3.1 Chuẩn bị mẫu điện phân
Phương pháp tạo mẫu là một bước quan trọng vì hạt alpha, beta là những hạt có quãng chạy ngắn nên cần tạo mẫu có bề dày mỏng để các hạt không bị mất năng lượng nhiều khi đi vào detector. Ở đây sử dụng phương pháp mạ điện phân kết tủa để tạo mẫu, và hỗn hợp các đồng vị để tạo thành mẫu là uranium (234U, 238U) trong bột uranyl acetate.
3.1.1 Giới thiệu về uranyl acetate [6]
Uranyl acetate UO2(CH3COO)2.2H2O có dạng bột, tinh thể màu vàng có khối lượng riêng là 2,893 g/cm3, mất nước ở nhiệt độ 1100C, ở nhiệt độ 2750C phân hủy tạo thành UO3, độ tan trong nước ở 150C là 7,73%, trong nước nóng bị thủy phân. Tan trong etanol, ete, axit.
Uranyl acetate được điều chế bằng cách cho acetate tác dụng với UO2(OH)2 hoặc UO3. Dung dịch uranyl acetate 1% và 2% được dùng như chất chỉ thị, và là dung dịch chuẩn khi nó tạo thành một dạng muối không tan với natri. Uranyl acetate được dùng như chất phẩm màu để soi kính hiển vi điện tử. Hầu hết các quá trình xử lý trong kính hiển vi điện tử cho các yêu cầu sinh học đều sử dụng uranyl acetate. Ngoài ra uranyl acetate còn dùng trong phân tích thể tích. Nồng độ giới hạn của uranyl acetate trong không khí là 0,019 mg/m3.
Uranyl acetate dùng trong thương mại được làm từ uranium nghèo, có hoạt độ phóng xạ cỡ 0,31÷0,51 μCi/g, độ phóng xạ nhẹ này không đủ để gây nguy hiểm khi nó ở bên ngoài cơ thể. Tuy nhiên nó rất độc nếu bị nuốt, bị hít hoặc tiếp xúc với da khi bị trầy xước. Và nếu bị chiếu trong thời gian dài sẽ gây nguy hiểm do các ảnh hưởng tích lũy lại.
Uranyl acetate rất nhạy sáng đặc biệt là ánh sáng UV. Thậm chí một số ánh sáng huỳnh quang có thể làm kết tủa và gây ảnh hưởng có hại khác cho mẫu. Do đó nên để tránh xa ánh sáng vì sự nhuốm màu, cần cất giữ dung dịch nước hoặc tinh thể khô được tốt. Do tính chất nhạy sáng nên uranyl acetate ở dạng bột hay dung dịch đều phải được giữ trong tối, tránh ánh sáng trực tiếp để đảm bảo các tính chất của nó không bị phá hủy.
Hình 3.1 Bột uranyl acetate tại phòng thí nghiệm Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân trường Đại học Tự Nhiên TP. Hồ Chí Minh 3.1.2 Hóa chất Bột uranyl acetate. Nước cất. Dung dịch axit HCl 1M. Dung dịch (NH4)2SO4 0,15M.
Dung dịch acetone CH3COCH3. 3.1.3 Dụng cụ
Bộ phận điện phân.
Ống inox: dùng để bao ống teflon và nối với bộ nguồn. Ống inox có chiều cao 3,7 cm, đường kính ngoài 4 cm, đường kính trong 3 cm. Bên trong ống inox có các khớp răng cưa để có thể bao chặt ống teflon giúp cho dung dịch khi điện phân không bị gỉ ra ngoài và không bị dính vào ống inox.
Hình 3.2 Ống inox
Ống teflon: có chiều cao 5,2 cm, đường kính ngoài 3 cm, đường kính trong 2,2 cm. Với kích cỡ đó ống có thể chứa tối đa 19 ml dung dịch, ống còn có tác dụng giữ cố định miếng thép không gỉ, ngăn cách miếng thép không gỉ và dây platin. Một phần phía ngoài ống teflon được tạo răng cưa để khớp chặt với ống inox.
Hình 3.3 Ống teflon
Thép không gỉ: mỏng, có dạng đĩa tròn, đường kính 2,6 cm, được đặt dưới đáy ống inox, được kẹp chặt giữa ống inox và teflon. Thép không gỉ được nối với cực âm của bộ nguồn dùng làm catod để uranium tinh khiết kết tủa xuống và bám chặt lên bề mặt.
Dây platin: dùng làm anod, nối với cực dương của bộ nguồn.
Bộ cung cấp nguồn DC có thể điều chỉnh hiệu điện thế, cường độ dòng điện.
Đèn hồng ngoại
Hình 3.4 Thép không gỉ Hình 3.5 Dây Platin
Hình 3.8 Pipet 5 μl, 5ml
Ngoài ra trong quá trình thí nghiệm cần có bộ dụng cụ khuấy để đánh tan bọt khí Cl2, NH3, SO2 sủi bọt, giúp cho uran bám tốt trên bề mặt thép. Và cũng do dây Pt nhỏ không thể tạo dạng hình học tương đồng với thép nên để giúp các ion phân bố đều lên bề mặt thì cần có dụng cụ khuấy. Hình 3.9 Bộ dụng cụ khuấy Cốc thủy tinh Phễu Cân tiểu ly Nhíp Giấy lọc Khăn giấy
Bao tay làm thí nghiệm
Hình 3.10 Mô hình bộ điện phân
Hình 3.11 Hình dạng lát cắt của bộ điện phân Thép không gỉ (Catot) Ống teflon Ống inox Dây Platin Ống teflon ống inox Dây Pt + - A V
Hình 3.12 Các bộ phận điện phân 3.1.4 Các bước tiến hành
Tạo dung dịch điện phân
Tạo dung dịch HCl 1M từ dung dịch HCl đậm đặc với nồng độ 98% như sau:
Lấy 100 ml nước cất cho vào cốc thủy tinh, sau đó cân 3,72 g dung dịch HCl 98% cho vào cốc, khuấy đều để tạo thành dung dịch HCl 1M.
Tạo dung dịch điện phân: cân 0,035 uranyl acetate cho vào cốc thủy tinh, thêm 10 ml HCl 1M vào khuấy đều.
Sau đó, lọc dung dịch đã pha ở trên bằng giấy lọc, rồi cất dung dịch. Vì uranyl acetate rất nhạy sáng nên các quá trình thao tác trên cũng như quá trình cất giữ dung dịch nên để nơi tránh ánh sáng trực tiếp hoặc tốt nhất là để trong tối.
Sau khi tạo dung dịch điện phân xong thì các dụng cụ nên rửa sạch và rửa lại với acetone. Phản ứng xảy ra giữa dung dịch uranyl acetate UO2(CH3COO)2.2H2O với dung dịch axit HCl tạo thành dung dịch muối uranyl cloride như sau:
2 3 2 2 2 2 3 2
UO (CH COO) .2H O2HClUO Cl 2CH COOH2H O (3.1)
- Khi tiến hành điện phân dung dịch tức là có phản ứng oxi hóa - khử xảy ra ở các điện cực.
Ở catod (cực âm -) xảy ra quá trình khử ion UO22+
2
2 2
UO 4H6eU2H O (3.2)
Ở anod (cực dương +) xảy ra quá trình oxi hóa ion Cl-
2
2Cl2eCl (3.3)
Bộ dụng cụ khuấy
Bộ cấp nguồn DC
Kết quả của quá trình điện phân ở canod ta sẽ thu được uranium nguyên chất, ở anod sẽ có khí Cl2 thoát ra.
Tạo dung dịch đệm
Tạo dung dịch (NH4)2SO4 0,15M như sau: đầu tiên cân khoảng 2g bột (NH4)2SO4 vào cốc thủy tinh rồi thêm 100ml nước cất vào cốc, khuấy đều ta thu được dung dịch (NH4)2SO4 0,15M.
Các yêu cầu để tạo được mẫu tốt
Mẫu tốt, đạt yêu cầu là mẫu có bề mặt mạ phải bóng, mịn, không bị bong và có độ bám chắc cao. Để tăng khả năng bám tốt, chất kết tủa không bị rời ra, không bị dạng cát thì bề mặt vật liệu mạ tức là tấm thép không gỉ phải được làm nhẵn, bóng, loại bỏ các tạp chất và tẩy sạch các chất bám lên bề mặt. Có 2 phương pháp để làm sạch bề mặt là:
Phương pháp cơ học: dùng giấy nhám chà sạch bề mặt thép không gỉ, sau đó dùng dung dịch rửa acetone rửa lại thật sạch rồi đem sấy khô dưới đèn hồng ngoại.
Phương pháp hóa học: dùng acetone rửa sạch bề mặt không qua giai đoạn làm sạch cơ học, dùng khăn giấy lau sạch lại rồi làm khô dưới ngọn đèn hồng ngoại.
Trong bài luận này chỉ làm sạch bề mặt theo phương pháp hóa học.
Ngoài ra, để tạo được mẫu tốt thì cần tạo dung dịch đệm điện phân để làm tăng khả năng dẫn điện cho dung dịch và phân cực tốt giữa anod và catod để quá trình điện phân diễn ra thuận lợi, ta dùng dung dịch (NH4)2SO4 0,15M làm dung dịch đệm điện phân. Dung dịch (NH4)2SO4 là dung dịch được tạo giữa bazơ yếu NH4OH với axit mạnh axit sunphuric H2SO4 sẽ làm tăng độ dẫn điện cho dung dịch ban đầu.
Tất cả các thiết bị điện phân (ống inox, ống teflon, dây Pt) trước và sau điện phân đều được rửa sạch, lau lại bằng khăn giấy, dùng bơm thổi các bụi khăn dính vào ra khỏi dụng cụ.
Một yếu tố khác ảnh hưởng đến kết quả điện phân, đến sự phân bố lớp mạ trên bề mặt thiếc là dạng hình học của anod và khoảng cách giữa anod và catod. Anod có dạng tương đồng với hình dạng của catod. Catod dùng trong quá trình điện phân là thép không gỉ có dạng đĩa nên anod có dạng tương tự là tốt nhất. Khoảng cách giữa anod và catod khoảng 7-10 mm là phù hợp. Do điều kiện trong phòng thí nghiệm không có dây Pt đủ dài nên dây Pt ở đây có hình dạng chữ U ngang như hình 3.3, khoảng cách anod và catod trong quá trình thí nghiệm này là 5mm.
Uranium khó bám trên bề mặt thép không gỉ nên trong quá trình tiến hành thí nghiệm cần sử dụng thêm bộ dụng cụ khuấy để giúp quá trình điện phân đạt kết quả.
Vì uranium chủ yếu phát alpha và chỉ phát gamma với cường độ yếu, trong đó tia alpha có quãng chạy ngắn, dễ bị hấp thụ trong môi trường vật chất. Do đó, ta không tạo mẫu có lớp kết tủa
quá dày sẽ gây ra hiện tượng tự hấp thụ trong mẫu, làm cho hiệu suất ghi nhận giảm dẫn đến phép đo không chính xác. Để tránh việc này khi tiến hành điện phân ta nên điều chỉnh thời gian, hiệu điện thế hoặc dòng điện, tốc độ khuấy.
3.1.5 Tiến trình thực hiện
Trước khi tiến hành thực hiện thì cần phải rửa các dụng cụ điện phân và lau khô, làm sạch bề mặt catod.
Quy trình điện phân như sau:
Bước 1: dùng pipet hút acetone để lau sạch bề mặt thép không gỉ, dùng khăn giấy lau khô lại. Bước 2: cho thép không gỉ vào ống inox. Vặn chặt ống teflon vào ống inox
Bước 3: dùng pipet hút dung dịch đệm (NH4)2SO4 vào trước rồi dùng pipet hút uranyl cloride vào, đặt dây Pt nằm trong dung dịch để làm anod.
Bước 4: dùng bộ cấp nguồn DC để cung cấp cho quá trình điện phân. Nối cực dương của nguồn với dây Pt, cực âm với điểm tiếp xúc của tấm thép không gỉ. Dùng bộ dụng cụ khuấy dung dịch cho đều, chỉnh dòng điện hoặc điện thế thích hợp.
Điện phân với dung dịch uranyl cloride 50 μl (mẫu 50 μl): ứng với mỗi mẫu chứa 50 μl dung dịch uranium thì có tổng hoạt độ phát alpha khi đo trên máy Alpha Analyst là 6,0 0,2 Bq.
Quy trình chung: trong quá trình điện phân bước đầu tiên cần thực hiện là lau sạch các dụng cụ trong bộ điện phân, làm sạch bề mặt thép không gỉ để cho uranium dễ bám vào. Quá trình điện phân được thực hiện với các thông số chung như dùng pipet hút 4,5 ml dung dịch đệm (NH4)2SO4, và 50 μl dung dịch uranyl clorua khuấy đều dung dịch với nhau, mắc vào bộ cấp nguồn DC. Và với các thông số riêng như dòng điện, hiệu điện thế, tốc độ khuấy để tạo ra những mẫu điện phân khác nhau dùng khảo sát độ chính xác của máy đo tổng hoạt độ alpha, beta. Sau khi điện phân xong, tháo bộ cấp nguồn, lấy tấm thép ra rửa bằng acetone và đem sấy dưới đèn hồng ngoại 20 phút. Đánh dấu mẫu và cất vào túi nilon.
Tiến hành điện phân để tạo ra 5 mẫu M50.1, M50.2, M50.3, M50.4, M50.5 như sau: Mẫu M50.1: điện phân theo như quy trình chung với dung dịch uranyl cloride (UO2Cl2) 50 μl
và dung dịch đệm 4,5 ml. Đem điện phân với dòng điện 100 mA, hiệu điện thế 5V trong thời gian 35 phút. Dùng bộ cấp nguồn DC để cung cấp cho quá trình điện phân. Nối cực dương của nguồn với dây Pt, cực âm với điểm tiếp xúc của tấm thép không gỉ. Trong quá trình điện phân tiến hành khuấy 3 lần, mỗi lần 4 phút, cứ 2 phút thì đảo cực 1 lần. Lúc đầu khuấy mạnh sau đó giảm tốc độ khuấy trung bình. Sau khi điện phân xong, tháo bộ cấp nguồn, lấy tấm thép ra rửa
bằng acetone và đem sấy dưới đèn hồng ngoại 20 phút. Đánh dấu mẫu và cất vào túi.
Mẫu M50.2: làm tương tự như mẫu M50.1 nhưng điện phân với dòng điện 120 mA, hiệu điện thế 5V trong thời gian 40 phút. Trong quá trình điện phân tiến hành khuấy 3 lần, mỗi lần 4 phút, cứ 2 phút thì đảo cực 1 lần. Lúc đầu khuấy mạnh sau đó giảm tốc độ khuấy trung bình. Mẫu M50.3: làm tương tự như mẫu M50.1 nhưng điện phân với dòng điện 80 mA, hiệu điện
thế 5V trong thời gian 50 phút. Trong quá trình điện phân tiến hành khuấy 5 lần, mỗi lần 4 phút, cứ 2 phút thì đảo cực một lần. Lúc đầu khuấy mạnh sau đó giảm tốc độ khuấy trung bình. Mẫu M50.4: làm tương tự như mẫu M50.1 nhưng điện phân với dòng điện 100 mA, hiệu điện
thế 5V trong thời gian 60 phút. Dùng bộ cấp nguồn DC để cung cấp cho quá trình điện phân. Trong quá trình điện phân tiến hành khuấy 6 lần, mỗi lần 4 phút, cứ 2 phút thì đảo cực 1 lần. Lúc đầu khuấy mạnh sau đó giảm tốc độ khuấy trung bình.
Mẫu M50.5: làm tương tự như mẫu M50.1 nhưng điện phân với dòng điện 80 mA, hiệu điện thế 4,5V trong thời gian 60 phút. Trong quá trình điện phân tiến hành khuấy 6 lần, mỗi lần 4 phút, cứ 2 phút thì đảo cực 1 lần. Lúc đầu khuấy mạnh sau đó giảm tốc độ khuấy trung bình.
Hình 3.13 Hình mẫu M50.4
Điện phân với dung dịch chứa uranium 100 μl (mẫu 100 μl): ứng với mỗi mẫu chứa 100 μl dung dịch uranium thì tổng hoạt độ phát alpha là 10,0 0,2 Bq khi đo trên hệ Alpha Analyst của PTN hạt nhân Đại học Tự nhiên.
Tiến hành thí nghiệm tương tự như đối với mẫu điện phân 50 μl dung dịch uranyl cloride để thu được 5 mẫu: M100.1, M100.2, M100.3, M100.4, M100.5.
Hình 3.14 Hình mẫu M100.5 3.2 Nguồn chuẩn
Nguồn chuẩn alpha: dùng để xác định các thông số đối với bức xạ alpha.
Nguồn chuẩn có hình dạng đĩa làm bằng thép không gỉ với đường kính 24,1 mm và chiều dày 0,65 mm.
Nguồn chuẩn được tạo từ phương pháp mạ điện phân kết tủa. Tổng hoạt độ phát alpha được xác định bằng detector nhấp nháy ZnS.
Ngày chuẩn hóa: 1/4/2004.
Tổng hoạt độ: 391 dpm = 6,517 Bq.
Sai số: 3 dpm = 0,050 Bq.
Khoảng năng lượng: 3700 – 7950 keV.
Bảng 3.1 Các đồng vị trong nguồn chuẩn alpha [3] Đồng vị Hoạt độ (dpm) Chu kỳ bán rã (năm) Phạm vi năng lượng (keV) U-238 U-234 Pu-239 Am-241 98,3 2,0 96,7 2,0 97,3 2,0 93,6 2,0 4,468.109 2,455.105 2,410.104 4,322.102 3900 – 4290 4580 - 4860 4950 - 5240 5275 – 6690
Hình 3.15 Hộp đựng nguồn chuẩn alpha và nguồn chuẩn alpha
Hiệu chỉnh hoạt độ của nguồn chuẩn
Công thức tính hoạt độ: 1/ 2 0,693 t T t 0 0 A A e A e (3.4)
trong đó A0 là hoạt độ tại thời điểm sản xuất. A là hoạt độ cần hiệu chỉnh.
T1/2 chu kì bán rã của đồng vị cần quan tâm. t là thời gian từ ngày sản xuất đến nay.
Tuy nhiên các đồng vị trong nguồn chuẩn có thời gian bán rã rất lớn so với thời gian từ ngày sản xuất đến nay (khoảng 6 năm). Do đó 1/ 2
0,693t t T
e 1
nên A = A0. Vì vậy có thể sử dụng hoạt độ tại thời điểm sản xuất để tính toán.
Nguồn chuẩn beta: dùng để xác định các thông số đối với bức xạ beta
Nguồn bao gồm các đồng vị: 238U + 234Th + 234U + 234Pa.
Ngày sản xuất: 25/12/2007.
Tổng hoạt độ phát beta của nguồn: 44,1 Bq.
Sai số: 4,41 Bq.
Hình 3.16 Hộp đựng nguồn chuẩn và nguồn chuẩn beta
Tổng lượng chất nhiễm bẩn lên hoạt độ nguồn không vượt quá 1%. Mức độ nhiễm bẩn khi vấy vào không quá 1 Bq.
Hiệu chỉnh hoạt độ: Tương tự như đối với nguồn chuẩn phát alpha vì thời gian bán rã lớn hơn nhiều so với thời gian từ lúc sản xuất đến lúc đo (khoảng 3 năm) nên có thể tính toán theo hoạt độ tại thời điểm sản xuất.
3.3 Đo đạc và kết quả
3.3.1 Xác định hiệu suất của máy [4]
Trong các phép đo phóng xạ khác nhau không phải hạt nào cũng được ghi khi rơi vào detector. Hơn nữa nếu tương tác xảy ra thì tín hiệu cũng chỉ được ghi nhận nếu nó có giá trị lớn hơn độ nhạy