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 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 khơng 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 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 80oC 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 3 tiếng trước khi đo, đo trong vòng 30 phút.
2.4. Đo phông, chuẩn hiệu suất 2.4.1. Đo phông
Phép đo đếm hạt nhân luôn kèm theo đếm phông . Trong phương pháp đo nhấp nháy lỏng, phông do mô ̣t số nguyên nhân sau:
Tia vũ tru ̣: Trong các tia vũ trụ đến mặt đất , khoảng ¾ là 𝜋 -meson. Do khả năng thẩm thấu của tia vũ tru ̣ rất ma ̣nh , xác suất để chất nhấp nháy phát huỳnh quang thông qua va cha ̣m trực tiếp với tia vũ tru ̣ là khá nhỏ . Phông có liên quan đến tia vũ trụ xuất hiện do các electron thứ cấp được sinh ra bởi va chạm của tia vũ trụ với vâ ̣t liê ̣u bao quanh detector và bức xa ̣ Cerenkov sinh ra do va cha ̣m của tia vũ trụ với chai đựng mẫu.
Phóng xạ tự nhiên : 40K có trong thành phần của chai đựng mẫu cũng đóng góp vào phông. 222Rn, Tn(220Rn) và con cháu của nó có mặt trong khơng khí phịng thí nghiệm, cũng đóng góp vào thành phần của phông.
Đếm trùng phùng ngẫu nhiên : Để tăng hiê ̣u suất phát quang , các vâ ̣t liê ̣u có khả năng làm việc thấp được dùng trong PMT và do đó có thể phát ra dòng tối . Để khử những xung không phải tín hiê ̣u mẫu , mô ̣t phương pháp đếm trùng phùng đã đươ ̣c áp du ̣ng , tuy nhiên rất khó loa ̣i trừ hoàn toàn tiếng ồn ngay cả khi sử du ̣ng
mạch trùng phùng và tiếng ồn có thể ghi nhận như một quá trình đếm trùng phùng ngẫu nhiên phát ra từ mạch trùng phùng.
Cross-talk: Khi hai PMT đă ̣t đối diê ̣n nhau với góc 1800, ánh sáng phát ra t ừ mô ̣t trong hai PMT có thể được ghi nhâ ̣n bởi PMT kia . Hiê ̣n tượng này go ̣i là “cross-talk”. Ngay cả khi dung di ̣ch mẫu được đă ̣t giữa hai PMT , hiê ̣n tượng “cross- talk” vẫn có thể xảy ra và tín hi ệu ra trùng phùng gây nên phông . Sự phát ra xung trong PMT có thể do hai nguyên nhân sau:
- Bức xa ̣ Cerenkov do sự va cha ̣m của tia vũ tru ̣ với vâ ̣t liê ̣u làm PMT và do phóng xạ tự nhiên.
- Sự phóng điện của khí dư trong PMT[9].
2.4.2. Chuẩn hiê ̣u suất
Trong hệ đo nhấp nháy lỏng thì việc tính hiệu suất ghi được tính theo nhiều phương pháp. Nhưng phương pháp chuẩn nội, phương pháp chuẩn ngoại và phương pháp tỷ số trùng phùng ba trên trùng phùng đôi là các phương pháp rất hiệu quả trên hệ đo nhấp nháy lỏng
Đối với phương pháp chuẩn nội: Trong phương pháp này, trước tiên dung
dịch mẫu được đếm riêng và sau đó đếm lại sau khi thêm chuẩn. Từ kết quả đếm dung dịch chuẩn và mẫu ở cùng một thời điểm và cùng điều kiện quenching, hiệu suất ghi đối với mẫu cần đo được bằng hiệu suất ghi của chuẩn. Hiệu suất ghi của chuẩn nội được tính theo cơng thức sau:
𝜀𝑖𝑠 =𝑛𝑖𝑠−𝑛𝑠
𝐴𝑖 (2.5) trong đó: 𝜀𝑖𝑠 là hiệu suất ghi của mẫu chuẩn nội
nis là tốc độ đếm của mẫu và mẫu chuẩn nội được trộn lẫn vào nhau. nslà tốc độ đếm của mẫu khi chưa trộn lẫn với mẫuchuẩn nội.
Ai là hoạt độ của mẫu chuẩn nội [Bq][9].
Đối với phương pháp chuẩn ngoại: Trong phương pháp này để tính hoạt độ
của mẫu thì dựa vào hiệu suất ghi của mẫu chuẩn ngoại. Hiệu suất ghi của nguồn chuẩn ngoại được tính theo cơng thức sau:
εβ =ns−nb
As (2.6)
trong đó:As là hoạt độ hiện tại của nguồn chuẩn đơn vị [Bq] ns là tốc độ đếm của nguồn chuẩn
nb là tốc độ đếm của phông
εβlà hiệu suất ghi của mẫu chuẩn ngoại[9].
Trên hệ Hidex 300SL không sử dụng phương pháp chuẩn nội được do khơng có nguồn chuẩn nội. Do đó, hệ Hidex 300SL phải dựa vào phương pháp chuẩn ngoại, nguồn chuẩn ngoại được trang bị trên Hidex 300SL là nguồn 14C với hoạt độ 1,7 kBq ngày 05/09/2014.
2.5. Phân tích số liệu
Đo mẫu cần phân tích và xác định nồng độ hoạt độ phóng xạ beta tổng. Tính tốn nồng độ hoạt độ phóng xạ beta tổng được tính theo cơng thức sau:
CG β = εns
i.V (2.7) trong đó: CGβ là nồng độ hoạt độ phóng xạ beta tổng đơn vị [Bq/L]
ns là tốc độ đếm của mẫu
𝜀 i là hiệu suất ghi nguồn chuẩn
V là thể tích của mẫu [L]
- Tính tốn truyền sai số được tính theo cơng thức sau:
𝜎 = 𝐶𝐺𝛽 (𝜎𝑛