Xây dựng quy trình phân tích hàm lượng phóng xạ U, Th, K trong mẫu địa chất và môi trường

ĐẠI HỌC QƯÓC GIA HÀ NỘI T R Ư Ờ N G ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỤ N H IÊ N *********************** XÂY DỤ NG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG PHÓNG XẠ U, TH,K TRONG MẢU ĐỊA CHẤT VÀ MỒI T R Ư Ờ N G * MÃ SÓ QT-04-08 CHỦ TRÌ ĐẺ TÀI: PGS TS N G U Y Ề N TRIỆU TỦ CÁC CÁN B ộ THAM GIA: TS N g u y ễ n T r u n g T í n h C N N g u y ễ n Thị C h a n h KS T r ần T h a n h T â n C N Lê X u â n C h u n g C N N g u y ễ n N g ọ c H u y n h C N N g u y ễ n T iế n P h o n g HÀ NỘI - 2005 Mục Lục M đ ầ u Chuong I: Hệ phổ kế gamma hoạt độ nhỏ 1.1 1.2 1.3 1.4 Detectơ xạ g a m m a .5 Các n guồn tạo p h ô n g Thiết bị G i ả m p h ô n g Hệ phổ kế g a m m a hoat độ n h ỏ Chưoìig II: Xây dựng quy trình phân tích hàm lượng Uran, Thori, Kali : ’ „ 1 II Một số p h n g pháp xác định hàm lượng u 238, T h 232, K 40 m ẫ u 11 11.2 Khảo sát hiệu suất ghi tuyệt đối hệ phổ k ế 13 11.3 Khảo sát tích luỹ R n 222 cháu n ó 17 Kết lu ậ n 23 Tài liệu tham khảo 24 Mở đầu Ur anium , thorium, kalium đồng vị p h ó n g x có thời gian sổng dài; ng có m ặt k h ắ p nơi trái đất Tuỳ vào cấu tạo địa chất, vị trí địa lý, khí h ậ u , nhìn c h u n g h m lư ợ n g đồng vị k h n hỏ, nh ất mẫu môi trường D o việc xác định hàm lượn g c h ú n g tro ng m â u cân nghiên cứu th n g khó khăn k h ô n g phải lúc c ũ n g thực đ ợ c với độ xác m o n g muốn Ngoài ra, đổi với m ẫ u địa chất, m ộ t địi hỏi thực tê kh ơng n h ữ n g cần xác định hàm lượng nguy ên tố m ẫ u cân nghiên cứu với độ xác cần thiết mà phải đ ả m bảo đ ợ c vê m ặt thời gian (cần xác định nhanh) Đe xác định hàm lư ợn g đ n g vị p h ó n g xạ u , Th, K mẫu khảo sát, thực bằn g nhiều p h n g p h p c nhau; ch ăn g hạn n h p h n g pháp khối phổ gia t ố c , - Trong đề tài n ày c h ú n g quan tâm tới việc xác định hàm lượng đồ ng vị trực tiếp t h ô n g q u a việc xác định hoạt độ p h ó n g xạ c h ú n g bằn g p h n g pháp phổ bứ c xạ g a m m a C ó hai loại phổ kế đư ợ c sử dụng: Đó hệ phổ kế g a m m a nhấp nháy hệ p h ổ kế g am m a bán dẫn Hệ phô kê g a m m a nhấp nháy có ưu điểm hiệu suất ghi lớn, k hơng cần có nitơ lỏng kèm, thuận tiện đo đạc, vận chuyể n N h ợ c điểm hệ phô kê độ phân giải xấu p h ô n g cao Do hệ phổ kế g a m m a nhấp nháy th n g đư ợc d ù n g phép đo cần độ xác k hơng cao, th n g chi sử d ụ n g để xác định hoạt độ đ n g vị p h ó n g xạ mẫu địa chất Đẻ xác định hàm lượng m ẫ u môi tr n g với độ xác cao, cân plìải sử d ụ n g hộ phô kế g a m m a bán dẫn (với detector g e m a n iu m siêu tinh khiết (HP Ge) ) T r o n g đô tài này, c h ú n g khảo sát m ột số yếu tổ cần thiết c ủ a m ộ t hệ đo uam m a hoại độ nhỏ phục vụ việc xác định hàm lượn g đ n g vị p h ó n g xạ (U, Th, K) có m ẫu địa chất môi trư ờng đề suất qui trình xác định hàm lượng chủng Chương I Hệ phổ kế gamma hoạt độ nhỏ 1.1 D etectơ xạ gam m a N h trình b ày p hần m đầu, để xác định h m lư ợ n g đ n g vị ph óng xạ u , Th, K có t rong m ẫ u đo; hai hệ phổ kế t h n g đ ợ c sử d ụ n g là: - Hệ phổ kế g a m m a nhấp nháy với detectơ N al( T l) - Hệ phổ kế g a m m a bán dẫn với detec tơ HPGe Hệ phổ kế g a m m a nh ấp nháy (Nal(Tl)), có thành p h ầ n ch ín h nhấp nháy Nal(TI) ố n g nhân q u a n g điện Hệ phổ kể g a m m a bán dẫn, có thành phần lớp bán dẫn p-n Vói detectơ bán dan g e r m a n iu m , n ă n g lư ợ n g đê tạo cặp điện tử- lỗ trống 2,9 eV; đê tạo m ộ t ph otoelectron tinh the Nai cần n ă n g lượn g k h o ả n g lOOOeV Do m ộ t bứ c xạ g a m m a lượng l M e V đ ợ c hấp thụ hoàn toàn tro ng detectơ bá n dẫn tạo 350.000 cặp điện tử- lồ trổng; với nhấp nháy N a i , tạo 4.000 q u a n g điện tử Phô xạ g a m m a cletectơ bán dan đặc tr u n g thành phần sau: - Phân giải n ăn g lư ợ n g cua detectơ - Hiệu suât ghi detecto' - Tỷ sô đỉnh/ C o m p to n Tỷ sỗ đinh/ C o m p t o n (hình l , b ả n g l ) đặc t r n g q u an trọ ng detecto xạ g a m m a ; xác định tỷ sổ g i ữ a độ cao đỉnh hấp thụ toàn phần 1332 keV đ n g vị C o 60 đặt cách detec to c m chia cho độ cao trung bình C o m p to n liên tục k h o ả n g từ 1040 kcV đến !096kc V Tỷ số phụ thuộc vào kích thước bàn chất detccto, có giá trị từ 20- 90 Hình Tỷ số đỉnh C o m p to n det ec to H P G e Bảng Các giá trị tr on g phổ tính tỷ số đỉnh/nền C o m p t o n detecto H P G e A ROI c G 30394 511 87 44482 A- số đếm kênh cao vù ng đỉnh; ROI- sổ đếm kê nh vùng quan tâm; C- số kên h v ù n g quan tâm; G- số đếm tổ ng c ộ n g t rong v ù n g qu an tâm T so liệu b ản g ta tính đư ợ c tỷ số đỉnh C o m p t o n : Tỷ số đỉnh / C o m p t o n - A / R O I = : 1.2 Các nguồn tạo phông Các yêu tô tạo nên p h ô n g bao gô m nguyên nhân sau: - Hoạt chât p h ó n g xạ a vật liệu làm detecto - I loạt cliât p h ó n g xạ chử a vật liệu x u n g qua nh detecto - Tia vù trụ Tia vụ trụ độ cao b a n g mặt nước biển chia làm hai th ành phàn: T h n h phần n g (ch iếm % ) thành phần m ề m (chiếm 27 % ) T h n h phần círne, bao gồm hạt m u o n nucleon M u o n có khả n ă n g đâm xu yên lớn; để loại trừ thành phần cần có hệ trùng phùng T hà nh p h ầ n m ề m tia vũ trụ gồm có hạt electron, pos ition, g am m a T h n h phần loại bỏ bừi chì d y c ỡ lOcm C n g độ tia vũ trụ thay đổi theo thởi gian p h ụ thuộ c v rât nhiêu yêu tô; tr n g hợp đo hoạt độ nhỏ (thời gian đo lâu) cần ý tới thành phẩn Các chất p h ó n g xạ có tr on g vật liệu làm detecto c ũ n g tham gia tạo nên p h n g phóng xạ Với tinh thổ Nal(TI), p hơ ng p hóng xạ tạo s ự p h ó n g xạ Th, Ư đặc biệt K 4I) Do chế tạo vật liệu có độ tinh khiết cao, dctccto I IPGe có p h n g p hóng xạ gây vật liệu làm de tecto thấp B ản g cho biết hoạt độ p h ó n g xạ có m ột sổ vật liệu Báng 'l o t độ p hóng xạ có số loại vật liệu ( m B q / g ) loại vật liệu T h 2J2 Ư2J8 K AI 0,7 0,07 0,9 Ti 0,004 0,06 0,02 Cu 0,04 0,06 0,2 Ge 0,02 0,02 0,2 Fe 0,01 0,01 0,1 M gO 0,2 0,3 0,4 Bức xạ từ vật liệu x u n g quanh hệ phổ kế vậ t liệu chử a chất p h óng xạ thuộc dãy lirợng u 238, T h 232, Ư 235 tồn u 2-'8 đất đá cỡ 1ppm; Báng du a hoạt độ p h ó n g từ hình th n h trái đất H m T h 232 cỡ 10 ppm củ a K 40 cỡ 0,1 - % xạ trung bình số vật liệu xây d ự n g Bản g Hoạt đ ộ trung bình m ộ t số vật liệu xây d ự n g (Bq/kg) R a 226 Loại vật liệu " T h z-'2 G ran it 700 60 60 Cát 200 10 10 Ceramic 500 30 40 Clanhke 600 60 70 60 10 Đá 1.3 Thiết bị giảm phông Phơng p h ó n g xạ thành phần bên ngồi g ây nên giảm đư ợ c che chan; có hai loại che chăn: che chắn thụ độ ng che c h ắ n tích cực - Che chăn thụ động: Dùng vật liệu có khả ngăn cản p h ó n g xạ tốt (các vật liệu có số khối lỏn) Pb, w , Mo, Cu, Fe C ác vật liệu cần phải vật liệu Hệ che chắn thụ đ ộ n g t h n g có cấu tạo n h sau: Ngồi c ù n g lóp Pb, sau đến lớp Cd (để hấp thụ bứ c x 72 k e V Pb), lớp Cu (hấp thụ tia X Cd), cuối cù n g lớp che c h ắ n bới vật liệu có so z nhỏ hon Cu (dổ hấp thụ tia X đặc tn rn g Cu) - Che chắn tích cực: C he chăn tích cụ c t h n g hệ trùn g p h ù n g h o ặc đối trùng, hệ có hiệu việc loại bỏ tia vũ trụ 1.4 Hệ phổ kế gam m a hoat độ nhỏ Phô kế g a m m a d ù n g để xác định n ă n g ỉirợng h o t độ xạ gam m a có mầu đo N ă n g lượn g xạ g a m m a đ ợ c xác định bời vị trí dinh hâp thụ tồn phân cua xạ tới detecto C n g độ củ a xạ đ ợ c xác đinh qua diện tích cùa đỉnh hâp thụ tồn ph ân Phơ xạ g a m m a ghi nhận hệ phân tích biên độ nhiều kênh th n g đ ợc x lý b ằ n g m y tính Tuy nhiên, n h ữ n g đ n h giá ban đầu hữu ích việc lựa ch ọn p h n g pháp tổi ưu xử lý phổ P h ổ xạ g a m m a g m đỉnh n ă n g lư ợ n g n ă m C o m p to n liên tục phơng Diện tích đỉnh phổ- s , p h n g C o m p to n B miền đỉnh phổ (hình 2.) xác định n h sau: Hình P h n g pháp xác định diện tích đỉnh phổ Gọi k sổ kênh d ù n g tính diện tích đỉnh phổ, I- số kê nh d ù n g tính phơng; s„ - sơ đèm kê nh thứ n vùng tính diện tích đỉnh phổ; Bj, Bj - số đếm cùa p hông k ên h bên trái phải đỉnh phổ Khi diện tích đỉnh phổ có thê tính theo c ô n g thức sau: Và p h n g sai nó: Với p h ép đo hoạt độ nhỏ, thời gian đo m ẫ u t h n g k h lớn, cần phải tính tốn thời gian đo tối ưu cho đo m ẫu đo ph ông T cự c tiểu độ lệch chuẩn: cr = Ậ S + B ) / t + B / í tìm tỷ số thời gian tối ưu cho đo m ẫu - Ts v đo p h ô n g - T[ị : Ts Ỉ T ữ = J ( S + B ) / B Dặt T= T s+ T[Ị K = *J(S + B ) ! D , c h ú n g ta có: Ts= TK/( 1+ K) T b= T/( 1+ K ) Moạt độ p h ó n g xạ nhỏ đo L ọ đ ợ c xác định biểu thức sau: L ọ = ( / / + n ( B ) ! { t e I ỵơ 2) với: Iy- suất lư ợng ph át xạ g a m m a - hiệu suất ghi xạ g a m m a (có hệ số phát ỉy) hệ p h ổ kế Chương II Xây dựng quy trình phân tích hàm lượng Uran, Thori, Kali H àm lư ợng đ n g vị p h ó n g xạ Ư 238, T h 232, K 40 tro ng m ẫ u địa chất, đặc biệt m ẫ u môi trư ờng th n g nhỏ Do để có thê xác định chúng với độ ch ính xác cao cần phải có hệ đo với độ n h y cao p h ô n g thấp t 11.1 Một số phư ơng pháp xác định hàm lượng u 238, Th232, K40 mẫu Hàm lư ơng K 4t) tro ng m ẫu nghiên cứu đ ợ c xác định q u a đỉnh n ă n g lượn g đặc tn rn g 1460,8 k e V Với u 238, T h 232, hai đ n g vị bắt đầu hai họ phóng xạ (hình 3) T h o r i u m th n g x ác định q u a đỉnh nă ng lượng 238,6 k e V đ ược phát P b 212 đỉnh n ă n g lư ợ n g 261 ,6 k e V phát TI208, U r a n iu m thư ờng xác định qua đỉnh 609,3 keV đỉnh năn g lư ợ n g 1764,6 keV phát B i 214 Do B i214 sản ph ẩm cháu R n 222 có chu kỳ bán huỷ 3,82 ngày R n 22 chất khí, nên phải giữ lại m ẫ u b ằ n g cách nhốt hộp m ẫu kín để đảm bả o cân phóng xạ C hu kỳ bán huỷ củ a R n 222 3,82 ngày; nên để sai sổ phép đo ảnh hưởng cùa chư a cân b ằ n g p h ó n g xạ hoàn toàn nhỏ hơ n 1%, cần phải nhốt mẫu nhât 27 ng ày (> chu kỳ bán huỷ) Hai p h n g p h p sau đư ợ c sử dựng để xác định hàm lư ợ n g uran ium , thorium, kal ium mẫu: - P h n g ph áp t n g đối: Với p h n g p h áp này, phô xạ g a m m a m ẫ u c h u ẩ n m ẫ u cần nghiên cứu ghi nhộn Hệ phổ kế xác định diện tích đỉnh p h ổ đặc trư ng cho đồng vị T ỷ số diện tích tính tốn T r ê n c sở tỷ sổ n h th ô n g sô cùa hệ phô kế hàm lư ợng đ n g vị cần quan tâm biết m ẫ u chu ẩn , ta xác định hàm lư ợng đ n g vị mầu cần nghiên cứu - P h n g pháp tu yệt đối Phư ơng pháp nà y k h ô n g cần m ẫu chuẩn hàm: H m lư ợ n g đ n g vị cần quan tâm đư ợ c xác định trực tiếp qua số liệu ghi đ ợ c p h ổ (nh diện tích đỉnh phố, ) thông số hệ phổ kế ( n h hiệu suất ghi, )Tron g đê tài này, c h ú n g quan tâm tới p h n g pháp th ứ 2; xác định hàm lượng ura nium, tho riu m , kalium b ằn g p h n g phcỉp tuyệt đối T rong p h n g p h p tuyệt đối, phổ xạ g a m m a củ a m ẫ u nghiên cứu kháo sát; dính phổ n ăn g lượn g đặc trung: đỉnh 609 k e V cho u 238, đỉnh 238 keV cho T h 232; đỉnh 1460 cho K 40 xác định xác vị trí diện tích T h ô n g q u a t h ô n g tin có đỉnh phô đặc trưng, người ta xác định hoạt độ đ n g vị phát xạ: H- hoạt độ đ n g vị ph át xạ đặc trung I- suất lượng vạch n ă n g lượng đặc trưng 8- hiệu suất ghi xạ đặc trưng cùa hệ phô kế m- khối lượng m ẫ u đo t- thời gian đo S- diện tích din h phô C h ú n g ta nhận thấy, diện tích đỉnh phổ s đ ọ c xác định p h ổ xạ ghi nhận được; suất lư ợ n g xạ I tìm thấy b ả n g tra cứu; khối lượng mẫu đo m xác định trước đo; thời gian đo t xác định đo Còn m ột đại lư ợn g cần xác định hiệu suất ghi tu yệt đối hệ phổ kế 12 11.2 Khảo sát hiệu su ất g h i tuyệt đối hệ phổ kế N h tro ng c h n g I trình bày, hiệu suất ghi cùa hệ ph ổ kế g a m m a bán dẫn phụ thuộc vào n ă n g lư ợng có d ạn g phức tạp T r o n g “ S u r v e y in g the HPGe detector ab solu te ef fi ciency ” ch ú n g khảo sát phụ thuộc hiệu suât ghi tuyệt đối detec to H P G e v năn g lượn g xạ tới với n g u n có d ạn g đĩa, đư n g kính 1cm đặt cách detecto cm Ket n h sau: Bảng Sổ liệu thực n ghiệ m hiệu suất ghi tuyệt dổi cùa hệ phổ kế Gieni 2000 Order Number Energy (KeV) ly (%) Count Count per sccond Detecti on efficiency Ac ti vi ty o f source 10 3889 1057.0718 0.0098±1.72% 5740 1.5944 265.9770 0.0060±2.71% 26 0.0747 14 8988 0.0050±1,16% 15 500 4.3056 937.2059 0.0046±2.01% 2.8832 1320 0.3667 99.3438 0.0037±4.82% 688.62 0.8514 220 0.0611 29.3359 0.0021±13.6% 778.91 12 87 3 10 0.9194 438.2368 0.0021 ± % 867.39 4.0963 852 0.2367 14 1 25 00 7±6.36% 964.05 14.3344 2990 0.8306 493.9075 0 ± 17% 10 05 0.6364 134 03 72 21.9306 1960 0.5444 347.8895 56 0.0989 62.4172 0 ± 16% 2560 0.0711 461.8565 00 5±3.02% 12 77 93 30.6788 244.6927 7.7193 295.96 0.4324 344.32 27 444.03 10 37400 0 17± 16.81% ]] 1085.81 96 12 1089 73 1.8115 13 11 12 42 14 121 94 496 30 0.0639 51.5463 0 2± l 1.24% 15 1299 1.74624 24 68 60.1686 0011 ± 1.16% 16 408 08 20.7264 3140 0.8722 714.1509 0012±2.81% 0 ± 6% C hú ng k hớ p đ n g c o n g hiệu suất ghi theo hai biểu thức sau: e = ỵ p ,E -' £= (2.2) |n(£ )" Kct kh p n h sau: £ | ( E ) = 1.65095 E ' 1- 30.281 E'2 - 3103.08 E' (2.3) 82(E) = ( l n E ) ' ' -7 620 22 (InE)'2 + 9 ( ln E ) ° - 1(1nE)- 13 Hiệu suất ghi tuyệt đổi 0.012 0.01 0.008 0.006 0.001 0.00? • • ?no 80D 400 ìnno Ì^inn 1200 krV , Hình Hiệu suất ghi tuyệt đối detecto H P G e nguồn đĩa đ n g kính l c m 0.04!: * 035 - 3& ? « 0.04 - Thí222) * KKO) 0.03 025 - 02 - 015 0.01 - 0.005 0 00 000 500 2000 2500 E, keV Hình n i ệ u suât ghi tuyệt đôi de tecto H P G e n g u n m ầu c h u â n u, Th, K ch ứ a tr on g h ộ p n h ự a hình trụ 14 Mình C ác đỉnh có mẫu ch uẩn để ch uẩn hiệu suất ghi 15 Bảng Các đỉnh n ă n g lư ợ n g dùng xác định hiệu suất ghi củ a hệ phổ kế I IPGe Đ ô n g vị N ă n g lượng Suât lượng R r 2ì ( 186,1 0,05 789 Pb"4 295,1 0,185 Pb214 352,0 0,358 B\m 768,4 0,05 Bi214 934,0 0,032 Bi^1 ỉ 120,3 0,15 Bi214 1238,1 0,059 Bi214 1377,7 0,04 B izl4 1764,5 0,159 Bi214 2204,1 0,05 A c in 338,4 0,124 Bi212 727,3 0,067 * 21H Ac 794,8 0,046 860,3 0,043 911,2 0,29 966,8 0,232 1460,8 0,1066 Y|2()8 A c 22ii K4" Đe xác định hiệu suất ghi hệ phổ kế phụ thuộc vào n ăn g lượn g xạ g a m m a ghi n h ận trư n g hợp mẫu đo k h ô n g có d n g hình đĩa, m có dạn g hình trụ, c h ú n g tơi sử d ụ n g mẫu chuân u, Th, K đ ự n g t rong hộp hình trụ (hộp sứ d ụ n g đo m ầu cần nghiên cứu) Các sô liệu cho bảníi hỉnh 4, hỉnh 16 11.3 Khảo sát tích luỹ Rn222 cháu N h trình b ày phần II khó khăn việc xác định hàm lượn g u 21s m ẫu nghiên cứu m ẫu cần phải đư ợ c nhốt kín nliât 27 ngày trước đo m u ố n sai số điều gây k h ô n g vư ợ t 1% Liệu có giải pháp tránh đ ược việc phải c h tới th n g sau ch u ân bị mâu tiến hà nh đo kh ông C c tác giả M au ziori et al k h ảo sát trình Sau m ẫ u đ ợ c x lý nhốt kín c h ú n g ta có hệ thức sau: dN, P - W , dí (IN ~dt (IN( = ẲliN l ỉ - Ẳ c N c (2.4) ~dí (ỈN, = ẢCN c - Ấn N n dt Vói p- h ằn g số tốc dộ san phấm R n 222 A, B c, D- k ý hiệu ch o hạt nhân R n 222, P o 218, P b 214, B i 2l4tư n g ứng C h ú n g ta giả thiết rang phần 4, dó cùa R n 222 tạo li n lục bị phái từ m ẫu n guyên khối, m ộ t phần khác -X khác thoát tro ng qu trình xử lý mẫu (nghiền, x a y , D o ta có < < 1; 0< X