Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn - Chương 4: Phương pháp phân tích hạt nhân trong ghi đo bức xạ môi trường cung cấp cho người học các kiến thức: Các phương pháp phân tích hạt nhân, đánh giá sai số trong phân tích mẫu môi trường. Mời các bạn cùng tham khảo.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN TRONG GHI ĐO BỨC XẠ MƠI TRƢỜNG 1 Phƣơng pháp phân tích hạt nhân Hệ phổ kế Alpha Hệ thiết bị đo radon – RAD7 Hệ đếm Alpha/Beta tổng Đánh giá sai số phân tích mẫu mơi trƣờng HỆ PHỔ KẾ ALPHA CÁC ĐỒNG VỊ PHÁT ALPHA Bảng 1: Các đồng vị phóng xạ phát alpha mơi trường ĐVPX T1/2 E (keV) I (%) 210Po 138,4 d 5304,4 100 212Po 0,3 s 8784,4 100 214Po 164,3 s 7686,8 100 216Po 0,14 s 6778,3 100 218Po 3,1 m 6002,4 100 220Rn 55,6 s 6288,1 99,9 222Rn 3,8 d 5489,5 99,9 224Ra 3,7 d 5685,4 94,9 226Ra 1600 y 4784,3 94,4 232Th 2,4x1010 y 3947,2 21,7 CÁC ĐỒNG VỊ PHÁT ALPHA Bảng 1: Các đồng vị phóng xạ phát alpha môi trường ĐVPX T1/2 234U 2,4 y 238U 239Pu 241Am 4,5x1010 y 24110 y 432,2 y E (keV) I (%) 4722,4 28,4 4774,6 71,4 4151 20,9 4198 79 5105,5 11,5 5144,3 15,1 5156,6 73,3 5442,8 13 5485,6 84 HỆ PHỔ KẾ ALPHA Hình 3: Hệ phổ kế alpha Detector Các vị trí đo Khay đựng mẫu SƠ ĐỒ HỆ ĐO Máy hút chân không Tiền khuếch đại Khuếch đại Det Mẫu đo Cao Hình 4: Sơ đồ hệ phổ kế alpha MCA Máy tính DETECTOR BÁN DẪN SILICON Etx Engồi Hình 5: Chất bán dẫn Hình 6: Vùng nghèo phân cực ngược lớp tiếp xúc p-n DETECTOR BÁN DẪN SILICON 2εε V+V0 d= eN (1) Trong đó, d độ rộng vùng nghèo số điện môi chất bán dẫn, 0 số điện, V0 điện tiếp xúc, V điện đƣợc áp vào, N nồng độ tạp chất đƣa vào chất bán dẫn DETECTOR BÁN DẪN SILICON E N= ε N: số cặp electron – lỗ trống (2) E: lƣợng hạt alpha tới (keV) : lƣợng để tạo cặp hạt mang điện Bảng 2: Năng lượng để tạo cặp hạt mang điện số chất khí 10 Khí (eV/cặp) Ar 26,3 He 42,7 H2 36,4 N2 36,4 Khơng khí 35,1 O2 32,2 CH4 29,1 CHE CHẮN THỤ ĐỘNG VÀ CHỦ ĐỘNG Phƣơng pháp thụ động: chì che chắn xung quanh detector lớp chì dày từ – inchs làm giảm đáng kể lƣợng xạ beta gamma Tuy nhiên, chì không cản đƣợc tia vũ trụ neutron Nếu thân nguồn phóng xạ có chứa tia gamma buồng đo xuất xạ hãm xạ tán xạ Compton làm tăng phông Che chắn chủ động: phƣơng pháp kết hợp phần cứng, phần mềm hệ điện tử để giảm phông Hệ đếm sử dụng det bảo vệ để thiết kế che chắn chủ động cách sử dụng phƣơng pháp phản trùng phùng 85 XÁC ĐỊNH TỔNG HOẠT ĐỘ ALPHA/BETA TRONG MẪU LƢƠNG THỰC, THỰC PHẨM Phƣơng pháp 1: Tro hóa Chuẩn bị mẫu Thực phẩm,… Mẫu đo Lò nung Lò sấy Ray Tro 0,1 g tro lắc acetone 86 Khối lƣợng mẫu 5mg/cm2 XÁC ĐỊNH TỔNG HOẠT ĐỘ ALPHA/BETA TRONG MẪU LƢƠNG THỰC, THỰC PHẨM Nghiền, xay, ray,… Phƣơng pháp 2: Hủy mẫu Chuẩn bị mẫu Thực phẩm, đất, Lò sấy Mẫu đo Đun HNO3:H2O2 Bột khơ 3HCl: 1HNO3,… Mẫu không đồng Khối 87 lƣợng mẫu 5mg/cm2 ĐIỀU KIỆN HỆ ĐO HOẠT ĐỘNG Khí đo đảm bảo chất lƣợng Tốc độ dòng khí thích hợp không đổi Điện hoạt động đƣợc thiết lập Hiệu chỉnh tự hấp thụ theo bề dày mẫu Xác định đƣợc hệ số xuyên âm theo bề dày mẫu 88 ĐIỀU KIỆN XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ MẪU ĐO Mẫu: Đƣợc hòa tan hồn tồn khơng tạo cặn Đồng Khô từ lúc đƣợc tạo đến đo xong Bề dày mẫu: mg/cm2 Tính tốn nồng độ cần đảm bảo: Giới hạn phát đƣợc đáp ứng mẫu Tính tổng hoạt độ alpha-beta Tốc độ đếm có trừ phơng Tính sai số cho lần đo 89 BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ XUYÊN ÂM Phƣơng pháp tro hóa: bề dày cố định d = 5mg/cm2 Dùng tracer tạo mẫu chuẩn có bề dày 5mg/cm2 Hệ số xun âm đƣợc tính trung bình R α1 α =55,75 0,79 R α1 β 21,10 0,74 R α2 α 62,95 0,84 R α2 β 22,81 0,80 R α2 α 52,30 0,76 R α3 β 13,62 0,61 Tính hệ số xun âm ? 90 CƠNG THỨC TÍNH TRUNG BÌNH Ci σ2 Ci C= σ2 Ci 91 σC = 1 σ2 Ci BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ XUYÊN ÂM Phƣơng pháp hủy mẫu: bề dày thay đổi d 5mg/cm2 Dùng tracer tạo dãy mẫu chuẩn có bề dày thay đổi 5mg/cm2 Xây dựng đƣờng cong hệ số xuyên âm theo bề dày? R α1 α = 177 1,40 R α1 β 22,90 0,71 d = 2,20 g/cm R α2 α = 130 1,20 R α2 β 21,10 0,701 d = 2,84 g/cm R α3 α = 99,5 1,05 R α3 β 19,50 0,66 d = 4,45 g/cm R α4 α = 99,05 1,01 R β 20,70 0,69 d = 4,85 g/cm R α5 α = 92,05 1,01 R β 21, 20 0,69 d1 = 1,13 g/cm 92 α4 α5 BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ XUYÊN ÂM 0.25 Hệ số xuyên âm 0.2 0.15 0.1 y = -0.0052x2 + 0.0578x + 0.0704 R² = 0.9942 0.05 0 Bề dày (mg/cm2) Hình 12: Hệ số xuyên âm thay đổi theo bề dày mẫu 93 BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ HẤP THỤ Phƣơng pháp tro hóa: bề dày cố định d = 5mg/cm2 Dùng tracer tạo mẫu chuẩn có bề dày 5mg/cm2 Hệ số hấp thụ đƣợc tính trung bình R α1 =55,75 0,79 R α2 62,95 0,84 R α3 52,30 0,76 C0 =102,00±0,35 VT =50 μL 94 Hiệu suất Sai số 0.3963 0.002383 0.3877 0.001806 0.3877 0.001806 BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ HẤP THỤ Phƣơng pháp hủy mẫu: bề dày thay đổi d 5mg/cm2 Dùng tracer tạo dãy mẫu chuẩn có bề dày thay đổi 5mg/cm2 Xây dựng đƣờng cong hệ số hấp thụ theo bề dày? d1 = 1,13 g/cm R α1 α = 177 1,40 d = 2,20 g/cm R α2 α = 130 1,20 CT =102,00±0,35 VT =50 μL Hiệu suất Sai số d = 2,84 g/cm R α3 α = 99,5 1,05 0.3938 0.001896 0.001896 d = 4,45 g/cm R α4 α = 99,05 1,01 0.3938 0.3963 0.002383 0.3877 0.001806 0.3938 0.001896 d = 4,85 g/cm 95 R α5 α = 92,05 1,01 BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ HẤP THỤ 1.2 Tỷ số hấp thụ y = 0.0349x2 - 0.2975x + 1.009 R² = 0.9923 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Bề dày hấp thụ (mg/cm2) Hình 13: Hệ số tự hấp thụ alpha thay đổi theo bề dày mẫu 96 BÀI TẬP TÍNH NỒNG ĐỘ MẪU PHÂN TÍCH Phương pháp tro hóa 1kg rau Tro hóa 10g tro Splanchet=20 cm2 mtro sử dụng =0,1 g =100 mg dgiới hạn = 5mg/cm2 εα σ εα σ Rβ εβ σ εβ Rα σRα 0.154 0.0221 0.3938 0.001896 13 0.143 0.4613 0.003011 0.163 0.0202 0.3877 0.001806 13.1 0.232 0.4577 0.002345 0.169 0.0223 0.3938 0.001896 13.2 0.143 0.4613 0.003011 97 Rβ BÀI TẬP TÍNH NỒNG ĐỘ MẪU PHÂN TÍCH Phương pháp hủy mẫu Làm khô 1kg rau 100g bột khô Splanchet=20 cm2 dgiới hạn = mtro sử dụng =0,5 g =500 mg 5mg/cm2 εα Rα σRα 0.034 0.0201 0.0549 0.00617 0.3963 0.002383 σ εα 0.3938 0.001896 d1=4,91 mg/cm2, 98 Rβ σ Rβ εβ σ εβ 12 0.14 0.4613 0.003011 12.3 0.0925 0.4595 0.002506 d2=4,62 mg/cm2 XÁC ĐỊNH TỔNG HOẠT ĐỘ ALPHA/BETA TRONG MẪU LƢƠNG THỰC, THỰC PHẨM Rα Cα = F.M.ε α Cβ = R β -χR α M.εβ Trong đó: C, C: nồng độ phóng xạ , đơn vị khối lƣợng mẫu; , : hiệu suất hệ đo alpha, beta; M: khối lƣợng mẫu đo; F: hệ số hiệu chỉnh tính đến hiệu ứng tự hấp thụ alpha mẫu; : hệ số xuyên âm alpha-beta 99 ... 234U 2 ,4 y 238U 239Pu 241 Am 4, 5x1010 y 241 10 y 43 2,2 y E (keV) I (%) 47 22 ,4 28 ,4 47 74, 6 71 ,4 4151 20,9 41 98 79 5105,5 11,5 5 144 ,3 15,1 5156,6 73,3 544 2,8 13 548 5,6 84 HỆ PHỔ KẾ ALPHA Hình 3:... nguồn mix-alpha ĐVPX 238U 234U 239Pu 241 Am 234U t=3600s d=13mm 238U 239Pu 241 Am Hình 9: Phổ nguồn chuẩn mix-alpha 17 E (keV) I (%) 47 22 ,4 28 ,4 47 74, 6 71 ,4 4151 20,9 41 98 79 5105,5 11,5 5 144 ,3 15,1... 3,8 d 548 9,5 99,9 224Ra 3,7 d 5685 ,4 94, 9 226Ra 1600 y 47 84, 3 94, 4 232Th 2,4x1010 y 3 947 ,2 21,7 CÁC ĐỒNG VỊ PHÁT ALPHA Bảng 1: Các đồng vị phóng xạ phát alpha môi trường ĐVPX T1/2 234U 2 ,4 y 238U