Toàn văn nghiên cứu xác định hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố nặng trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ alpha

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ CÔNG HẢO NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG PHÓNG XẠ MỘT SỐ NGUYÊN TỐ NẶNG TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ ALPHA Chuyên ngành: Vật Lý Nguyên tử và Hạt nhân Mã số chuyên ngành: 62 44 05 01 Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Trung Tín Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Văn Hùng Phản biện 3: TS. Trương Thị Hồng Loan Phản biện độc lập 1: PGS. TS. Lê Hồng Khiêm Phản biện độc lập 2: TS. Nguyễn Đông Sơn NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Châu Văn Tạo 2. TS. Nguyễn Văn Đông Tp. Hồ Chí Minh - 2013 i Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự Do - Hạnh Phúc oo0oo LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi hoặc cùng với các Thầy hướng dẫn khoa học. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất cứ công trình nào và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án ii LỜI CẢM ƠN Bên cạnh sự tự nỗ lực từ bản thân để có được các kết quả tốt trong nghiên cứu và hoàn thành luận án, tác giả luận án còn nhận được sự quan tâm và giúp đỡ tận tình của rất nhiều người. Tác giả xin bày tỏ lòng trân trọng và cảm ơn đến: Bậc sinh thành cùng với gia đình, những người đã luôn sát cánh, động viên và ủng hộ tôi về mặt tinh thần. Thầy PGS.TS. Mai Văn Nhơn, cựu trưởng bộ môn Vật lý Hạt nhân, người đã đưa ra những quyết định mang tính chất bước ngoặt trong sự nghiệp khoa học của tôi hiện nay thông qua việc hướng dẫn thành công luận án thạc sĩ của tôi vào năm 2008. Tôi xin được cảm ơn Thầy hướng dẫn chính cho luận án tiến sĩ của tôi, một người gương mẫu trong tinh thần thái độ làm việc đầy trách nhiệm cũng như sự nghiêm túc và trung thực trong nghiên cứu khoa học. Khi bắt đầu thực hiện luận án này, ngoài hệ phổ kế alpha, mọi thứ như máy móc và phương tiện phục vụ cho thí nghiệm mà tôi có trong tay gần như là con số không. Chính trong bối cảnh thiếu thốn như vậy, Thầy và thầy hướng dẫn phụ cho luận án tiến sĩ của tôi luôn là những người động viên và giúp đỡ tôi trong vấn đề trang bị các máy móc và phương tiện phục vụ cho thí nghiệm. Ngoài ra, Thầy còn là người đầu tiên gợi ý cho tôi trong vấn đề vươn tới tầm quốc tế thông qua việc công bố các nghiên cứu của mình trên các tạp chí khoa học quốc tế có uy tín cũng như trong các hội nghị khoa học. Kết quả sau nhiều năm nỗ lực, tôi và Thầy đã có chung với nhau ba bài báo công bố quốc tế và nhiều bài báo trong nước cũng như trong các hội nghị khoa học. Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã luôn tạo điều kiện tốt để tôi có thể thực hiện việc nghiên cứu khoa học phục vụ cho luận án này. Thầy PGS.TS Nguyễn Nhật Khanh, PGS.TS. Đặng Văn Liệt với cương vị cựu Trưởng Khoa, TS. Lê Vũ Tuấn Hùng & TS. Huỳnh Trúc Phương, Phó trưởng Khoa Vật lý & Vật lý Kỹ thuật, Thầy ThS. Trần Phong Dũng Trưởng Phòng Tổ Chức và iii Cô TS. Trương Thị Hồng Loan, Phó trưởng bộ môn Vật lý Hạt nhân đã luôn động viên nhắc nhở, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm luận án. Ban Giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Tp.Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi – các nghiên cứu sinh trong trường trong việc thực hiện các dự án khoa học, cung cấp nguồn kinh phí để thực hiện các đề tài khoa học phục vụ cho luận án. TS. Trần Văn Hùng, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, PGS. TS. Nguyễn Nhị Điền, TS. Nguyễn Văn Hùng và PGS. TS. Nguyễn Trung Tính đã có những đóng góp ý kiến quý báu trong quá trình làm luận án của tác giả. Cử nhân (CN) Ninh Đức Tuyên, CN Nguyễn Văn Mai, ThS. Thái Mỹ Phê, CN Đào Văn Hoàng, Phòng An toàn Bức xạ và Môi Trường, Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM, đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để cho tôi mượn các nguồn chuẩn, mẫu chuẩn và đầu dò alpha PIPS phục vụ cho việc thí nghiệm. Và cuối cùng tôi cũng xin được cảm ơn TS. Surbeck đã gởi các mẫu đĩa MnO 2 dùng cho việc phân tích thử nghiệm đồng vị 226 Ra, GS. Itahashi về những thảo luận cũng như những góp ý quí báo trong các vấn đề thực nghiệm, Bộ Giáo dục, Văn hoá, Thể thao, Khoa học và Kỹ thuật Nhật Bản (MEXT) và trường Đại học Hokkaido Nhật Bản đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia nghiên cứu nâng cao chuyên môn trong khoảng thời gian từ 10/2011 đến 3/2012. Tp.Hồ Chí Minh ngày tháng 02 năm 2013 iv MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iv Bảng các chữ viết tắt vii Danh mục các bảng ix Danh mục hình vẽ xi Mở đầu 14 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7 1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến việc xác định hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố kim loại nặng trong mẫu môi trường bằng hệ phổ kế alpha 7 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 8 1.1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 17 1.1.3. Những vấn đề còn tồn tại và liên quan đến luận án 18 1.2. Tổng quan lý thuyết về alpha 20 1.2.1. Các họ phóng xạ tự nhiên Uranium và Thorium trong môi trường 20 1.2.1.1. Chuỗi phân rã Uranium 21 1.2.1.2. Chuỗi phân rã Thorium 26 1.2.2. Đặc điểm của hạt alpha 27 1.2.3. Sự mất năng lượng của hạt nặng mang điện nói chung và hạt alpha nói riêng trong môi trường vật chất 28 1.2.3.1. Quãng chạy của hạt mang điện 29 1.2.3.2. Quãng chạy và năng suất hãm tương đối của hạt alpha trong vật chất 30 1.2.3.3. Sự mất mát năng lượng do quá trình ion hoá và công thức Bethe 31 1.3. Kết luận chương 1 32 v CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THƯỜNG ĐƯỢC SỬ DỤNG CHO VIỆC PHÂN TÍCH CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG HỆ PHỔ KẾ ALPHA 33 2.1. Giới thiệu 33 2.2. Thu thập và chuẩn bị mẫu đo 36 2.2.1. Sự ràng buộc thời gian 37 2.2.2. Sấy khô mẫu 37 2.2.3. Xử lý mẫu nước 38 2.3. Tro hoá và hoà tan mẫu 38 2.4. Các chất đánh dấu được sử dụng trong phân tích mẫu bằng hệ phổ kế alpha. 40 2.4.1. Đồng vị uranium 41 2.4.2. Đồng vị thorium 42 2.4.3. Đồng vị radium 43 2.4.4. Đồng vị polonium 44 2.5. Các quy trình tách hoá phổ biến 45 2.5.1. Polonium-210 45 2.5.2. Chì ( 210 Pb) 47 2.5.3. Đồng vị uranium 48 2.5.4. Đồng vị thorium 49 2.5.5. Đồng vị radium 50 2.6. Các phương pháp tạo mẫu đo phù hợp cho phép phân tích sử dụng hệ phổ kế alpha 53 2.6.1. Phương pháp lắng đọng tự phát polonium 53 2.6.2. Phương pháp mạ điện phân với dung dịch đệm sulfate, hữu cơ alcohol và ammonium acetate/ acid nitric 55 2.6.3. Phương pháp đồng kết tủa 56 2.7. Kết luận chương 2 57 vi CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH NHANH CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN URANIUM, THORIUM, RADIUM VÀ POLONIUM TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG HỆ PHỔ KẾ ALPHA 59 3.1. Giới thiệu 59 3.2. Dụng cụ, thiết bị và hoá chất phục vụ cho thí nghiệm 61 3.2.1. Hoá chất 61 3.2.2. Dụng cụ và thiết bị hỗ trợ 62 3.2.3. Thiết bị phân tích hoạt độ phóng xạ alpha 63 3.2.3.1. Buồng chân không 64 3.2.3.2. Đầu dò Alpha PIPS 64 3.2.3.3. Các thông tin về nguồn chuẩn 65 3.3. Xây dựng quy trình tách chiết thorium và tạo nhanh nguồn alpha thorium và uranium 65 3.3.1. Thiết kế bộ dụng cụ điện phân 65 3.3.2. Quy trình tách chiết thorium 66 3.3.3. Quy trình tạo nhanh nguồn alpha thorium và uranium bằng phương pháp mạ điện phân kết tủa 68 3.3.3.1. Chuẩn bị dung dịch uranium và thorium cho việc tạo nguồn alpha 68 3.3.3.2. Quy trình điện phân tạo nhanh nguồn alpha thorium và uranium 68 3.3.3.3. Các kết quả và thảo luận quy trình tạo nhanh nguồn alpha thorium và uranium bằng phương pháp mạ điện phân kết tủa 70 3.4. Phát triển quy trình xác định nhanh đồng vị phóng xạ radium trong mẫu môi trường bằng đĩa hấp thu MnO 2 . 77 3.4.1. Giới thiệu 77 3.4.2. Quy trình tạo đĩa MnO 2 dùng để hấp thụ 226 Ra. 78 vii 3.4.3. Bố trí thí nghiệm hấp thu 226 Ra bằng đĩa MnO 2 . 80 3.5. Phát triển quy trình xác định nhanh đồng vị phóng xạ polonium trong mẫu môi trường bằng đĩa đồng. 83 3.5.1. Giới thiệu 83 3.5.2. Quy trình lắng đọng 210 Po trên đĩa đồng 84 3.6. Xây dựng quy trình xác định nhanh và đồng thời các đồng vị phóng xạ tự nhiên uranium, thorium và radium trong mẫu dung dịch và mẫu rắn bằng hệ phổ kế alpha 86 3.6.1. Giới thiệu 86 3.6.2. Quy trình phân tích polonium, uranium, thorium và radium 86 3.6.2.1. Xử lý hoá mẫu (hoà tan mẫu) 86 3.6.2.2. Tách hoá đồng vị polonium 87 3.6.2.3. Tách hoá đồng vị uranium 87 3.6.2.4. Tách hoá đồng vị thorium 88 3.6.2.5. Tách hoá đồng vị radium 88 3.6.2.6. Kết quả và thảo luận 90 3.7. Kết quả phân tích thử nghiệm mẫu nước và mẫu thuốc lá 95 3.7.1. Kết quả phân tích thử nghiệm mẫu nước uống đóng chai 95 3.7.2. Kết quả phân tích thử nghiệm mẫu thuốc lá 96 3.8. Kết luận chương 3 99 Kết luận chung 100 Tài liệu tham khảo 108 Phụ lục 122 xiv MỞ ĐẦU Lần đầu tiên xuất hiện vào những năm đầu của thập niên 1960 và trải qua hơn năm mươi năm của sự không ngừng được cải tiến và phát triển, có thể nói các đầu dò bán dẫn germanium siêu tinh khiết (HPGe) hay Silicon (Si) ngày nay đã đem lại một cuộc cách mạng hoá trong nhiều lĩnh vực ứng dụng của khoa học và kỹ thuật hạt nhân. Công nghệ tiên tiến, hiệu suất ghi nhận cao cùng khả năng phát hiện và phân biệt được nhiều đồng vị có năng lượng từ thấp cho đến trung bình hay cao tốt… luôn là tâm điểm thu hút cho những vị trí chính yếu trong các phòng thí nghiệm phân tích phóng xạ nói chung và môi trường nói riêng [59], [62], [94], [95]. Việc sử dụng các đầu dò bán dẫn đã giúp cho các phòng thí nghiệm phân tích phóng xạ đạt được các kết quả nhanh hơn và chính xác hơn trong việc phân tích các mẫu môi trường hay trong các ứng dụng nghiên cứu địa chất. Ở Việt Nam hiện nay, các viện như Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt hay Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM cùng với sự trợ giúp của Cơ Quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) đã trang bị hầu hết các hệ phổ kế (alpha và gamma…) hiện đại cho việc nghiên cứu và ứng dụng phân tích mẫu môi trường hoạt độ thấp. Cũng trên tinh thần đó, vào năm 2004 dưới sự trợ giúp chính của IAEA và Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam (VAEI) thông qua chương trình “Phát triển nguồn nhân lực”, Phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân chuyên đề của Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp. HCM đã được trang bị một hệ phổ kế Alpha Analyst phông thấp loại 7401 với hai đầu dò bán dẫn PIPS. Như vậy, thông qua chương trình “phát triển nguồn nhân lực” nói trên, luận án này được thực hiện với mục đích nghiên cứu, xây dựng và phát triển các quy trình phân tích hay các quy trình tạo mẫu phân tích và khai thác có hiệu quả hệ 2 phổ kế này trong phân tích phóng xạ nói chung, môi trường nói riêng hay trong khảo sát địa chất định tuổi các mẫu vật quan trọng. Như chúng ta đã biết, lịch sử hình thành Trái đất thì gắn liền với các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Thật vậy, khi được phát hiện khoảng hơn một trăm năm qua cho đến ngày nay bởi Marie Curie, radium (trong tự nhiên phổ biến nhất là các đồng vị 226 Ra, 224 Ra và 228 Ra) được xem là một trong những nguyên tố phù hợp và hữu ích nhất được ứng dụng trong việc khảo sát địa chất. Như vậy, sự tạo thành radium từ sự phân rã phóng xạ của chuỗi uranium và thorium sẽ cho chúng ta nhiều thông tin rất hữu ích trong việc định tuổi mẫu vật hay các thông tin về địa chất. Do phân bố rộng rãi trên lớp vỏ Trái đất, nên radium có mặt trong hầu hết các loại đất đá, trong nước mặt, nước ngầm,… với hàm lượng khác nhau, đặc biệt tập trung nhiều trong trầm tích và các mẫu khoáng chứa uranium và thorium. Là sản phẩm phân rã từ các đồng vị nguyên thủy, 226 Ra tích tụ hàng vạn năm trong các lớp trầm tích và một phần khuếch tán theo dòng chảy của nước ngầm qua các khe hở đất đá. Hàm lượng 226 Ra trong nước phụ thuộc vào thời gian lưu trú hay tốc độ dòng chảy của nước, nước chảy càng chậm hàm lượng 226 Ra càng cao. Do đó nước ngầm có hàm lượng 226 Ra rất cao so với nước mặt và nước đại dương. Như vậy, việc nghiên cứu và xác định một số các đồng vị phóng xạ hay hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố kim loại nặng trong mẫu môi trường đang và sẽ là một trong những vấn đề thu hút sự nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới hiện nay. Nhìn chung hiện nay, việc đánh giá liều phóng xạ môi trường hay ảnh hưởng của bức xạ lên môi trường và sức khoẻ con người đang là thách thức lớn cho các nhà khoa học bởi tính phức tạp trong chuỗi dây chuyền hấp thụ phóng xạ từ môi trường vào cơ thể con người. Những đồng vị phóng xạ tự nhiên thuộc các chuỗi phóng xạ như 238 U, 235 U và 232 Th thì thường phân bố không đều trên lớp vỏ của trái đất nên cơ chế chuyển hoá của chúng từ các lớp đất, đá đến động vật, thực vật hay con người là khác biệt nhau rất nhiều. Điều này sẽ dẫn đến rất nhiều khó khăn trong thử nghiệm, phân tích cũng như đo lường trong công tác điều tra bức xạ môi trường [...]... lượng mà ở đó việc yêu cầu xác định các hạt nhân phóng xạ phải được thực hiện nhanh chóng và chính xác Hiện nay có nhiều phương pháp phân tích đồng vị phóng xạ trong môi trường như: phương pháp hóa phóng xạ, phương pháp đo phổ alpha, nhấp nháy lỏng, nhiệt huỳnh quang, khối phổ kế, phương pháp phân tích kích hoạt neutron và phương pháp đo phổ gamma phông thấp… Trong đó:  Các phương pháp hóa phóng xạ. .. hoạt độ thấp của các đồng vị phóng xạ nói chung hay hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố kim loại nặng trong mẫu môi trường nói riêng Bên cạnh cơ sở lý 6 thuyết về hạt alpha, một số vấn đề tồn tại và liên quan đến luận án cũng đã được đưa ra Chương 2 trình bày một số phương pháp thường được sử dụng cho việc phân tích các đồng vị phóng xạ trong mẫu môi trường bằng hệ phổ kế alpha Mục đích của chương này... hạt alpha của đầu dò chỉ phụ thuộc vào hệ số hình học, do đó các kết quả nhận được là khá chính xác Như vừa trình bày ở trên, do tại Việt Nam hiện nay không có nhiều nhóm nghiên cứu, phân tích và xác định hoạt độ thấp của đồng vị phóng xạ hay hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố kim loại nặng trong mẫu môi trường bằng hệ phổ kế alpha Do đó, mục tiêu của luận án là nghiên cứu ứng dụng hiệu quả hệ phổ. .. chung một số mục đích quy về tính đơn giản, nhanh chóng, tiện lợi và chính xác trong phép phân tích 8 Dưới đây liệt kê vắn tắt một số công trình trên thế giới cũng như tại Việt Nam liên quan đến vấn đề phân tích cũng như xác định hoạt độ thấp của đồng vị phóng xạ hay hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố kim loại nặng trong mẫu môi trường bằng hệ phổ kế alpha và những vấn đề liên quan 1.1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN... hạn chế sự tồn tại vượt quá 5 µg barium trong dung dịch [15] 1.1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TẠI VIỆT NAM Tại Việt Nam hiện nay không có nhiều nhóm nghiên cứu, phân tích và xác định hoạt độ thấp của đồng vị phóng xạ hay hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố kim loại nặng trong mẫu môi trường bằng hệ phổ kế alpha Năm 2004, ở Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM, có nhóm của Nguyễn Văn Sức, Ngô Quang Huy và Trịnh Thị Bích... tâm trong mẫu cần đo [104]  Phương pháp đo phổ alpha đòi hỏi quá trình xử lý mẫu rất phức tạp nhưng bù lại cho phép xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong dãy uranium, thorium một cách thật chính xác [32], [88]  Phương pháp đo phổ gamma có khả năng đo trực tiếp các tia gamma do các nhân phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách các nhân phóng xạ ra khỏi chất nền của mẫu, giúp ta xác định. .. thấp của một số mẫu môi trường như mẫu nước uống và thuốc lá 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN VIỆC XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG PHÓNG XẠ MỘT SỐ NGUYÊN TỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG HỆ PHỔ KẾ ALPHA Những đồng vị phóng xạ tự nhiên thuộc các chuỗi phóng xạ như 232 238 U, 235 U và Th thì thường phân bố không đều trên lớp vỏ của trái đất nên cơ chế... phân tích hay các quy trình tạo mẫu phân tích và khai thác hiệu quả hệ phổ kế alpha trong phân tích hoạt độ thấp của đồng vị phóng xạ hay hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố kim loại nặng trong mẫu môi trường Sau đó, các quy trình phân tích và tạo mẫu này đã được ứng dụng vào việc phân tích một số mẫu lỏng như nước uống đóng chai cũng như các mẫu thuốc lá dạng sợi (mẫu hữu cơ) được sản xuất tại Việt... định một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ trong mẫu Đồng thời phương pháp này còn là phương pháp phân tích phù hợp cho các mẫu sinh học, lương thực, thực phẩm và môi trường như đất, nước, không khí, trầm tích [10], [11] Như vậy, trong các phương pháp nêu trên, hệ phổ kế gamma hiện nay được xem là một trong những công cụ hữu hiệu cho phép chúng ta xác định được cùng lúc nhiều đồng vị phóng. .. các quy trình tạo mẫu phân tích Sau đó áp dụng chúng vào việc phân tích hoạt độ thấp của đồng vị phóng xạ hay hàm lượng phóng xạ của một số nguyên tố kim loại nặng trong mẫu môi trường bằng hệ phổ kế Alpha Analyst Nội dung của Luận án bao gồm ba chương: Chương 1 là phần tổng quan, trình bày tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam liên quan đến việc sử dụng và áp dụng hệ phổ kế alpha vào việc phân . PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ CÔNG HẢO NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG PHÓNG XẠ MỘT SỐ NGUYÊN TỐ NẶNG TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ ALPHA Chuyên. hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến việc xác định hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố kim loại nặng trong mẫu môi trường bằng hệ phổ kế alpha 7 1.1.1. Tình hình nghiên cứu. cứu và xác định một số các đồng vị phóng xạ hay hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố kim loại nặng trong mẫu môi trường đang và sẽ là một trong những vấn đề thu hút sự nghiên cứu của các nhà