Như đã trình bày ở mục 2.3.1, một vùng đất được chia thành nhiều khu vực, một khu vực được chia thành nhiều ô nhỏ. Các ô nhỏ như một mạng lưới phủ lấy khu vực lấy mẫu. Một ô nhỏ được gọi là đơn vị lấy mẫu. Ở đây, từ một ô lưới sẽ lấy năm mẫu nhỏ từ tâm và bốn góc của ô để tạo thành mẫu tổng hợp. Diện tích mỗi mảnh nhỏ đã biết, ví dụ sử dụng khung vuông cạnh 20 cm, sâu tối đa 5 cm để lấy mẫu. Gọi S là tổng diện tích bề mặt của năm mẫu nhỏ, Si là diện tích mỗi mẫu nhỏ. Mối liên hệ giữa S và
i
S được xác lập bởi công thức:
i i
Năm mẫu nhỏ lấy từ cùng một ô lưới được chứa trong thùng chứa sạch hoặc túi nhựa. Các mẫu nhỏ được trộn với nhau để tạo thành mẫu tổng hợp nhờ dụng cụ thích hợp. Trong quá trình này, những cục đất bị vỡ vụn hoặc các mẫu thô lớn hơn 2 cm đều bị loại bỏ. Gọi mss là khối lượng mẫu hoàn chỉnh (mẫu sau khi loại bỏ các phần tử thô), mts là khối lượng mẫu thử, a là hoạt độ tính trên một đơn vị khối lượng thì hoạt độ phóng xạ trên mặt đất As được tính bằng công thức:
ts S
m A =a.
S (2.2) Thông thường, chia mẫu thử làm 4 phần để tạo thành mẫu đất khô khối lượng 1kg. Như vậy, mẫu thử đặc trưng cho tỉ số khối lượng m’ss/mss và hoạt độ phóng xạ trên mặt đất As được tính bằng công thức: ts ss S ss m m A =a. S m' (2.3) 2.6.2. Xác định hoạt độ phóng xạ sử dụng dữ liệu ở tất cả các tầng đất
Việc này đòi hỏi phải lấy mẫu trên toàn khu vực để xác định mức độ ô nhiễm phóng xạ trên bề mặt và ở các độ sâu. Mẫu trên bề mặt đất được lấy ở độ sâu tối đa là 5 cm. Các tầng đất dưới, mẫu được lấy ở độ sâu 10cm hoặc ở độ sâu khác nhau đối với các tầng đất khác nhau cho đến khi không còn dấu hiệu của các đồng vị phóng xạ.
Hoạt độ phóng xạ As được xác định bởi hoạt độ trên mỗi đơn vị khối lượng aj, với j là số các tầng đất, bởi công thức: ts,j S j j m A = a . S ∑ (2.4)
Thông thường, chia mẫu thử làm 4 phần để tạo thành mẫu đất khô khối lượng 1kg. Như vậy, mẫu thử đặc trưng cho tỉ số khối lượng m’ss/mss và hoạt độ phóng xạ trên mặt đất As được tính bằng công thức: S j ts,j ss,j j ss,j m m A = a . S m' ∑ (2.5)
2.7. Chuẩn bị mẫu
Các mẫu nhỏ lấy từ một ô đơn vị lấy mẫu được đựng trong thùng chứa sạch hoặc túi nhựa, sau đó trộn các mẫu này với nhau để tạo thành mẫu tổng hợp. Trong khi thực hiện, các cục đất vỡ vụn hoặc những phần tử thô lớn hơn 2 cm bị loại bỏ đề tạo thành mẫu hoàn chỉnh.
Kế đến, chia mẫu hoàn chỉnh làm bốn để tạo mẫu đất khô có khối lượng 1 kg. Tất cả mẫu này được vận chuyển đến phòng thí nghiệm. Lưu ý, các mẫu lấy từ các tầng đất khác nhau không được trộn lẫn vào nhau [12].
2.7.1. Phân loại và đóng gói mẫu
Mẫu được đựng trong thùng chứa, đảm bảo thùng sạch, không phản ứng với đất và che chắn cẩn thận. Nhãn phân biệt các mẫu nên được dán ngoài thùng chứa.
Nhãn dán ngoài thùng chứa để phân biệt các mẫu cần có đầy đủ thông tin sau: Mã phân biệt mẫu, khu vực lấy mẫu và đơn vị lấy mẫu.
Ngày lấy mẫu.
Các thông tin thêm: độ sâu lấy mẫu, bề dày mẫu.
2.7.2. Vận chuyển và lưu trữ mẫu
Các mẫu được đóng gói cùng với thông tin mẫu được vận chuyển đến phòng thí nghiệm để phân tích.
Điều kiện vận chuyển, lưu trữ mẫu đảm bảo nghiêm ngặt, không chứa vật liệu ô nhiễm phóng xạ. Nhiệt độ khi vận chuyển và lưu trữ mẫu nên được báo cáo chi tiết.
Lưu trữ mẫu ở nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng 4o
C và giữ trong tối khi cần thiết. Nếu thời gian từ khi lấy mẫu đến khi tạo mẫu vượt quá nhiều ngày, mẫu nên được cất giữ ở nhiệt độ đông lạnh -18o
C, hoặc sấy khô ở nhiệt độ tối đa là 40o
C và bảo quản trong túi kín gió.
Nên giới hạn thời gian từ khi lấy mẫu đến khi tiến hành phân tích hoạt độ, đặc biệt khi nghiên cứu các đồng vị phóng xạ có chu kì bán rã ngắn.
Đưa ra các biện pháp đề phòng đặc biệt khi khảo sát các hợp chất hữu cơ, dễ bay hơi hoặc các đồng vị phóng xạ dễ hòa tan (iodine, tritium, chlorine…) để tránh thất thoát trong quá trình lưu trữ mẫu.
Một điều lưu ý là khi lưu trữ các mẫu đất trong thùng chứa thì thùng chứa phải đảm bảo đủ các điều kiện sau:
- Làm bằng vật liệu hấp thụ bức xạ gamma kém.
- Thể tích thùng chứa phải phù hợp với hình dáng detector để đạt hiệu suất đo lớn nhất.
- Kín nước và không phản ứng với các thành phần của đất. - Miệng thùng rộng, kín gió.
- Khó vỡ [12].
2.7. 3. Xử lý mẫu
Các bước xử lý mẫu gồm: Sấy khô, nghiền nhỏ, rây thành bột mịn. Việc xử lý mẫu cụ thể tuân theo các bước sau:
- Cân khối lượng của mẫu thử.
- Trải mẫu thành một lớp mỏng từ 1 cm đến 2 cm lên mặt phẳng, nhẵn và nhẹ nhàng mở mẫu ra bằng các dụng cụ thích hợp.
-Loại bỏ cây còn vướng lại trong mẫu đất (cỏ, rễ…) - Sấy khô mẫu ở nhiệt độ thấp hơn 40o
C từ 24h – 48h phụ thuộc độ ẩm mẫu. - Làm vỡ vụn những hòn đất dính với nhau bằng dụng cụ thích hợp.
- Rây mẫu thành bột mịn.
- Sấy bột ở nhiệt độ (105 10)± oC đến khi đạt được khối lượng không đổi. Khi đo các đồng vị phóng xạ dễ bay hơi thì nên sấy khô mẫu ở nhiệt độ tối đa là (40 5)± oC.
Bột mịn được tạo ra như trên được dùng làm mẫu thử.
Dưới đây là hình ảnh về vùng đất lấy mẫu, được chia thành ba khu vực lấy mẫu. Chú thích:
1: Khu vực không lấy mẫu bao quanh vùng đất. 2: Khu vực không lấy mẫu (diện tích quá nhỏ). 3: Đơn vị lấy mẫu
4: Mẫu
5: Các điểm không lấy mẫu. 6: Mẫu tổng hợp từ n mẫu nhỏ. 7: Trộn và loại bỏ các phần tử thô
8: Mẫu hoàn chỉnh 9: Xử lý mẫu. 10: Mẫu thử.
A,B,C là khu vực lấy mẫu.
Hình 2.3. Các khu vực lấy mẫu [12]
2.8. Sơ lược các bước phân tích hoạt độ phóng xạ
Sau khi lựa chọn phương pháp lấy mẫu, lập kế hoạch lấy mẫu, tiến hành lấy mẫu, chuẩn bị, xử lý và tạo mẫu, ta tiến hành phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ 40
K, 232Th, 238U phát gamma trong đất. Để phân tích hoạt độ của các đồng vị này cần sử dụng hệ phổ kế gamma. Luận văn này sử dụng hệ phổ kế gamma GMX-35P470 sẽ trình bày cụ thể hơn ở chương 3.
Mục này trình bày sơ lược về các bước tiến hành phân tích hoạt độ của đồng vị phóng xạ trong mẫu môi trường đất bằng hệ phổ kế gamma.
2.8.1. Đóng gói mẫu cho các mục tiêu đo khác nhau.
Lựa chọn thùng chứa phù hợp với thể tích của mẫu giúp tiết kiệm vật liệu. Để giảm hiệu ứng tự hấp thụ, chiều cao mẫu nên thấp tối đa.
Đánh dấu trên thùng chứa và đặt mẫu đầy đến nơi đánh dấu và gói mẫu để tránh thất thoát do thể tích.
Chú ý đến khối lượng mẫu vì khối lượng mẫu ảnh hưởng đến kết quả phân tích hoạt độ và hiệu chỉnh sự tự hấp thụ trong mẫu.
Khi cần thiết, nên cho thêm vật liệu vào mẫu cho đến điểm đánh dấu và điều chỉnh khối lượng mẫu tương ứng.
Khi đo đồng vị phóng xạ tự nhiên dễ bay hơi, nên bịt kín, che chắn thùng chứa cẩn thận.
Trong quá trình đưa mẫu vào thùng chứa, đất có thể bám trên mặt ngoài thùng, vì vậy cần lau thùng thật sạch để tránh ô nhiễm phóng xạ [12].
2.8.2. Phông nền phòng thí nghiệm
Khi các đồng vị phóng xạ tìm thấy trong đất giống các đồng vị phóng xạ có trong vật liệu xây dựng thì đầu dò (detector) và mẫu phải được che chắn đầy đủ, cẩn thận đề tránh ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên.Thông thường, đầu dò được che chắn bằng một buồng chì dày 10 cm để giảm phông phóng xạ.
Bức xạ từ các đồng vị phóng xạ tự nhiên tồn tại khắp mọi nơi và hoạt độ phóng xạ lớn trong nền đất, tường, trần nhà, không khí trong phòng thí nghiệm và hiện diện cả trong vật liệu tạo detector và buồng chì.
Tiến hành cải tiến buồng chì để giảm phông phóng xạ xuống thấp,từ đó,mới dễ dàng phát hiện đỉnh của các đồng vị cần phân tích và phép đo được chính xác hơn.
Công việc tiếp theo là chuẩn năng lượng, chuẩn hiệu suất. Phần này đã được đề cập ở mục 1.3.2.3 và 1.3.4. Chương 3 sẽ trình bày cụ thể về chuẩn năng lượng và xây dựng đường cong hiệu suất chuẩn cho riêng hệ phổ kế gamma GMX-35P470. Cuối cùng là hiệu chỉnh các kết quả đo [13].
2.9. Phân tích các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế gamma trên hệ phổ kế gamma
Ta đã biết khi nói đến phông phóng xạ có nghĩa là nó được tạo thành từ các nguyên tố có trong đất, các nguyên tố đó chủ yếu là 40
K, và chuỗi phân rã phóng xạ của 238
U, 232Th. Mục này trình bày cách phát hiện các đồng vị phóng xạ này có trong đất bằng cách sử dụng hệ phổ kế gamma.
2.9.1. Phát hiện 238 U
238
U với chu kì bán rã là 4,468.109 năm là đồng vị mẹ trong chuỗi phân rã phóng xạ uranium/radium. Ta không thể đo trực tiếp hoạt độ 238
U bằng hệ phổ kế gamma mà thông qua các sản phẩm phân rã của nó, 234
Th và 234mPa. Thông thường, ta sử dụng 234Th phát gamma năng lượng 63,28 keV. Mặc dù vậy, ở năng lượng thấp, sự không đồng nhất về matrix giữa mẫu chuẩn và mẫu thử có thể ảnh hưởng đến kết quả đo do sự tự hấp thụ trong mẫu khác nhau. Ngoài ra, còn có thể sử dụng gamma năng lượng 63,81 keV do 232
lượng 92,37 keV và 92,79 keV của 234
Th với xác suất phát là 4,81% (2,42%+2,39%) thì không có khả năng phát hiện ra 238
U.
Đồng vị 234mPa phát gamma năng lượng 1001,03 keV và 766,37 keV thì thích hợp để tính toán hoạt độ 238U vì năng lượng cao, mặc dù xác suất phát gamma nhỏ và phải xem xét hiệu ứng trùng phùng tổng. Khi đo gamma năng lượng 1001,03 keV, ta cần biết xác suất phát của nó là 0,839%.
2.9.2. Phát hiện 232 Th
232
Th với chu kì bán rã là 1,41.1010năm là đồng vị mẹ trong chuỗi phân rã phóng xạ thorium. 232Th phát ra gamma có năng lượng 63,81 keV với xác suất phát thấp 0,263%., đỉnh này chồng lên đỉnh năng lượng 63,28 keV của 234Th có xác suất phát cao hơn 4,1%, vì vậy 232
Th không thể phát hiện trực tiếp bởi hệ đo gamma trong mẫu môi trường đất. Chúng ta phát hiện ra 232
Th thông qua các sản phẩm phân rã của nó là 228Ac, 212Pb và 208 Tl và các sản phẩm này phải cân bằng thế kỉ với 232
Th.
Giả thiết này không phải lúc nào cũng đúng trong các mẫu đất vì có sự hiện diện của 228Ra với chu kì bán rã là 5,7 năm trong chuỗi phân rã giữa 232
Th và 228Ac ( chu kì bán rã là 6,3 giờ). 228
Ra có thể gây ra mất cân bằng phóng xạ do khả năng hòa tan của nó [12].
2.9.3. Phát hiện 40 K
40K là đồng vị có trong hỗn hợp kali tự nhiên (39
K, 40K, 41K), có độ phổ biến là 0,0119% và chu kì bán rã là 1,29.109 năm. 40K được phát hiện bởi hệ đo gamma bằng cách sử dụng tia gamma có năng lượng 1460,83 keV. [12]
2.9.4. Một số phương pháp xác định hàm lượng 238
U, 40K, 232Th trong mẫu môi trường đất
Hai phương pháp sau được sử dựng để xác định hàm lượng uranium, thorium, kalium trong các mẫu:
- Phương pháp tương đối:
Hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ được xác định thông qua sự so sánh giữa mẫu cần phân tích và mẫu chuẩn. Ở phương pháp này, mẫu đo và mẫu chuẩn phải được đo trong cùng một điều kiện. Khi đó, hoạt độ riêng của đồng vị trong mẫu đo được xác định bởi:
1 1 1 1 2 2 2 2 A t m N A = t m N (2.6)
Với: A2,A1 là hoạt độ riêng của mẫu đo và mẫu chuẩn tại thời điểm đo (Bq/kg). N2,N1 là tổng số đếm tại đỉnh năng lượng của mẫu đo và mẫu chuẩn. t1: Thời gian đo mẫu chuẩn (s)
t2: Thời gian đo mẫu đo (s)
m2,m1: Khối lượng của mẫu đo và mẫu chuẩn.
Phương pháp này khử được phần lớn các sai số hệ thống gây ra do quá trình chuẩn bị mẫu và do detector. Còn lại sai số chủ yếu do bản chất thống kê của quá trình phân rã, do hàm lượng của mẫu chuẩn và do sử dụng các số liệu hạt nhân.
Mẫu chuẩn có thể tự chế tạo hoặc đơn giản là dùng các mẫu chuẩn do các nhà sản xuất cung cấp. Mẫu chuẩn và mẫu đo càng tương đồng về mật độ và thành phần hóa học thì càng làm giảm sai số. Do đó phương pháp này gặp phải khó khăn khi phân tích đồng thời nhiều nguyên tố. Trong trường hợp đó, để sử dụng được phương pháp này ta phải chế tạo nhiều mẫu chuẩn khác nhau nên tốn kém hơn phương pháp tuyệt đối.
Sai số tương đối của hoạt độ được xác định như sau:
2 1 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 A A N m N m 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 1 2 σ σ σ σ σ σ = + + + + A A N m N m (2.7)
Trong đó σA2, σA1, σN2, σN1, σm2, σm1 là độ lệch chuẩn của các đại lượng A2, A1, N2, N1, m2, m1 trong công thức (2.6) [8].
- Phương pháp tuyệt đối:
Phương pháp này không cần mẫu chuẩn hàm: Hàm lượng các đồng vị cần quan tâm được xác định trực tiếp qua các số liệu ghi được trên phổ (như diện tích đỉnh phổ) và các thông số của hệ phổ kế (như hiệu suất ghi...) ta thường quan tâm tới phương pháp xác định hàm lượng uranium, thorium, kalium bằng phương pháp tuyệt đối.
Trong phương pháp tuyệt đối, phổ bức xạ gamma của mẫu nghiên cứu được khảo sát; các dính phổ năng lượng đặc trưng được xác định chính xác cả về vị trí và diện tích. Thông qua các thông tin có được trên đỉnh phổ đặc trưng, người ta xác định được hoạt độ của đồng vị phát bức xạ.
E
N A=
ε.P .t.m (2.8)
Trong đó:
A là hoạt độ của đồng vị phát bức xạ đặc trưng,PE là xác suất phát gamma,ε là hiệu suất ghi nhận bức xạ của hệ phổ kế, m là khối lượng mẫu đo,t là thời gian đo, N là diện tích đỉnh phổ.
Từ công thức (2.6), ta suy ra được công thức tính sai số hoạt độ:
E 2 2 2 2 2 2 P N t ε A m 2 2 2 2 2 E 2 σ σ σ σ σ σ = + + + + A N m t P ε (2.9)
Chúng ta nhận thấy, diện tích đỉnh phổ S được xác định trên phổ bức xạ ghi nhận được, suất lượng bức xạ PE có thể tìm thấy trong các bảng tra cứu, khối lượng mẫu đo m được xác định trước khi đo, thời gian đo t được xác định trong khi đo. Còn một đại lượng cần xác định đó là hiệu suất ghi tuyệt đối của hệ phổ kế. Hiệu suất ghi xác định bằng cách chuẩn bị mẫu phân tích có dạng hình học như mẫu chuẩn. Đo mẫu và thay năng lượng E đo được vào đường cong hiệu suất chuẩn đã xây dựng (mục 1.3.2.3) sẽ tính được hiệu suất ghi nhận của detector đối với bức xạ đặc trưng phát từ các đồng vị phóng xạ trong mẫu đất. Từ đó dễ dàng tính được hoạt độ của 238