Xem mã nguồn của Thăm dò phóng xạ

Các '''Phương pháp thăm dò phóng xạ''' là nhóm các phương pháp của [[Địa vật lý Thăm dò]], thực hiện đo đạc các [[bức xạ]] của đất đá, nhằm xác định sự có mặt của các nguyên tố có [[đồng vị]] [[phóng xạ]] trong đất đá. Những nguyên tố này phân bố khác nhau trong các [[khoáng vật]] và loại đất đá, và các đo đạc cho phép phân chia đất đá về thành phần tính chất và trạng thái.

Phương pháp được ứng dụng trong khảo sát [[bản đồ địa chất]], tìm kiếm quặng [[phóng xạ]], đánh giá mức độ phóng xạ trong khảo sát [[địa chất môi trường]].

Tại Việt Nam phần lớn các phương pháp này đã được đã được quy chuẩn trong [[Tiêu chuẩn quốc gia (Việt Nam)|Tiêu chuẩn Quốc gia]] do [[Bộ Khoa học và Công nghệ]] công bố trong [https://thuvienphapluat.vn/van-ban/tai-nguyen-moi-truong/Quyet-dinh-2755-QD-BKHCN-nam-2012-cong-bo-Tieu-chuan-quoc-gia-192910.aspx Quyết định Số 2755/QĐ-BKHCN] ngày 12/10/2012. {{Webarchive| url=https://web.archive.org/web/20140910154502/http://www.most.gov.vn/Desktop.aspx/Van-ban-KHCN/Bo-KHCN/86C32FFD8BE3451E8039BFB2B53FB570/ |date = ngày 10 tháng 9 năm 2014}}.

== Cơ sở phương pháp ==

Trong đất đá tự nhiên có mặt các nguyên tố [[phóng xạ]] với các đặc trưng riêng biệt.<ref>{{Chú thích web |url=http://ie.lbl.gov/toi/nucSearch.asp |ngày truy cập=2015-02-13 |tựa đề=WWW Table of Radioactive Isotopes. |archive-date=2007-04-27 |archive-url=https://web.archive.org/web/20070427084707/http://ie.lbl.gov/toi/nucSearch.asp |url-status=dead }}</ref> Bố trí quan sát thích hợp sẽ xác định được sự có mặt và phân bố của chúng.

* [[Danh sách đồng vị tự nhiên#Kali (Z=19)|Kali trong đất đá tự nhiên]] ở [[Lớp vỏ (địa chất)|vỏ]] [[Trái Đất]] có hàm lượng dao động từ 0,1 - 5%. Trong đá loại [[biotit]] [[mica]] [[muscovit]]... có hàm lượng cỡ 2,5%, còn trong muối mỏ [[kali]] như [[sylvit]], [[carnallit]],... thì trên 10%. Kali có một [[đồng vị]] [[phóng xạ]] <sup>40</sup>K, chiếm 0,012% trong [[kali]] tự nhiên, có [[chu kỳ bán rã]] 1,25 tỷ năm và phân rã thành <sup>40</sup>Ar (11,2%) bằng cách bắt [[điện tử]] và bằng bức xạ [[positron]], cũng như phân rã thành [[đồng vị]] ổn định <sup>40</sup>Ca (88,8%) bằng [[phân rã beta]], phát [[tia gamma]] năng lượng đơn 1,46 MeV.
* [[Urani]] là nguyên tố [[phóng xạ]]. [[Danh sách đồng vị tự nhiên#Urani (Z=92)|Urani trong đất đá tự nhiên]] có hàm lượng 1 - 10ppm, với 3 [[đồng vị]] là <sup>238</sup>U (99,284%), <sup>235</sup>U (0,711%), <sup>234</sup>U (0,0058%). [[Chu kỳ bán rã]] của <sup>238</sup>U là khoảng 4,47 tỉ năm và của <sup>235</sup>U là 704 triệu năm, do đó nó được sử dụng để [[Định tuổi bằng đồng vị phóng xạ|xác định tuổi]] của [[Trái Đất]]. Họ phân rã <sup>238</sup>U có tổng cộng 18 nguyên tố và kết thúc ở [[đồng vị]] chì <sup>206</sup>Pb. 
* [[Thori]] là nguyên tố [[phóng xạ]]. [[Danh sách đồng vị tự nhiên#Thori (Z=90)|Thori trong đất đá tự nhiên]] có hàm lượng 3 - 30ppm, chủ yếu là <sup>232</sup>Th. [[Chu kỳ bán rã]] của <sup>232</sup>Th là 14,05 tỉ năm. Họ phân rã <sup>232</sup>Th có 12 nguyên tố và kết thúc ở [[đồng vị]] chì <sup>208</sup>Pb.
* [[Radon]] là sản phẩm phân rã của [[Urani]] và [[Thori]]. Nó là [[chất khí]], đọng lại trong đá hoặc thoát lên từ lòng đất sâu theo các khe hở của các [[đứt gãy]] còn đang hoạt động. Khi khai thác và sử dụng đá có hàm lượng [[phóng xạ]] cao như [[granite]] để làm nhà thì khí Radon thoát ra và có thể đọng lại trong nhà gây ''[[ung thư phổi]]''.

Các ''phương pháp chiếu xạ'' thì thực hiện chiếu [[tia gamma]], [[neutron]] vào đất đá, và đo bức xạ gamma từ các hạt nhân bị biến đổi. Vì lý do an toàn [[phóng xạ]], chúng chỉ được [[Địa vật lý giếng khoan|thực hiện trong hố khoan]].
[[Tập tin:Scintillation Counter Schematic.jpg|thumb|400px|Sơ đồ hệ đo dùng Detector nhấp nháy]]
== Máy đo ==
Các máy đo trong [[khảo sát địa vật lý|thăm dò địa vật lý]] kế thừa thành tựu của ''điện tử hạt nhân'', được thu gọn để thích hợp với hoàn cảnh đo di động. Thành phần cơ bản của máy gồm có 3 khối.
* ''Detector'', là một loại [[cảm biến]] thực hiện chuyển bức xạ thành tín hiệu xung điện.
* ''Phân tích biên độ xung'', thực hiện tách xung ứng với năng lượng bức xạ quan tâm.
* ''Khối Đếm xung'', lưu trữ, hiển thị kết quả.

Các máy đo đường bộ có [[thể tích]] hợp [[Hệ thống Định vị Toàn cầu|định vị GPS]] để có tọa độ điểm đo.

=== Detector ===
Detector là đầu dò thu nhận bức xạ và chuyển đổi thành xung điện có biên độ tỷ lệ với năng lượng hạt bức xạ. Có nhiều loại và kiểu Detector,<ref>[http://www.nucsafe.com/cms/Selecting+Gamma+Detector/43.html Selecting Gamma Detector.] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150214093447/http://www.nucsafe.com/cms/Selecting+Gamma+Detector/43.html |date=2015-02-14 }} Nucsafe Publication, 2011. Truy cập 11 Feb 2015</ref> tuy nhiên các máy đo thăm dò phóng xạ hiện dùng Detector nhấp nháy, với kết cấu gồm có hai phần:
* ''Tinh thể dò'', làm bằng khối vật chất có khả năng bắt giữ bức xạ và chuyển đổi sang [[photon]] của ánh sáng theo [[hiệu ứng Compton]]. 
* ''[[Đèn nhân quang điện]]'' tiếp nhận [[photon]] và chuyển đổi sang [[điện tích]] theo [[hiệu ứng quang điện]], và khuếch đại lượng [[điện tích]] này lên đến mức đủ lớn.

Hai kiểu tinh thể dò được dùng trong thăm dò:
* NaI(Tl) hay [[sodium iodide]] hoạt hóa bằng [[thalli]], là chất hút ẩm mạnh.<ref>Leo W. R., 1994. Techniques for Nuclear and particle Physics Experiments. 2nd edition, Springer, ISBN 354057280, p. 161.</ref> 
* BGO hay [[bismuth germanate]] Bi<sub>4</sub>Ge<sub>3</sub>O<sub>12</sub>, là chất rắn không tan, không hút ẩm.
Khi bức xạ tương tác với tinh thể dò, sẽ làm phát sinh ánh sáng với số lượng [[photon]] tỷ lệ với năng lượng bức xạ. Tinh thể dò được gắn vào đầu ''[[đèn nhân quang điện]]'' (Photomultiplier Tube, PMT). Photon đập vào ''[[photocathode]]'' sẽ làm bật ra các [[điện tử]] theo [[Hiệu ứng quang điện]]. Sau đó dòng [[điện tử]] được nhân lên ở các ''[[dynode]]'', cho ra ở ''[[anode]]'' là xung điện đủ lớn để khuếch đại và phân tích biên độ bằng [[mạch điện tử]].

Các máy dùng trong thăm dò sử dụng PMT được thiết đặt thích hợp sao cho xung trong dải năng lượng 0 - 3 MeV là tuyến tính.

[[Tập tin:Gamma Pulse-Height Analyzer Principal.png|thumb|400px|Phân tích biên độ xung phóng xạ]]
=== Phân tích biên độ xung ===
Nguyên lý Phân tích biên độ xung khá đơn giản. Xung được đưa tới hai ''[[mạch so sánh]]'' (Comparator): so ngưỡng dưới của cửa sổ E<sub>L</sub> (Lower Level) và so ngưỡng trên E<sub>U</sub> (Upper Level). Ngõ ra của hai mạch đưa tới ''mạch đối trùng'' (Anticoincidence), loại trừ những xung cao hơn ngưỡng trên để cho ra xung chỉ trong dải E<sub>L</sub> ≤ E < E<sub>U</sub>.

Tuy nhiên duy trì sự ổn định cao cho hệ thống, gồm hệ số khuếch và giá trị ngưỡng, là nỗ lực của nhiều thế hệ chế tạo máy đo.

Trước đây các máy phân tích phổ đa kênh trong phòng thí nghiệm hoạt động theo cách này, ví dụ máy 1024 kênh thì bố trí 1024 bảng mạch với các cửa sổ hẹp và ngưỡng chỉnh nối tiếp nhau. Nó dẫn đến tên gọi "kênh" (Channel) và là kênh điện tử thật sự.

Ngày nay cách phân tích này chỉ duy trì trong hệ phân tích ít kênh, như trong máy đo tổng (1 kênh) và đo phổ kiểu cổ truyền (4 kênh) của thăm dò hay điều tra [[phóng xạ]],... có độ rộng W trùm lên dải phổ quan tâm.

Những thiết bị đa kênh hiện đại dùng ''chip [[ADC]] nhanh'' số hóa mức đỉnh xung, và dùng phần mềm trong chip điều khiển để tách ra những xung nằm trong cửa sổ quan tâm. Ví dụ [http://www.gfinstruments.cz/index.php?menu=gi&cont=surveyor_ov ''Gamma Surveyor''] <ref>[http://www.gfinstruments.cz/index.php?menu=gi&cont=surveyor_ov Gamma Surveyor.] GF Instruments Brochure. Truy cập 18 Feb 2015.</ref> là loại "512-channel gamma-ray spectrometer" dùng trong đo phổ gamma trong khảo sát [[địa chất]]. Tức nhiên là "channel" dùng để chỉ mức giá trị số hóa mà thôi. Thiết kế đa kênh như vậy làm cho máy thích nghi tốt cho việc khảo sát các [[đồng vị]] khác trong vùng có [[ô nhiễm phóng xạ]].

==Nội dung các phương pháp ==

=== Đo tổng gamma tự nhiên ===
''Đo tổng gamma tự nhiên'' thực hiện đo bức xạ [[Tia gamma|gamma]] trong dải năng lượng bức xạ 0,4 - 2,8 MeV nhằm phát hiện và đánh giá mức độ chứa nguyên tố [[phóng xạ]] của đất đá. Tại Việt Nam các cơ sở thăm dò địa chất đang sử dụng:
* Trên mặt đất, phần lớn là các máy đo chế tạo trong nước như [http://www.maydiavatly.com/?u=prd&su=d&cid=377&id=590 ''Máy đo xạ tổng SRP6801NC''] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150214010855/http://www.maydiavatly.com/?u=prd&su=d&cid=377&id=590 |date = ngày 14 tháng 2 năm 2015}}.
* Trong [[Địa vật lý giếng khoan|địa vật lý hố khoan]] thì sử dụng đầu đo hố khoan như [http://mountsopris.com/items/ql40-gr-natural-gamma/ ''Mount Sopris QL40-GR – Natural Gamma''] (Mỹ).

=== Đo phổ gamma tự nhiên ===
''Đo phổ gamma tự nhiên'' nhằm trực tiếp phát hiện và đánh giá mức độ chứa nguyên tố [[phóng xạ]] [[Kali]], [[Urani]], [[Thori]] của đất đá. Các máy phân tích phổ gamma dùng trong thăm dò có bố trí các cửa sổ phổ ứng với chúng:
* [[Kali]]: đỉnh năng lượng đặc trưng 1,46 MeV của <sup>40</sup>K, cửa sổ 1,37 - 1,57 MeV.
* [[Urani]]: đỉnh năng lượng đặc trưng 1,76 MeV của <sup>214</sup>Bi, cửa sổ 1.66 - 1.86 MeV.
* [[Thori]]: đỉnh năng lượng đặc trưng 2,62 MeV của <sup>208</sup>Tl, cửa sổ 2,4 - 2,8 MeV.
* Kênh đo tổng: 0,4 - 2,8 MeV.
Kết quả hiển thị ở dạng xung đếm được cũng như trị số hàm lượng quy ước.<ref>[https://www-pub.iaea.org/mtcd/publications/pdf/te_1363_web.pdf Guidelines for radioelement mapping using gamma ray spectrometry data.] IAEA Publications, 2003. Truy cập 25 Dec 2014.</ref>

Trong ''[[Địa vật lý máy bay]]'',<ref>Minty B.R.S., 1997. Fundamentals of Airborne Gamma-ray Spectrometry. AGSO Journal of Australian Geology & Geophysics, 17(2), p. 39-50.</ref> đo phổ gamma là thành phần chủ chốt trong đo tìm kiếm chi tiết. Thiết bị được đặt máy bay cánh cố định hoặc trực thăng, bay đo chậm ở độ cao không quá 75 m so với mặt đất. Tại Việt Nam, ngành Địa chất sử dụng [http://qsl.net/k/k0ff/p1/Lab/GAD-6/Scintrex%20%235.jpg ''máy đo phổ gamma máy bay Scintrex GAD-6''] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20141129041937/http://qsl.net/k/k0ff/p1/Lab/GAD-6/Scintrex%20%235.jpg |date = ngày 29 tháng 11 năm 2014}} (Canada) đã từ năm 1976 và đến nay vẫn đang hoạt động.

Trong ''[[Địa vật lý biển]]'' đo phổ cũng là thành phần chủ chốt khảo sát ở vùng gần bờ, trong đó đầu thu thả xuống đáy nước. Tại Việt Nam, Trung tâm Điều tra Tài nguyên - Môi trường Biển đang sử dụng sản phẩm do họ liên kết chế tạo trong nước là [http://www.maydiavatly.com/?u=prd&su=d&cid=377&id=576 ''Máy xạ phổ đáy biển GA4K''] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150107230436/http://www.maydiavatly.com/?u=prd&su=d&cid=377&id=576 |date = ngày 7 tháng 1 năm 2015}}.

Đo trên mặt đất, trong hầm lò, trong [[hố khoan]] thì thực hiện tại nơi đã có triển vọng khoáng sản tương ứng.

Trong ''[[Địa vật lý giếng khoan|địa vật lý hố khoan]]'' thì dùng đầu đo phổ gamma [[hố khoan]], ví dụ đầu đo Mount Sopris [http://mountsopris.com/items/ql40-sgr-spectral-gamma/ ''QL40-SGR Spectral Gamma''].

Để kết quả thu được chính xác, hệ thống đo phải được định kỳ ''Kiểm chuẩn hệ số hàm lượng''. Thủ tục của nó là đặt đầu đo vào khoang đo của 4 mẫu chuẩn có hàm lượng nguyên tố được xác định với độ chính xác cao hơn: mẫu Phông (không phóng xạ), mẫu Kali, mẫu Urani, mẫu Thori, sau đó [[giải phương trình]] quan hệ bức xạ ra hệ số hàm lượng.

Tại Việt Nam có bố trí ''Trạm kiểm chuẩn'' ở xã Tân Vinh, [[Lương Sơn (huyện)|huyện Lương Sơn]], tỉnh [[Hòa Bình (tỉnh)|Hòa Bình]].

=== Đo gamma-gamma ===
''Đo gamma-gamma'' thường gọi là đo ''[[Đo mật độ hố khoan]]'' (Density log), [[Địa vật lý giếng khoan|thực hiện trong hố khoan]], trong đó dùng nguồn [[tia gamma]] chiếu vào đất đá, rồi đo [[Tia gamma|gamma]] ở các khoảng cách đến nguồn khác nhau. Các đất đá có [[Khối lượng riêng|mật độ]] cao thì [[Hiệu ứng Compton|tán xạ gamma]] mạnh hơn. Phương pháp này dùng cho đo [[Khối lượng riêng|mật độ]] đất đá quanh [[hố khoan]].

Đo đạc thực hiện với ''đầu đo hố khoan'', ví dụ đầu đo QL40-DEN Compensated Dual Density – Caliper.<ref>[http://mountsopris.com/items/ql40-den-compensated-dual-density-caliper/ QL40-DEN Compensated Dual Density – Caliper.] Mount Sopris Instrument Brochure, 2011. Truy cập 18 Feb 2015.</ref> Máy sử dụng các ''hệ số phân cỡ'' (Calibration) để tính và hiện kết quả trực tiếp là g/cm³.

Nguồn chiếu thường dùng là <sup>137</sup>Cs. Độ chính xác đo mật độ phụ thuộc ''cường độ nguồn chiếu''. Các nguồn dưới 20 mCurie cho kết quả định tính, nguồn 100 mCurie trở lên cho kết quả định lượng tốt hơn.

Tương ứng với mẫu chiếu sử dụng thì định kỳ phải thực hiện chuẩn hệ số phân cỡ, bằng cách đo với bộ mẫu chuẩn mật độ có trong thành phần của bộ máy.

=== Đo hơi Radon ===
''Đo hơi Radon'' thực hiện trong lỗ choòng, trên mặt đất, mặt nước,... trong đó dùng bơm hút một thể tích khí nhất định, đưa vào một buồng hấp thụ, sau đó đo ''hoạt độ alpha'' của buồng. Đo hơi [[radon]] trong lỗ choòng được dùng cho xác định đứt gãy sâu đang hoạt động, do khí [[radon]] từ [[magma]] theo [[đứt gãy]] lên mặt đất, và hiện ra dị thường hàm lượng [[radon]] cao. Các ''đứt gãy yên tĩnh'' thì khe nứt bị lấp, nên mức dẫn radon thấp.<ref>Radon and thoron gas detectors. Radiansa Consulting, 2012.</ref><ref>The Geology of Radon. USGS Publications, 1995.</ref>

Đo [[radon]] còn thực hiện trong khảo sát môi trường, xác định mức độ ''ô nhiễm [[radon]]'' tích tụ trong đất, nước hoặc trong nhà ở từ [[vật liệu xây dựng]] như đá [[granit]], mà với hàm lượng tích tụ vượt ngưỡng sẽ gây ra [[ung thư phổi]].<ref>Kunovska B. et al., 2013. Measurements of Radon Concentration in Soil Gas of Urban Areas, Bulgaria. Rom. Journ. Phys., Vol. 58, Supplement, p. S172–S179.</ref><ref>[http://www.epa.gov/radiation/radionuclides/radon.html Radiation Protection.] U.S. Environmental Protection Agency, 2013. Truy cập 25 Dec 2014.</ref>

Tại Việt Nam đang dùng phổ biến là Máy đo hơi Radon [http://www.durridge.com/products_rad7.shtml ''Durridge RAD7''] (Mỹ).

== Đối tượng nghiên cứu ==
* [[Thạch quyển]]
* [[Thủy quyển]]

==Tham khảo==
{{tham khảo|25em}}

== Xem thêm ==
* [[Tia gamma]]
* [[Gamma spectroscopy]]
* [[Gamma ray spectrometer]]
* [[Scintillation counter]]

{{Commonscat|Geophysics}}
== Liên kết ngoài ==
{{Trái Đất}}
{{Khoa học Trái Đất}}
{{An toàn bức xạ}}
{{Địa vật lý thăm dò}}

[[Thể loại:Địa vật lý thăm dò]]
[[Thể loại:Địa vật lý]]
[[Thể loại:Vật lý học]]
[[Thể loại:Khoa học Trái Đất]]
[[Thể loại:Phóng xạ]]
[[Thể loại:Vật lý hạt nhân]]