Chương 2 THỰ C NGHI Ệ M
2.2.4. Các đồng vị phĩng xạ quan tâm
Đặc điểm của các đồng vị phĩng xạ xác định bằng hệ phổ kế gamma của
Trung tâm hạt nhân TP HCM được cho trong bảng sau:
Bảng 2.6. Các đồng vịđược xác định bằng hệ phổ kế gamma phơng thấp.
Nguyên tố Đồng vị dùng để phân tích Năng lượng gamma (keV)
U(238U) Ra(226Ra) Th(232Th) K(40K) 234Th 214Pb, 214Bi 212Pb, 208Tl, 228Ac 40K 63,3 295, 352, 609 238, 583 1461
Đối với đồng vị 40K, việc phân tích tương đối đơn giản vì nĩ phát ra tia gamma đơn năng 1461 keV.
Đồng vị 232Th phát ra tia gamma năng lượng 63,8 keV (0,27%). Tia này cĩ
cường độ quá thấp và hiệu suất phân rã kém nên khơng sử dụng để đo trực tiếp
232Th. Trong chuỗi phân rã của thorium cĩ một số đồng vị đạt cân bằng với 232Th và phát ra các tia gamma năng lượng thích hợp để đo 232Th. Hai đồng vị thường được sử dụng là 212Pb (238 keV; 42,60%), 208Tl (583,2 keV; 84,50%).
Việc phân tích nguyên tố uran gặp nhiều khĩ khăn do chuỗi phân rã cĩ vấn đề về cân bằng thế kỷ. Cĩ hai cách xác định uran là xác định bằng 235U và xác định bằng 238U.
Việc xác định uran bằng đồng vị 235U được thực hiện qua việc đo vận tốc
đếm của tia gamma tại đỉnh 185,7 keV nhưng tại đỉnh năng lượng này phổ gamma
gặp tia gamma 186,21 keV của đồng vị 226Ra. Hai đỉnh này trùng nhau, dù phổ kế gamma cĩ hiện đại nhất cũng khơng tách được. Do đĩ phải loại trừ phần đĩng gĩp của226Ra. Ra được xác định thơng qua các con cháu 214Pb và 214Bi của nĩ.
Nhân 226Ra (T1/2 = 1600 năm) phân rã ra 222Rn (T1/2 = 3,8 ngày) là một khí trơ rất dễ khuếch tán ra khỏi mẫu. Nhốt mẫu 40 ngày (10 chu kỳ bán rã của222Rn)
để Ra-Rn cân bằng thế kỷ. 222Rn phân rã thành 218Po, sau đĩ thành 214Pb và 214Bi. Sau khi nhốt mẫu, quá trình phân rã từ 222Rn đến 214Pb và 214Bi là cân bằng. Cĩ thể sử dụng đỉnh 351,93 keV của 214Pb nhưng phải hiệu chỉnh phần đĩng gĩp của
214Bi.
Như vậy, phương pháp phân tích uran bằng 235U cĩ quá nhiều hiệu chỉnh. Khĩ khăn đáng kể nhất là xác định chính xác hiệu suất ghi của các tia gamma này trên mẫu thực. Mặt khác, trong các điều kiện địa hĩa nhất định 226Ra cĩ thể di chuyển đến hoặc đi khỏi mẫu và sẽ làm sai lệch kết quả phân tích. Chính vì thế phương pháp thơng dụng để xác định uran là thơng qua 238U.
Bản thân 238U phát ra các tia gamma năng lượng 49,66 keV (0,076%) và 110,0 keV (0,029%) nhưng trong thực tế khơng thể sử dụng để phân tích 238U vì các tia này cĩ cường độ yếu trên nền phơng cao của phổ gamma. Trong họ uranium 238U cĩ một số đồng vị phát nhiều tia gamma với năng lượng thích hợp để đo, nhưng khi
đĩ phải chứng minh sự cân bằng giữa các đồng vị này với đồng vị 238U. Hai đồng vị
thường được sử dụng là 214Pb (T1/2 = 26,8 phút) và 214Bi (T1/2 = 19,9 phút), trong đĩ
214Pb phát ra các tia gamma năng lượng 241,9 keV (7,46%); 295,2 keV (19,2%) và 351,9 keV (37,1%) cịn 214Bi phát ra các tia gamma năng lượng 609,3 keV (46,1%); 768,4 keV (4,88%); 1120,4 keV (15,0%) và 1764,6 keV (15,9%). Khi phân tích
238U người ta thường sử dụng các tia 295,2 keV; 351,9 keV và 609,3 keV vì chúng cĩ cường độ lớn. 214Bi và 214Pb là con cháu của222Rn - chất khí trơ với thời gian bán rã 3,8 ngày. Sau khi tạo thành từ đồng vị mẹ 226Ra, 222Rn thốt ra ngồi một phần do phát xạ và một phần do khuếch tán, do đĩ làm 226Ra và 222Rn mất cân bằng. Như vậy hàm lượng đo được theo phổ gamma của 214Pb và 214Bi khơng phải là hàm lượng của 226Ra. Cĩ thể nhốt mẫu nhằm mục đích cân bằng 226Ra và 222Rn. Tuy nhiên, hàm lượng 226Ra cũng chưa được coi là hàm lượng 238U vì giữa hai đồng vị này cũng bị mất cân bằng do các quá trình biến đổi địa hĩa.
Trong chuỗi phân rã của 238U cĩ đồng vị con trực tiếp là 234Th (T1/2 = 24,1 ngày) và đồng vị con của nĩ là 234mPa (T1/2 = 1,17 phút). Như vậy 234Th và 238U cĩ
thể đạt cân bằng thế kỷ trong 160 ngày cịn đồng vị con của 234Th là 234mPa luơn luơn cân bằng thế kỷ với 234Th và 238U. Vì vậy nếu ta phân tích được 234Th hoặc
234mPa thì ta sẽ biết được hàm lượng của 238U. Đồng vị 234Th phát các tia gamma cĩ năng lượng 63,3 keV (4,49%) và 92,6 keV (5,16%) cịn 234mPa phát các tia gamma năng lượng 766,6 keV (0,21%) và 1001,2 keV (0,59%). Tia 1001,2 keV cĩ cường độ yếu; tia 92,6 keV bị trùng với tia X của thori (93,3 keV) cịn tia 766,6 keV bị trùng với tia 768,4 keV của 214Bi. Do đĩ chỉ cịn lại tia 63,3 keV cĩ thể sử dụng để phân tích.
Đối với các mẫu mơi trường cĩ hàm lượng 238U khơng vượt quá 20 ppm
(240 Bq/kg), muốn phân tích chúng cần khối lượng mẫu lớn. Khi đĩ, việc đo tia gamma 63,3 keV gặp phải hai khĩ khăn. Thứ nhất, đỉnh 63,3 keV nằm trên nền phơng cao của phổ gamma trong miền năng lượng thấp. Thứ hai, tia gamma 63,3 keV bị hấp thụ mạnh trong mẫu đo cĩ thể tích lớn. Nhiều cơng trình nghiên cứu đã được tiến hành để khắc phục hai khĩ khăn trên bằng nhiều cách tiếp cận khác nhau, cả lý thuyết lẫn thực nghiệm. Buồng chì của hệ phổ kế gamma của Trung tâm hạt nhân TP HCM đã được cải tạo bằng cách lĩt thêm thiếc, farafin và đồng vào bên trong để tạo nên phơng thấp, giảm mạnh các đỉnh năng lượng trong miền gamma mềm dưới 100 keV, nhờ đĩ đỉnh năng lượng 63,3 keV vượt hẳn lên trên nền phơng và cho phép xác định diện tích đỉnh 63,3 keV với sai số thống kê dưới 5%. Hiệu ứng hình học và hiệu ứng tự hấp thụ tia gamma 63,3 keV trong mẫu khi mẫu cĩ thể tích lớn cũng đã được hiệu chỉnh. Nhờ đĩ việc phân tích 238 U bằng đỉnh 63,3 keV khá thuận lợi với kết quả cĩ độ tin cậy cao. Do đĩ việc phân tích 226Ra cĩ thể được hiệu chỉnh chính xác hơn. Việc đo 226Ra được thực hiện bằng cách nhốt mẫu sau 10 chu kì bán huỷ của 222Rn khoảng 40 ngày để đạt cân bằng Ra-Rn. Việc xác định các đồng vị phĩng xạ khác như 40K và 232Th khá đơn giản .
Như vậy hệ phổ kế gamma của Trung tâm hạt nhân cĩ thể dùng để xác định các đồng vị phĩng xạ trong đá ốp lát dùng làm vật liệu xây dựng.