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
U, 232Th, 40K trong mẫu môi trường đất [8].
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Chương 2 đã trình bày cụ thể về quy trình phân tích hoạt độ 238
U, 232Th, 40K trong mẫu môi trường đất. Sau khi chuẩn bị xong mẫu đất, để phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong đất, ta sử dụng hệ phổ kế gamma. Mỗi hệ phổ kế gamma có các đặc trưng riêng về độ phân giải năng lượng, hiệu suất ghi nhận của detector. Tham gia vào các công trình khoa học trên thế giới về phân tích hoạt độ trong đất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã đầu tư hệ phổ kế gamma GMX-35P470. Chương 3 này trình bày từng công việc cụ thể quy trình phân tích hoạt độ mẫu môi trường đất trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470. Sau này, khi có phân tích hoạt độ một mẫu đất bất kì trên hệ phổ kế gamma GMX-35P470 thì chỉ việc áp dụng các bước trong quy trình phân tích hoạt độ như đã trình bày trong luận văn này.
3.1. Sơ lược về hệ phổ kế gamma GMX-35P470
Luận văn này thực hiện việc khảo sát phổ đã được đo bằng hệ phổ kế gamma phông thấp GMX-35P470 tại Phòng Thí nghiệm Kĩ thuật Hạt nhân trường Đại học Khoa học Tự nhiên TPHCM. Một hệ phổ kế thông thường gồm đầu dò Germanium siêu tinh khiết được cung cấp điện áp một chiều nhờ nguồn nuôi cao thế. Đầu dò và nguồn phóng xạ được đặt trong buồng chì giảm phông mua của hãng Ortec. Đầu dò ghi nhận bức xạ và ở lối ra của detector xuất hiện tín hiệu điện yếu. Tín hiệu này được khuếch đại nhờ bộ tiền khuếch đại tiếp sau. Bộ tiền khuếch đại có tác dụng dung hòa tổng trở giữa lối ra của detector và lối vào của bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại phục vụ cho hai mục đích cơ bản: khuếch đại tín hiệu từ tiền khuếch đại và hình thành xung để có dạng thuận tiện cho xử lý tiếp theo. Kế đến, là bộ ADC (Bộ biến đổi tương tự thành số) đo biên độ cực đại của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành mã số và cuối cùng là máy phân tích đa kênh MCA [8]. Hình 3.1 là sơ đồ hệ phổ kế gamma.
Hình 3.1. Sơ đồ hệ phổ kế gamma [11]