Phương pháp xác định nồng độ p 226 PRa trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ MAI THỊ VÂN ANH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh- Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ MAI THỊ VÂN ANH NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ MÃ NGÀNH: 102 Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ CÔNG HẢO Thành phố Hồ Chí Minh- Năm 2011 LỜI CẢM ƠN Trong sống, có thành công mà không cần tới giúp đỡ người khác Sự giúp đỡ không thiết phải điều lớn lao mà lời động viên chân thành tiếp thêm sức mạnh cho người nhận Cùng với hoàn thành khóa luận, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Tất quí thầy cô giáo, người tận tình truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quí báu cho chúng em suốt thời gian qua - ThS Lê Công Hảo, giảng viên trường Đại học Khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh, người thầy trực tiếp hướng dẫn em từ bước đầu bỡ ngỡ với đề tài, thầy người dẫn nhiệt tình cho em trình em thực đề tài - Các anh chị thực thí nghiệm phòng Vật lý hạt nhân trường Đại học Khoa học tự nhiên, anh chị người cho em nhiều kinh nghiệm, tạo điều kiện để em hoàn thành tốt khóa luận - Các bạn Lý k33 trường Đại học sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, bạn động viên tinh thần giúp đỡ em nhiều trình làm khóa luận Con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ gia đình Cảm ơn người bên con, ủng hộ giúp đỡ suốt thời gian thực khóa luận Xin chân thành cảm ơn tất người, kính chúc người thật nhiều sức khỏe đạt nhiều thành công sống Sinh viên thực Mai Thị Vân Anh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN T T MỤC LỤC T T LỜI MỞ ĐẦU T T DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT T T CHƯƠNG I: HỆ ĐO ALPHA ANALYST T T 1.1 Tiện ích hệ đo Alpha analyst [2] T T 1.2 Buồng chân không [1] T T 1.3 Detector [1] 10 1.3.1 Detector PIPS 10 1.3.2 Đầu dò Alpha PIPS 12 T T T T T T 1.4 Bộ tiền khuếch đại [1] 13 T T 1.5 Bộ khuếch đại [1] 15 T T 1.6 Bộ biến đổi tương tự thành số ADC phân tích biên độ đa kênh MCA [1] 15 T T CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ RADIUM 16 T T 2.1 Kim loại Radium 16 T T 2.2 Muối Radium 16 2.2.1 Muối Radium tan 17 2.2.2 Muối Radium không tan- Kết tủa đồng kết tủa đặc trưng 18 T T T T T T 2.3 Đồng vị Radium 20 T T 2.4 Phân bố T Ra môi trường nước 25 226 P P T 2.5 Cơ chế giật lùi 26 T T 2.6 Cơ chế hòa tan 27 T T CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 226Ra TRONG NƯỚC 30 T P P T 3.1 Các phương pháp phân tích 226Ra mẫu nước 30 3.1.1 Phương pháp đồng kết tủa Radium với Barium Sunfate (BaSO ) [9], [18] 30 3.1.2 Phương pháp phát xạ Radon [18] 30 3.1.3 Phương pháp sử dụng máy đếm Cerenkov [17] 31 3.1.4 Phương pháp đếm nhấp nháy lỏng LSC [17] 31 3.1.5 Phương pháp đo phổ mẫu nước chưa xử lí [17] 31 3.1.6 Phương pháp trao đổi ion [11] 31 3.1.7 Phương pháp hấp thụ Radidum đĩa MnO [6],[12] 31 T P P T T R T R T T T T T T T T T T T T T R R T 3.2 Phương pháp trao đổi ion để xác định Ra mẫu nước 32 3.2.1 Cơ sở lí thuyết:[11] 32 3.2.2 Thực nghiệm 36 226 T P T T T T P T 3.3 Phương pháp xác định Radium nước cách hấp thụ Radium đĩa MnO 44 3.3.1 Cơ sở lí thuyết 44 3.3.2 Thực nghiệm 46 T R R T T T T T KẾT LUẬN 54 T T KIẾN NGHỊ 55 T T TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 T T LỜI MỞ ĐẦU Lịch sử hình thành Trái đất gắn liền với đồng vị phóng xạ Được khám phá vào năm 1898 hai nhà khoa học Marie Pierre Curie, Radium nguyên tố có sức hấp dẫn nghiên cứu Năm 1900, hai nhà nghiên cứu người Đức Otto Walkhoff Friedrich Giesel lần phát tác dụng chữa bệnh Radium [20] Vào khoảng đầu kỉ XX, Radium sử dụng rộng rãi sơn phát quang, mỹ phẩm, kem đánh răng, chí thực phẩm Radium sử dụng y học để điều trị bệnh ung thư Nồng độ Radium tự nhiên có môi trường nhỏ Cho tới chưa có chứng cho thấy tiếp xúc với Radium nồng độ thấp tự nhiên có ảnh hưởng tới sức khỏe Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với Radium nồng độ cao gây thiếu máu, gãy xương, đục thủy tinh thể, gây ảnh hưởng đến hệ miễn dịch, gây ung thư Các nguồn Radium nồng độ cao thường tập trung khu vực mỏ Uranium, sản xuất quặng Uranium, nguồn nước ngầm xung quanh khu vực chất thải phóng xạ Do Radium muối Radium tan nước nên nồng độ Radium nước ngầm cao nồng độ Radium nước mặt Cơ quan bảo vệ mội trường Mỹ EPA (Environmental Protection Agency’s) đưa tiêu chuẩn mức độ tối đa chất MCL (Maximum contaminant level) gây nguy hiểm cho sức khỏe người 226Ra 228Ra 5pCi/L MCL tổng xạ alpha P P P P 15pCi/L Ngày nay, với phát triển khoa học kĩ thuật nghiên cứu đặc tính đồng vị phóng xạ, ngày có nhiều phương pháp xác định nồng độ phóng xạ nói chung nồng độ 226Ra mẫu P P Khóa luận “ Phương pháp xác định nồng độ sánh phương pháp phân tích Ra nước” với mục đích so 226 P P Ra nước sau chọn phương pháp hiệu 226 P P Nội dung khóa luận gồm chương: Chương I: Hệ đo Alpha analyst Chương II: Tổng quan Radium Chương III: Các phương pháp xác định 226Ra nước P P Do thời gian tiến hành khóa luận có hạn nên khóa luận chắn có hạn chế Do hi vọng nghiên cứu sau hoàn thiện Sinh viên thực Mai Thị Vân Anh DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC: Analog to Digital Coverter DJ: Diffused Junction EPA: Environmental Protection Agency FWHM: The full width at half- maximum LSC: Liquid Scintillation Counter MCL: Maximum contaminant level PIPS: Passivated Implanted Planar Silicon SSB: Surface barrier detector MCA: Multi Channel Analyzer MCB: Multi Channel Buffe EDTA : Etilendiamin tetraaxetic axit CHƯƠNG I: HỆ ĐO ALPHA ANALYST 1.1 Tiện ích hệ đo Alpha analyst [2] Hệ đo Alpha Analyst thiết bị đo đại hãng CANBERRA sản xuất, giúp ta dễ dàng khảo sát mẫu phóng xạ alpha tiết kiệm thời gian mà cho kết xác Tính chất hệ Alpha Analyst dùng đo hạt alpha miền lượng từ – MeV nên phù hợp với mẫu môi trường phát alpha Máy hút chân không Máy tính Detector PIPS Tiền khuếch đại Khuếch đại Máy phân tích biên độ đa kênh PC PCI Card Cao Mẫu đo Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ Alpha Analyst Các thao tác trình đo, phân tích xử lý dùng hệ đo Alpha Analyst chủ yếu thực máy tính thông qua phần mềm ứng dụng Genie-2000 Alpha Acquisition & Analysis Nói chung hệ Alpha Analyst thiết bị đo có hiệu suất độ xác cao đo phóng xạ alpha 1.2 Buồng chân không [1] Hệ đo thiết kế để đo phổ alpha, việc hút chân không trình đo điều quan trọng nhằm giảm tối thiểu lượng hạt alpha Như trình bày hình 1.3 hình 1.4 buồng đo chứa mẫu đo detector hệ Alpha Analyst có khả hút chân không tốt nhanh với áp suất chân không đạt tới giá trị 0,01 torr Khi đó, ta xem môi trường buồng đo gần chân không hoàn toàn Buồng chân không thiết kế có khe cách nhau, khe gần detector phải cách detector khoảng cách định để đảm bảo an toàn cho đầu dò khỏi hư hại kéo dài thời gian sử dụng Với khe cách ta thay đổi khoảng cách mẫu đo detector theo ý muốn Hình 1.2: Hệ đo Alpha Analyst Hình 1.3: Máy hút chân không Hình 1.4: Buồng đo hệ alpha Analyst 1.3 Detector [1] 1.3.1 Detector PIPS Trong hệ đo Alpha Analyst hãng CABERRA sản xuất, detector sử dụng detector PIPS (Passivated Implanted Plannar Silicon: đầu dò silic nuôi cấy ion thụ động), sản phẩm công nghệ đại Đầu dò dùng để thay cho đầu dò hàng rào mặt (SSB) đầu dò tiếp xúc khuếch tán (DJ) chế tạo vào năm 1960 Cân 2g nhựa cation C100H cho vào cột trao đổi ion Rửa cột trao đổi ion axit 100ml HCl 1M Chuẩn bị 100ml mẫu cần đo nồng độ 226Ra, axit hóa mẫu tới pH Cho mẫu chuẩn bị chảy qua cột trao đổi ion, ý tốc độ khoảng 1-2ml/phút Cho 100ml HCl 1,5 M chảy qua cột trao đổi ion để loại bỏ thành phần gây nhiễu: magnesium, calcium, barium, uranium, thorium, neptunium Cho 45ml HCl 6M qua cột trao đổi ion để tách Radium Cô cạn dung dịch thu đem mạ thép không gỉ Đưa đĩa thép không gỉ vào phổ kế alpha để đo Hình 3.23: Sơ đồ bước tiến hành thí nghiệm 3.2.2.4 Kết thảo luận Các thí nghiệm khóa luận thực tương tự thí nghiệm mà số tác giả thực [7] [9] [11] [17] [18], không thu kết mong muốn, hiệu suất thu hồi Radium thấp Sau đó, thử thay đổi số điều kiện làm thí nghiệm để nâng cao hiệu suất phương pháp: Thay sử dụng axit HCl, thử sử dụng axit HNO (như R R công trình J-G Decaillon[9], hay CJ Oliveira [10]); hay dùng axit boric để làm chua mẫu trước đo (như công trình Gougang Jia)[7]; hay mạ điện Radium, thử thay đổi cường độ dòng diện, thời gian mạ điện…Tuy nhiên, kết thu không khả quan Mặc dù có số tác J S Alvarado, K A Orlandini, J-G Decaillon, CJ Oliveira…thực phương pháp trao đổi ion với hiệu suất cao, theo kết khóa luận phương pháp hiệu suất không cao (phù hợp với công trình tác giả P Blanco RodroAguez)[16] Xác định 226Ra nước phương pháp trao đổi ion cách làm thường P P sử dụng hiệu suất không cao Thời gian cho toàn trình phân tích dài bao gồm công đoạn chuẩn bị mẫu (khoảng 30 phút), cho mẫu chảy qua cột trao đổi ion với tốc độ khoảng 1-2ml/phút (khoảng 1h30- 2h), cho axit chảy qua cột trao đổi ion (khoảng 3- 4h), thời gian mạ điện khoảng 1- 4h, chưa kể thời gian đo phổ kế alpha Chính mà đề nghị sử dụng phương pháp xác định Radium nước cách nhanh chóng hơn, cho hiệu suất cao Đó phương pháp xác định Radium nước cách hấp thụ Radium đĩa MnO R R 3.3 Phương pháp xác định Radium nước cách hấp thụ Radium đĩa MnO2 3.3.1 Cơ sở lí thuyết 3.3.1.1 Bước 1: Chuẩn bị đĩa MnO2 Phương pháp 3.3 dựa vào đặc tính MnO hấp thụ Radium để xác định R R Radium có mẫu MnO bám bề mặt khác đĩa polyamides, đĩa thép không gỉ, R R nickel, đồng, hay đĩa chrome Tuy nhiên, độ phân giải phổ alpha thu phụ thuộc vào độ mịn bề mặt MnO E Bodrogi cộng [6] cho thấy hiệu hấp R R thụ Radium sử dụng đĩa polyamides, thường hay sử dụng PA66 Đĩa PA66 dùng có đường kính 30mm Bảng 3.1: FWHM giá trị hiệu suất đo cho MnO bám lên đĩa làm loại vật R liệu khác R Dạng đĩa FWHM (keV) Hiệu suất (%) Polyamide 112,1 7,89 Thép không gỉ 65,1 4,2 Nickel 60,2 0,1 Chrome 72,1 0,69 Đầu tiên, rửa đĩa PA66 nước cất Sau ngâm đĩa PA66 vào dung dịch KMnO nóng Thời gian ngâm đĩa, nhiệt độ R R dung dịch nồng độ dung dịch có phụ thuộc vào Theo E Bodrogi [6], dung dịch KMnO 0,08M ngâm đĩa 1h nhiệt độ 70 R ngâm đĩa 2h nhiệt độ 80 P P R R 5oC Theo Katell Morvan [18], dung dịch P P KMnO 0,1M ngâm đĩa 3h nhiệt độ 80 R 5oC; dung dịch KMnO 0,04M R R 5oC P P Sau lấy đĩa khỏi dung dịch KMnO rửa lại đĩa nước cất sấy khô đĩa R R nhiệt độ phòng 3.3.1.2 Bước 2: Chuẩn bị mẫu Chỉnh pH 100- 200 ml dung dịch mẫu tới khoảng 7- 8,5 Có thể dùng EDTA Ammonium Hydroxide (NH OH) NaOH để chỉnh pH Thông thường ta sử dụng R R Ammonium Hydroxide (NH OH) để điều chỉnh giá trị pH hạn chế dùng NaOH để tránh R R tạo thêm “matrix” mẫu Đối với mẫu có chứa đồng thời nhiều đồng vị phóng xạ uranium, thorium, plutonium,… nên sử dụng EDTA đồng vị phóng xạ nói phản ứng với EDTA tạo thành phức bền giúp cho việc hấp thụ đĩa MnO thuận lợi R R 3.3.1.3 Bước 3: Quay mẫu Đặt đĩa mẫu dung dịch quay 6h máy khuấy từ gia nhiệt 226 P Ra P 3.3.1.4 Bước 4: Đo máy đo phổ alpha Sau quay mẫu xong, lấy đĩa ra, sấy khô đĩa đưa đĩa vào máy đo phổ alpha để phân tích nồng độ Radium mẫu 3.3.2 Thực nghiệm 3.3.2.1 Dụng cụ thí nghiệm  Cân điện tử  Bếp nung  Bộ giá đỡ thí nghiệm  Máy khuấy từ gia nhiệt  Pipet điện tử  Các loại cốc nhựa  Đĩa Poly cacbonat phủ lớp poly acrylic: đường kính đĩa 2,8 cm 3.3.2.2 Hóa chất tiến hành thí nghiệm  Bột KMnO R R  Dung dịch NH OH R R 3.3.2.3 Tiến hành thí nghiệm  Pha hóa chất: Pha khoảng 250 ml dung dịch KMnO 0,1 M R R  Chuẩn bị đĩa MnO : R R Do thị trường Việt Nam không sử dụng loại PA66 nên thay PA66 poly cacbonat phủ lớp acrylic Đĩa Poly cacbonat phủ lớp poly acrylic cắt laze thành đĩa tròn, nhỏ, có đường kính 2,8 cm hình 3.24 Đĩa rửa nước cất Hình 3.24 : Đĩa Poly cacbonat phủ lớp poly acrylic sau cắt laze  Ngâm đĩa KMnO 0,1 M R R Qua nhiều lần thí nghiệm cho thấy, lớp MnO bám lên bề mặt đĩa phụ thuộc vào nồng R R độ dung dịch KMnO , thời gian ngâm đĩa nhiệt độ dung dịch KMnO … R R R R Ngâm đĩa vào 250 ml dung dịch KMnO nồng độ 0,1M nhiệt độ khoảng 50oC – R R P P 70oC đợi đến lúc phản ứng hóa học xảy đĩa phủ lớp MnO đủ dày (thời gian P P R R ngâm khoảng giờ), lấy rửa nước cất Lúc ta thấy đĩa có màu nâu sẫm Sấy khô đèn hồng ngoại Chú ý: nung dung dịch KMnO sấy đĩa, không để nhiệt độ cao R làm bong lớp bề mặt đĩa R Sau ngâm Trước ngâm Hình 3.25: Màu sắc đĩa trước sau ngâm dung dịch KMnO R R  Chuẩn bị mẫu: Chúng tiến hành phân tích số mẫu nước uống, có mẫu dạng dung dịch mẫu dạng bột (Phosphogypsum and Water) quan lượng nguyên tử quốc tế IAEA Các mẫu nói có đặc điểm sau: Mẫu dạng dung dịch có thành phần chủ yếu nước thông thường axit hóa (pH[...]... phổ kế alpha 226 P P thì phương ph p 3.1.6 và phương ph p 3.1.7 được sử dụng nhiều nhất Phương ph p 3.1.6 được xem là phương ph p truyền thống và được sử dụng khá phổ biến Tuy nhiên, do tính phức t p trong khâu tách hóa của phương ph p 3.1.6 nên hiện nay phương ph p 3.1.7 đã được đề xuất như một giải ph p giải quyết các khó khăn này 3.2 Phương ph p trao đổi ion để xác định 226Ra trong mẫu nước 3.2.1... lí mẫu phức t p, phải loại bỏ hết các ion gây nhiễu, chi phí tốn kém, không phù h p khi phân tích các mẫu lớn 3.1.2 Phương ph p phát xạ Radon [18] Phương ph p này đo 226Ra gián ti p thông qua 222Rn P P P P  Ưu điểm: đơn giản, không tốn nhiều công sức  Nhược điểm: chậm, tốn nhiều thời gian Phương ph p này thường chỉ p dụng cho mẫu lớn 3.1.3 Phương ph p sử dụng máy đếm Cerenkov [17] Phương ph p này... lượng 226Ra càng giảm do hiệu ứng pha loãng, vì thế hoạt độ 226Ra trong các P P đại dương tăng dần theo độ sâu (bảng 2.5) P P CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PH P XÁC ĐỊNH 226Ra TRONG NƯỚC 3.1 Các phương ph p phân tích 226Ra trong mẫu nước Ngày nay, dựa vào đặc tính của các tia phóng xạ mà kỹ thuật phân tích các đồng vị phóng xạ nói chung và 226Ra nói riêng có thể tiến hành theo nhiều phương ph p, trên nhiều P P... Phương ph p đo phổ của mẫu nước chưa xử lí [17]  Ưu điểm: dễ dàng sử dụng cho mẫu nước chứa Radium nồng độ cao Phương ph p này có thể thực hiện cùng lúc và độc l p ph p đo các đồng vị của Radium  Nhược điểm: hiệu suất phương ph p này không cao, có thể bị nhiễu bởi 235 P U Ph p P đo được thực hiện trong 24h, thường không sử dụng để đo các mẫu lớn 3.1.6 Phương ph p trao đổi ion [11] Đây là phương ph p. .. g Platinium vào dung dịch điện phân Phương ph p mạ điện này làm giảm kích cỡ mẫu và giảm thời gian phân tích còn khoảng 24h, tùy thuộc vào thời gian đếm Năm 1995, J S Alvarado và cộng sự [11] đã mô tả phương ph p xác định Ra nồng độ th p trong mẫu môi trường bằng phổ kế 226 224 P P Ra và P P alpha Phương ph p này còn có sử dụng cột trao đổi ion để tách các thành phần khác có trong mẫu và phương ph p. .. giật lùi trong phân rã phóng xạ 2.5 Cơ chế giật lùi Hiện tượng giật lùi trong phân rã α của 230Th là cơ chế thâm nh p chủ yếu của 226Ra từ P P P P đất đá vào pha nước (Sun H và Semkow 1998)[5] P 230 P Th  4He + 226Ra P P P P P Hình 2.5: Sự thâm nh p của 226Ra vào nước do cơ chế giật lùi trong phân rã α của 230Th P P P P Trong quá trình phân rã alpha của Ra giật lùi (hình 2.5) với động 230 226 P P Th,... Đồng vị 223 P P 224 P P 226 P P 228 P P Năng lượng Sản phẩm phân rã T 1/2 Phân rã Ra 11 ngày alpha 5,99 219 Ra 3,7 ngày alpha 5,789 220 Ra 1600 năm alpha 4,871 222 Ra 5,8 năm beta 0,046 228 R phân rã (MeV) P P P P P P P P Rn Rn Rn Ac Xét chuỗi phóng xạ 226Ra→222Rn và các con cháu: P 226 P P P Ra →222Rn→218Po→214Pb→214Bi →214Po→210Pb Chuỗi này gồm 226Ra và sáu đồng vị con có các đặc trưng phân rã cho... sánh một số phương ph p thông thường để phân tích 226Ra trong mẫu nước như P P sau: 3.1.1 Phương ph p đồng kết tủa Radium với Barium Sunfate (BaSO4) [9], [18] Phương ph p này dựa trên tính chất đồng kết tủa Radium với Barium Sunfate (BaSO 4 ), phân tích gián ti p 2 đỉnh gamma của R R Pb/214Bi trên hệ phổ kế gamma, dùng 214 P P P P detector Ge siêu tinh khiết  Ưu điểm: hiệu suất phương ph p cao (có thể... chính tồn tại trong tự nhiên(223Ra, 224Ra, 226Ra và 228Ra) 4 đồng vị này được xuất hiện trong 3 chuỗi phóng xạ tự P P P P P nhiên xuất phát từ P P P U, 232Th, 235U Trong đó 238 P P P P P P Ra có chu kỳ bán hủy lớn (1600 năm), độ 226 P P phổ c p cao (trên 99%) và có sản phẩm phân rã là Rn nên được ứng dụng nhiều trong 222 P P nghiên cứu nước ngầm Bảng 2.2: Đặc điểm 4 đồng vị chính của Radium trong tự nhiên... ph p thường được sử dụng nhất để xác định 226Ra trong nước P P  Ưu điểm: đơn giản, đo trực ti p nồng độ 226Ra trong nước P P  Nhược điểm: hiệu suất không cao, tốn nhiều thời gian 3.1.7 Phương ph p h p thụ Radidum trên đĩa MnO2 [6],[12]  Ưu điểm: hiệu suất cao, đơn giản, thời gian đo ngắn  Nhược điểm: khó sử dụng cho mẫu lớn Trong các phương ph p kể trên, khi phân tích Ra trong nước bằng hệ phổ ... mẫu lớn Trong phương ph p kể trên, phân tích Ra nước hệ phổ kế alpha 226 P P phương ph p 3.1.6 phương ph p 3.1.7 sử dụng nhiều Phương ph p 3.1.6 xem phương ph p truyền thống sử dụng phổ biến... phóng xạ nói chung nồng độ 226Ra mẫu P P Khóa luận “ Phương ph p xác định nồng độ sánh phương ph p phân tích Ra nước với mục đích so 226 P P Ra nước sau chọn phương ph p hiệu 226 P P Nội dung khóa... phức t p khâu tách hóa phương ph p 3.1.6 nên phương ph p 3.1.7 đề xuất giải ph p giải khó khăn 3.2 Phương ph p trao đổi ion để xác định 226Ra mẫu nước 3.2.1 Cơ sở lí thuyết:[11] Đây phương pháp