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 do Bộ Khoa học và Công nghệ công bố trong Quyết định Số 2755/QĐ-BKHCN ngày 12/10/2012. .
Cơ sở phương pháp.
Trong đất đá tự nhiên có mặt các nguyên tố phóng xạ với các đặc trưng riêng biệt. Bố trí quan sát thích hợp sẽ xác định được sự có mặt và phân bố của chúng.
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 thực hiện trong hố khoan.
Máy đo.
Các máy đo trong 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.
Các máy đo đường bộ có thể tích hợp 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 , tuy nhiên các máy đo thăm dò phóng xạ hiện dùng Detector nhấp nháy, với kết cấu gồm có hai phần:
Hai kiểu tinh thể dò được dùng trong thăm dò:
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.
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 EL (Lower Level) và so ngưỡng trên EU (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 EL ≤ E &lt; EU.
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 "Gamma Surveyor" 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 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:
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:
Kết quả hiển thị ở dạng xung đếm được cũng như trị số hàm lượng quy ước.
Trong "Địa vật lý máy bay", 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 "máy đo phổ gamma máy bay Scintrex GAD-6" (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 "Máy xạ phổ đáy biển GA4K" .
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 hố khoan" thì dùng đầu đo phổ gamma hố khoan, ví dụ đầu đo Mount Sopris "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, huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình.
Đo gamma-gamma.
"Đo gamma-gamma" thường gọi là đo "Đo mật độ hố khoan" (Density log), thực hiện trong hố khoan, trong đó dùng nguồn tia gamma chiếu vào đất đá, rồi đo gamma ở các khoảng cách đến nguồn khác nhau. Các đất đá có mật độ cao thì tán xạ gamma mạnh hơn. Phương pháp này dùng cho đo 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. 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 137Cs. 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.
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.
Tại Việt Nam đang dùng phổ biến là Máy đo hơi Radon "Durridge RAD7" (Mỹ).