Sự di ̣ch chuyển phổ α do quenching

Viê ̣c sử du ̣ng phương pháp đo nhấp nháy lỏng để đo các nhân phát α có những điểm thuâ ̣n lợi so với các phương pháp khác:

- Quá trình chuẩn bị mẫu đơn giản . Chỉ cần thêm mẫu α vào chất nhấp nháy lỏng và trộn đều.

- Phép đo được tiến hành không ảnh hưởng bởi hiện tượng hấp thụ của môi trường giữa mẫu và detector . Điều này không gi ống phương pháp đếm mẫu ngoài , đếm nhấp nháy lỏng không bị ảnh hưởng bởi hiện tươ ̣ng tự hấp thu ̣ và hấp thu ̣ do lớp không khí và cửa sổ detector.

- Hiê ̣u suất đếm là 100 %. Không giống như tia β, tia α là tia đơn năng do đó nó cho phổ có hình dạng giống phân bố Gauss . Diê ̣n tích đỉnh tương ứng với tổng tốc đô ̣ đếm.

- Ảnh hưởng của tia β và 𝛾 có thể được loại trừ. Khi trong mẫu có chứa nhân phát β và 𝛾 cùng với nhân phát α, phổ α chồng lên phở liên tu ̣c của β và 𝛾. Vì thế số

đếm của α có thể được tính bằng cách lấy tổng số đếm trừ đi số đếm của β và 𝛾[9].

1.3.5.2. Vị trí của phổ α trong phƣơng pháp đo nhấp nháy lỏng

Để so sánh hiê ̣u suất phát xa ̣ của ha ̣t α trong chất nhấp nháy lỏng với phổ electron, người ta lấy phổ α của 210Po(5,31 MeV) và phổ của các electron phát ra từ

113Sm-113In(0,36 MeV) làm ví dụ như trong Hình 1.20. Mă ̣c dù năng lượng phân rã của 210Po lớn hơn rất nhiều so với 113Sm-113In, nhưng các đỉnh của chúng nằm trên cùng một vùng phổ.

Sô

́ đ

ếm

Điê ̣n tích và số khối cao hơn so với ha ̣t β làm giảm quãng chạy của hạt α. Số lần ha ̣t α va cha ̣m với các phân tử dung môi và chất nhấp nháy sẽ nhỏ hơn vì vâ ̣y số photon sinh ra cũng nhỏ hơn nhiều , điều này làm cho viê ̣c truyề n năng lượng kích thích của hạt α đến hỗn hợp dung môi và chất nhấp nháy kém hiệu quả hơn [9].

Hình 1.20. Hiê ̣u suất phát xa ̣ và vi ̣ trí phổ α và e biến hóa nội[9].

1.3.5.3. Phân giải năng lƣơ ̣ng

Trước ghi đo năng lượng bức xa ̣ , đô ̣ phân giải năng lượng của thiết bi ̣ là thông số quan tro ̣ng . Nó được xác định bằng độ rộng của đỉnh tại ½ chiều cao cực đa ̣i(FWHM), FWHM chính là đô ̣ rô ̣ng của đỉnh ở vị trí một nửa số đếm cực đại tại số kênh trung tâm.

Chất nhấp nháy lỏng làm giảm đô ̣ phân giải năng lượng của detector bức xạ bán dẫn cũng như tinh thể nhấp nháy như NaI(Tl).

Năng lươ ̣ng bức xa ̣ cần để sinh ra mô ̣t că ̣p electron-lỗ trống rất nhỏ , khoảng 3 eV với mô ̣t detector bức xa ̣ bán dẫn và năng lượng tiêu tốn để sinh ra mô ̣t photon là khoảng 30 eV với detector NaI(Tl).Trái lại, trong nhấp nháy lỏng năng lượng cần để phát ra photon là khá cao, khoảng 100 eV. Năng lươ ̣ng cần thiết để ta ̣o thành mô ̣t că ̣p electron-lỗ trống hay photon càng nhỏ thì đô ̣ phân giải năng lượng càng tốt và tính thống kê càng cao . Như vâ ̣y , năng lượng cần thiết cao trong nhấp nháy lỏng làm cho đô ̣ phân giải của nó thấp hơn so với detector nhấp nháy rắn .

Sô

́ đ

ếm

Độ phân giải năng lượng của chất nhấp nháy lỏng là 15 % hoă ̣c cao hơn trong các phép đo bằng mơ ̣t PMT , vì vậy rất khó khăn trong việc nhận diện một vài tia α có các mức năng lượng gần nhau[9].

1.4. Tiêu chuẩn nồng độ hoạt độ phóng xạ trong nƣớc

Để đánh giá kết quả đo phân tích phóng xạ trong nước được chính xác cần phải căn cứ các tiêu chuẩn của trong nước và quốc tế. Gồm các tiêu chuẩn sau đây: - Quy chuẩn quốc gia QCVN 09-MT:2015/BTNMT về chất lượng nước dưới lòng đất của Bộ tài nguyên và Môi trường ban hành ngày 21/12/2015. Tổng hoạt độ anpha là 0,1 Bq/L, tổng hoạt độ beta là 1 Bq/L.

- Quy chuẩn quốc gia QCVN 08-MT:2015/BTNMT về chất lượng nước mặt của Bộ tài nguyên và Môi trường ban hành ngày 21/12/2015. Tổng hoạt độ anpha là 0,1 Bq/L, tổng hoạt độ beta là 1 Bq/L.

- Tổ chức y tế thế giới WHO (1996) về chất lượng nước thì tổng hoạt độ anpha là 0,1 Bq/L, tổng hoạt độ beta là 1 Bq/L.

- Theo Cộng đồng năng lượng nguyên tử châu âu(Euratom)(1989) về tình trạng khẩn cấp khi xảy ra sự cố bức xạ hạt nhân trong thực phẩm và nước thìtổng hoạt độ anpha là 20 Bq/L, tổng hoạt độ beta là 125 Bq/L[10].

Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP ĐO TỔNG BETA TRONG CÁC MẪU NƢỚC SỬ DỤNG THIẾT BỊ HIDEX 300SL

2.1. Giới thiê ̣u về thiết bi ̣ Hidex 300SL

Thiết bi ̣ Hidex 300SL là máy phân tích nhấp nháy lỏng dùng để xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu nước môi trường và cũng có thể phân tích hoạt độ phóng xạ trong nước tiểu , máu trên cơ thể người . Thiết bi ̣ Hidex 300SL có thể tự đô ̣ng thay đổi mẫu trong quá trình đo , được lắp ráp 3 ống nhân quang (PMT) tương ứng ở các góc 120 đô ̣ so với nhau , detector phân tích được bao bọc bởi detector chống phơng hình giếng loại BGO (Bi4Ge3O12)và đươ ̣c sử du ̣ng để đo các loại mẫu dạng lỏng sử dụng các loại chất nhấp nháy lỏng phù hợp với thể tích từ 5ml đến 20 ml. Vùng năng lượng để phân tích hoạt độ phóng xạ của hạt nhân phát ra tia beta từ 0 đến 2000 keV. Trọng lượng của thiết bị Hidex 300SL khoảng 180 kg.

Thiết bi ̣ Hidex 300SL được vâ ̣n hành bằng hệ phần mềm MikroWin 300 SL trên hê ̣ điều hành Windows 7 hoă ̣c 8, có giao diện đồ ho ̣a dễ sử du ̣ng và dữ liê ̣u dễ dàng xuất sang Excel[7].

Hình 2.1. Hình ảnh 3 ống nhân quang PMT[7].

Một trong những tính năng độc đáo của thiết bi ̣ Hidex 300 SL là các lọ được đặt trên một khay mẫu. Với định dạng ma trận là 8x12 tổng cộng 96 lọ 7ml trong

một khay mẫu hoặc khay khác là 5 x 8 ma trận tổng cộng 40 lọ 20ml có thể được sử dụng. Các khay có thể được sử dụng trong các thiết bị chuẩn bị mẫu như trạm xử lý chất lỏng hoặc máy thu hoạch tế bào[7].

Hình 2.2. Hình ảnh thiết bị Hidex 300SL.

Quy trình vận hành thiết bi ̣ Hidex 300SL

Bước 1: Kết nối nguồn điê ̣n, khởi đô ̣ng thiết bi ̣ đo và máy tính.

Trên giao diện phần mềm của thiết bị có thể chọn các chế độ như chọn khay đo, chọn vị trí đặt từng mẫu, vị trí kênh đo, thời gian đo và chọn các loại phổ.

Bước 3: Lưu tên mẫu cần đo và tiến hành đo

Trước khi tiến hành phép đo ta cần lưu tên mẫu cần đo và bấm Star để tiến hành phép đo.

Phương pháp chuẩn ngoài là phương pháp chuẩn được sử dụng trên thiết bị đo nhấp nháy lỏng. Trong phương pháp này, đếm dung dịch chuẩn và mẫu ở cùng một thời điểm và cùng một điều kiện unquenching, hiệu suất đếm đối với mẫu cần đo được tính bằng hiệu suất đếm của chuẩn.

2.2. Phƣơng pháp tỷ số trùng phùng ba trên trùng phùng đôi (TDCR)

Phương pháp tỷ số trùng phùng ba trên trùng phùng đôi (Triple Double Coincidence Ratio) là phương pháp đo cơ bản cho phép chuẩn hóa phóng xạ bằng đếm nhấp nháy lỏng . Phương pháp này cho phép tính hiê ̣u suất ghi từ tỷ số thực nghiê ̣m của tỷ số đếm trùng phùng ba trên trùng phùng đôi .Lý thuyết cơ bản dựa trên luâ ̣t phân bố thống kê của mô ̣t photon phát ra bởi quá trình nhấp nháy , phân bố poisson.

Giả thiết thứ nhất : Tiến hành n phép thử độc lập, mỗi phép thử sự kiện A xuất hiện với xác suất P(A) = p. Nếu khi n ∞ mà p 0 sao cho np = m = const thì ta có:

𝑃 𝑥/𝑚 = lim𝑛→∞𝑃𝑛 𝑥 =𝑚𝑥𝑥!𝑒−𝑚 (2.1) Giả thiết thứ hai :Xác suất ghi nhâ ̣n c ủa một photon không phải là không . Hiê ̣u suất ghi là xác su ất ghi nhâ ̣n chính là sự bổ sung của xác suất không ghi nhâ ̣n. Giả thuyết thứ hai này cho phép ta xem xét rằng xác suất không ghi nhâ ̣n là xác suất để quan sát 0 photon với giá trị trung bình của m. Từ đó cơng thức Poisson chúng ta nhận được:

𝐻𝑖ê 𝑢𝑠𝑢â 𝑡𝑔ℎ𝑖 = 1 − 𝑃 0 𝑚 = 1 − 𝑒−𝑚 (2.2)

Số liê ̣u thống kê này cũng đúng cho những gì quan sát được , đó là sự phân bố quang điê ̣n . Đây là kết quả của mô ̣t chuỗi ba quá trình ngẫu nhiên : Phân bố Poisson cho phát xa ̣ ánh sáng , phân bố đa thức cho tra ̣ng thái của các photon bên trong buồng quang ho ̣c và phân bố nhi ̣ thức cho quá trình quang điê ̣n trong catot quang điê ̣n. Đối với ba ống nhân quang với hiệu suất lượng tử 𝜗, chúng ta có công

thức sau:

Hiê ̣u suất ghi với 1-PMT: R1 = 1 − 𝑒

−𝜗𝑚 3

Hiê ̣u suất ghi với 2-PMT trùng phùng: R2= (1 − 𝑒

−𝜗𝑚

3 )2

Hiê ̣u suất ghi với 3-PMT trùng phùng: RT = (1 − 𝑒

−𝜗𝑚

3 )3

Hiê ̣u suất ghi với tổng logic của trùng phùng đôi: RD = 3(1 − 𝑒

−𝜗𝑚

3 )2 - 2 1 − 𝑒

−𝜗𝑚

3 3 (2.3)

Hình 2.3.Sơ đồ phân tíchcủa thiết bị Hidex 300SL được kết nối với máy tính được kết nối với máy tính

Tỷ số trùng phùng ba trên trùng phùng đôi là:

𝑇𝐷𝐶𝑅 = 𝜀𝑇 𝜀𝐷 = 𝑆(𝐸)(1−𝑒 −𝜗𝑚 3 )3dE 𝐸𝑚𝑎𝑥 0 𝑆 𝐸 (3(1−𝑒 −𝜗𝑚 3 )2−2(1−𝑒 −𝜗𝑚 3 )3)dE 𝐸𝑚𝑎𝑥 0 (2.4) Với 𝑚 = 𝛼 𝑑𝐸 1+𝑘𝐵𝑑𝐸𝑑𝑥 𝐸 0

Trong đó m(E) là số photon trung bình của năng lượng E, α là một tham số tự do mô tả hiệu quả của cocktail, kB là một thông số bán thực nghiệm và dE/dx là sự chuyển đổi năng lượng tuyến tính[4;6].

2.3. Quy trình chuẩn bi ̣ và xƣ̉ lý mẫu 2.3.1. Các phƣơng pháp làm giàu mẫu

Vì hoạt độ phóng xạ của mẫu nước là rất nhỏ do đó cần phải lấy lượng thể tích mẫu nước phân tích phải đủ lớn. Vì vậy, trước khi đo hoạt độ beta tổng trong chất nhấp nháy để tập hợp các ngun tố phóng xạ có thể tích mẫu lớn về thể tích nhỏ dưới dạng dung dịch có 2 phương pháp sau:

- Phương pháp đồng kết tủa. - Phương pháp bay hơi.

Đối với phương pháp đồng kết tủa:

Nội dung của phương pháp đồng kết tủa là tạo ra một, hoặc hai phản ứng kết tủa của kim loại nào đó trong dung dịch mẫu nước. Khi phản ứng kết tủa của kim loại đó xảy ra, sẽ kéo theo sự đồng kết tủa của các kim loại khác có tính chất hóa học gần với kim loại kết tủa. Trong nước chứa chủ yếu là các nguyên tố con cháu của dãy thori và uran, do đó phản ứng kết tủa thường chọn là Fe(OH)3 và Ca3(PO4)2 hoặc kết tủa của sunfat bari BaSO4. Các bước tiến hành như sau:

Mẫu nước cần xử lý được đựng trong bình thí nghiệm sạch bằng thủy tinh. Cho 10 ml H2SO4 với nồng độ 10 % vào 1 lít mẫu nước. Sau đó cho 1ml dung dịch BaCl2 được pha chế theo tỷ lệ 2 ml nước cất với 1 gam muối BaCl2, vào trong nước đã được axit hóa. Dùng đũa thủy tinh quấy đều để phản ứng kết tủa xảy ra.Sau đó đợi kết tủa lắng đọng xuống đáy bình gạn bỏ phần nước trong bên trên.Phần lắng đọng được xử lý tiếp.

Dùng dung dịch H2SO4 trên để rửa thành bình đến khi nào độ pH trong khoảng từ 7-8 thì dừng lại.Chuyển phần lắng đọng và nước rửa vào trong các lọ, Cho bốc hơi trong các lọ bằng đèn hồng ngoại hoặc trong tủ sấy dưới nhiệt độ 800C, đến thể tích 10 ml.

Tiếp theo trộn dung dịch mẫu thu được với chất nhấp nháy sáng theo tỷ lệ 1:1. Chất nhấp nháy được sử dụng là Aqualight Beta.Đây là chất nhấp nháy trong suốt phù hợp với các bức xạ beta. Sau khi nắp kín các lọ tiến hành lắc đều để mẫu hòa tan với chất nhấp nháy. Mẫu được lưu trữ trong thời gian thích hợp trước khi tiến hành đo[2].

Đối với phương pháp bay hơi:

Mẫu nước cần phân tích đã được xử lý được cho vào bình thí nghiệm sạch bằng thủy tinh với thể tích 1 lít. Cho 10 ml dung dịch HNO3với nồng độ 70% vào lọ thủy tinh chứa 1 lít mẫu nước. Dùng đũa thủy tinh quấy đều và cho bốc hơi trong tủ sấy dưới nhiệt độ 800C đến thể tích 10 ml.

Tiếp theo trộn dung dịch mẫu thu được với chất nhấp nháy theo tỷ lệ 3:4 (với 8 ml mẫu + 12 ml chất nhấp nháy). Chất nhấp nháy được sử dụng là Aqualight Beta.Đây là chất nhấp nháy trong suốt phù hợp với các bức xạ beta. Sau đó nắp kín các lọ tiến hành lắc đều để mẫu hòa tan với chất nhấp nháy. Mẫu được đặt trong môi trường nhiệt độ thích hợp trước khi tiến hành đo. Trong đề này đã sử dụng phương pháp bay hơi để làm giàu mẫu.

2.3.2. Quy trình xử lý một số loại mẫu lỏng

Đối với mẫu nước máy, nước mưa,nước ao, nước sông hồng và nước ngầm, gồm các bước sau:

Trước tiên để mẫu nước cần phân tích riêng một vị trí cho lắng đọng,sử dụng phần nước ở trên đem lọc bằng lớp bông dày 5 cm.Mẫu nước cần xử lý được đựng trong bình thí nghiệm sạch bằng thủy tinh. Cho 10 ml dung dịch HNO3 với nồng độ 70 % vào 1 lít mẫu nước. Dùng đũa thủy tinh quấy đều và cho bốc hơi trong tủ sấy dưới nhiệt độ 800C đến thể tích 8 ml. Sau đó tiến hành các bước sau:

Bước 1: Lấy lọ đựng mẫu bằng nhựa 20 ml.

Bước 2: Cho 12 ml Cocktail(Aqualight Beta) vào lọ nhựa (20ml). Bước 3: Cho 8 ml mẫu nước cần phân tích vào lo ̣ nhựa và lắc đều. Bước 4: Để ít nhất 4 tiếng trước khi đo, đo trong vòng 300 phút.

Cần mô ̣t số chú ý sau : Mẫu phải để chỗ mát , điều kiện bảo quản khơng nên q lạnh vì việc tách nước và cocktail có thể xảy ra. Nhiệt độ khoảng 18°C là tối ưu. Khi cocktail được thêm vào đối với mẫu nước, điều quan trọng là đảm bảo rằng nhiệt độ của mẫu vàcocktail làgiống nhau.

Đối với mẫu máu, gồm các bước sau:

Bước 1: Lấy 0,4 ml mẫu máu cho vào trong lọ đựng mẫu thủy tinh.

Bước 2: Thêm và khuấy nhẹ 1,0 mL dung dịch chất tan GoldiSolhoặc Soluene-350 với Isopropyl Alcohol tỷlệ 1:1 hoặc 1:2.

Bước 3:Ủ tại 60 độ C trongvòng 2 h (mẫu khi đó chuyển sang mầu nâu)

Bước 4: Để trong phòng lạnh, thêm 0,2 -0,5 mL oxy già 30% (Hydrogen peroxide) vào mẫu và khuấy đều. Để mẫu ổn định trong vòng 30 phút.

Bước 5: Vặn chặt nắp lọ rồi cho vào lò sấy hay bể tắm nhiệt 60 độ trong vòng 30 phút. Mẫu lúc này sẽ chuyển mầu vàng.

Bước 6:Để trong phòng lạnh cho 15 mL dung dịch nhấp nháy lỏng AquaLight, để trong phòng la ̣nh tối thiểu 60 phút mới tiến hành đo.

Đối với mẫu nước tiểu, gờm các bước sau:

Bình thường khi cho cocktail và mẫu nước tiểu sẽ có hiện tượng kết tủa thành lớp màng mỏng phía trên bề mặt. Hiện tượng này có thể kéo dài trong vịng 1h hoặc 1 ngày.Tuy nhiên nó khơng ảnh hưởng nhiều đến phép đo.

Nếu Cocktail không phù hợp với nước tiểu nó sẽ tạo hiện tượng kết tủa mầu trắng đục.Trong trường hợp này ta có thể thay thế Cocktail bằng nước cất hay nước khử ion với tỉ lệ 1: 1.

Bước 1: Lấy lọ đựng mẫu bằng nhựa 20 ml.

Bước 2: Cho 15-19 ml Cocktail vàolo ̣ nhựa (20ml).

Bước 3: Cho 1-5 ml mẫunướctiểuvào (Đốivới IAEA thường là tỉ lệ 2ml nướctiểu + 18 ml cocktail)

Đối với mẫu nước trong trường hợp sự cố bức xạ hạt nhân

Trong trường hợp khẩn cấp, quá trình lấy mẫu, xử lý mẫu phải được làm cận thận tránh nhiễm bẩn ra ngoài vật dụng đặt mẫu và các mẫu phải được phân tích nhanh chóng. Mẫu nước cần xử lý được đựng trong bình thí nghiệm sạch bằng thủy