion hóa trong hạt vật liệu có kích thước <
1mm
D ,Pα α
: Mô tả tác dụng của bức xạ
D ,Pβ β
: Mô tả tác dụng của bức xạ β
D ,Pγ γ
Mô tả tác dụng của bức xạ γ
Từ những hình trên chúng ta có một số nhận xét sau:
- Bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên lớn và nó được coi như có tác dụng đồng nhất trong
toàn bộ vật liệu. Bán kính tác dụng của nguồn bức xạ gamma trong môi trường đất đá khoảng
30cm.
- Bức xạ beta có khả năng đâm xuyên kém hơn có tác dụng lên toàn bộ vật liệu, song chúng
không hoàn toàn như nhau.
- Bức xạ anpha có khả năng đâm xuyên kém nhất, nó chỉ có tác dụng ở lớp vỏ ngoài của vật
liệu.
Về khả năng tác dụng ion hóa của bức xạ anpha,beta và gamma trên khoáng vật thạch
anh hình cầu được mô tả trong hình vẽ sau: [3]
P Pβ γ
d < 1mm
Pα
Pα
D + D β
γ
D + D + D α β γ