Tác nhân quenching yếu Hydrogen chloride, ether, ester, alcohol, nước, fluoride, cyanide
Tác nhân quenching trung bình Ketone, bromide
Tác nhân quenching mạnh Iodide, amine, aldehyde, phenol, hơ ̣p chất nitro
Hình 1.13 cho thấy mối quan hê ̣ giữa năng lượng β cựa đa ̣i và hiê ̣u suất đếm. Trên hình vẽ ta thấy :
Với các nhân phát β có năng lượng cực đại lớn hơn 14C, hiê ̣u suất đếm hầu như bằng nhau.
Ngay cả với những nhân phát β năng lượng cao như 32P cũng cho hiê ̣u suất đếm 100%.
Hình 1.15. Mới quan hê ̣ giữa năng lượng cực đa ̣i của tia β và hiệu suất[9].
𝐸 % =𝐶𝑃𝑀 𝐷𝑃𝑀× 100 H iê ̣u su ất đ ếm (% )
1.3.4. Dung mơi và chất tan 1.3.4.1. Dung mơi 1.3.4.1. Dung mơi
Vì các chất nhấp nháy thường được sử dụng ở dạng bột, nó cần được hịa tan trong mơ ̣t số dung môi. Các dung môi cần phải thỏa mãn mô ̣t số điều kiê ̣n sau:
Hiê ̣u suất truyền năng lượng cao : Các hợp chất thơm như toluene và xylene có mang liên kết khơng bão hịa , tức là có cá c electron p. Các electron này có năng lươ ̣ng liên kết yếu và rất linh đô ̣ng, do đó dễ dàng bi ̣ di chuyển và bi ̣ kích thích . Cấu trúc phân tử của một số dung môi được sử dụng trong phương pháp đo nhấp nháy lỏng đươ ̣c mô tả trong Hình 1.16.
Phở hấp thu ̣ của mơ ̣t số dung môi không bao giờ trùng với phổ phát xa ̣ của chất tan: Khi các phổ này trùng lên nhau , năng lượng huỳnh quanh phát ra từ chất tan bi ̣ hấp thu ̣ mô ̣t phần bởi dung mơi , q trình này làm giảm hiê ̣u suất đếm. Hình 1.17 là một vụ điển hình trong đó toluene và xylene (dung mơi ) có phổ tách hồn toàn phổ phát xạ của PPO(chất nhấp nháy).
Cả chất phóng xạ và chất tan phải được hịa tan tốt trong dung mơi để tạo thành mô ̣t dung di ̣ch đồng nhất.
Dung môi cần phải có đơ ̣ tinh khiết cao.
Hình 1.17. Mới liên hê ̣ giữa bước sóng của phổ hấp thu ̣ của dung môi và phổ phát xạ của chất nhấp nháy(PPO)[9]. và phổ phát xạ của chất nhấp nháy(PPO)[9].
1.3.4.2. Chất tan
Chất tan cũng phải thỏa mãn các điều kiê ̣n sau:
- Hiê ̣u suất quang từ huỳnh quang cao. Hiê ̣u suất này được tính như sau: Số phân tử phát huỳnh quang
Hiê ̣u suất huỳnh quang = (1.4) Số phân tử ở trạng thái kích thích
- Thời gian tắt huỳnh quang ngắn. - Có khả năng hòa tan tốt với dung môi.
Do tên hóa ho ̣c của các chất tan rất phức ta ̣p nên chúng thường được go ̣i bằng tên viết tắt . Với mỗi vòng hữu cơ cấu ta ̣o nên phần tử chất tan được biểu diễn bằng mô ̣t tên được viết tắt như Hình 1.18 và liên kết của chúng biểu diễn tên của dung môi,(ví dụ PPO là 2,5-diphenyloxaxole(C15H11NO) bởi vì cấu trúc hóa ho ̣c của hợp chất này có chứa hai vòng phenyl được biểu diễn bằng chữ “O”)[9].
H ê ̣ sô ́ t ắt H ê ̣ sô ́ p h a ́t x a ̣ Bước sóng(mm)
Hình 1. 18. Tên viết tắt của mô ̣t số hợp chất hóa ho ̣c và cấu trúc phân tử của một số dung môi[9].
1.3.5. Nguyên lý đo đếm nhân phát α sƣ̉ du ̣ng detector nhấp nháy lỏng 1.3.5.1. Nguyên lý đo đếm tia α
Đo tia α thường được tiến hành bằng cách dùng buồng ion hóa , ống đếm tỷ lê ̣, detector bán dẫn hay chất nhấp nháy ZnS (Ag). Trong những trường hợp như vâ ̣y để có được kết quả chính xác khơng phải dễ dàng bởi vì tia α bị mất một phần do tự hấp thu ̣ của dung di ̣ch mẫu , bị hấp thụ bởi lớp không khí hoặc bởi vật liệu làm cửa sổ detector.
Mă ̣t khác, tia α được đo mô ̣t cách hiê ̣u quả bằng kỹ thuâ ̣t nhấp nháy lỏng , bởi vì phép đo được tiến hành bằng cách “đếm trong mẫu” trong đó chất phóng xạ được hòa tan trong chất nhấp nháy lỏng hoặc được điều chế ở dạng keo , sao cho mức đô ̣ tự hấp thu ̣ và hấp thu ̣ bên ngoài là nhỏ không đáng kể.
Quenching không ảnh hưởng đến kết quả phép đo α. Phổ α cho mô ̣t đỉnh có hình dạng tương tự như phân bố Ga uss bởi vì ha ̣t α là bức xạ đơn năng . Khi quenching xảy ra trong dung di ̣ch mẫu , phổ bi ̣ di ̣ch về phía vùng có chiều cao xung thấp hơn do cùng nguyên nhân như phổ β nhưng diê ̣n tích còn la ̣i không thay đởi (Hình 1. 19), tớc đơ ̣ đếm vẫn được duy trì và hiệu suất đếm luôn là 100 % [9].
Hình 1.19. Sự di ̣ch chuyển phổ α do quenching[9].
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 phổ 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 mô ̣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 đơ ̣ 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 công 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