Chương 2 CÁC GIẢ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3 Các phương pháp phân tích
2.3.1 Phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường
Đa số các đồng vị phóng xạ trong đất và trầm tích có thể phân tích được trên hệ phổ kế gamma phông thấp. Tuy vậy, vì giới hạn dưới của phép phân tích 230Th bằng phương pháp gamma rất lớn, nên phương pháp thu nhận phổ anpha sẽ được sử dụng để phân tích đồng vị này.
2.3.1.1 Phân tích đồng vị phóng xạ trên hệ phổ kế gamma
Về cơ bản luận án sử dụng phương pháp phân tích đã được phát triển trước đây tại phòng thí nghiệm (được trình bày tóm tắt tại Mục 1.3.6 - Chương 1). Tuy nhiên,
do cách nhốt radon của phương pháp hiện có không làm cho các đồng vị radon cân bằng phóng xạ với đồng vị mẹ, dẫn đến độ nhạy và độ chính xác của phép phân tích không đủ đáp ứng cho mục tiêu nghiên cứu của liận án. Vì thế, kỹ thuật gia công mẫu sẽ được cải tiến để nâng cao hiệu suất giữ radon trong mẫu. Các nội dung nghiên cứu liên quan đến phương pháp mới bao gồm: (i) Lựa chọn chất phụ gia; (ii) Lựa chọn bề dày mẫu tối ưu; (iii) Khảo sát thời gian hồi phục của radon trong mẫu;
(iv) Khảo sát độ nhạy của phương pháp; (v) Đảm bảo chất lượng (QA) và kiểm soát chất lượng phân tích (QC).
a) Đặc trưng của hệ phổ kế gamma
Hệ phổ kế gamma gồm detectơ bán dẫn germanium siêu tinh khiết (ký hiệu là HPGe30/19) và các khối điện tử chức năng (cao thế, khuếch đại phổ, card MCA) của hãng Canberra. Đặc trưng cơ bản của detectơ HPGe30/19 như sau: thể tích nhạy 140 cm3; độ phân giải 1,87 keV tại đỉnh 1332,5 keV của 60Co; tỷ số Peak/Compton là 56:1; hiệu suất ghi tương đối 30%.
Để giảm phông, detectơ được đặt trong buồng chì hình trụ cao 30 cm, đường kính trong 30 cm, lớp chì dày 10 cm (độ tinh khiết > 99,5 %). Bên trong buồng chì lót lớp thép không gỉ dày 5 mm. Giá trị phông tích phân của hệ phổ kế và phông tại các đỉnh thường quan tâm được đưa ra trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Đặc trưng phông của hệ phổ kế gamma HPGe30/19 (sai số đưa ra với mức tin cậy 95%)
Đồng vị Năng lƣợng (keV)
Phông γ
(xung/103s) Đồng vị Năng lƣợng (keV)
Phông γ (xung/103s)
235U+226Ra 186 10,24 ± 0,47 228Ac 969 0,67 ± 0,31
234Th 63 4,22 ± 0,46 224Ra 241 1,45 ± 0,51
234Pa 1001 0,77 ± 0,19 212Pb 239 7,31 ± 0,41
230Th 67 0,15 ± 0,45 212Bi 727 0,37 ± 0,18
214Pb 295 1,18 ± 0,36 208Tl 583 1,77 ± 0,21
214Pb 352 1,64 ± 0,38 208Tl 2615 3,90 ± 0,18
214Bi 609 1,24 ± 0,31 40K 1461 5,79 ± 0,28
210Pb 46 0,68 ± 0,36 137Cs 662 0,22 ± 0,29
228Ac 338 0,27 ± 0,44 7Be 478 0,18 ± 0,31
228Ac 911 0,17 ± 0,28
Phông tích phân (100 keV - 2000 keV): 1,86 xung/giây
b) Lựa chọn chất phụ gia trong gia công mẫu
Dựa trên một số thông tin công bố trên thế giới về khả năng giữ radon trong mẫu của nhựa polyeste [69], nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát một số loại nhựa polyeste có sẵn trên thị trường Việt Nam để chọn làm chất phụ gia với các tiêu chí sau: (i) Nguồn nhựa dễ mua và cung cấp ổn định; (ii) Thời gian đông rắn phù hợp với mục đích công việc; (iii) Phông phóng xạ gây ra do chất phụ gia không làm thay đổi đáng kể đặc trưng phông của hệ phổ kế gamma. Với hai tiêu chí đầu thì có khá nhiều loại nhựa polyeste đáp ứng được, tuy nhiên nhựa Orthophtelic (mã hiệu:
Reversol P-9509 NW) có phông gamma thấp nhất và hầu như phông khi có mẫu nhựa và khi không có nhựa là như nhau trong vòng sai số (Bảng 2.2). Với kết quả khảo sát này, nhựa Reversol P-9509 NW đã được chọn làm chất phụ gia trộn với mẫu phân tích để hóa rắn. Để đẩy nhanh quá trình đông rắn nhựa, người ta dùng Methyl Ethyl Ketone Peroxide (MEKP) tỷ lệ 1%.
Bảng 2.2. Phông gamma khi đo mẫu nhựa Reversol P-9509 NW (sai số đưa ra với mức tin cậy 95%)
Đồng vị Năng lƣợng (keV)
Phông γ
(xung/103s) Đồng vị Năng lƣợng (keV)
Phông γ (xung/103s)
235U+226Ra 186 11,06 ± 0,52 228Ac 969 0,64 ± 0,24
234Th 63 4,52 ± 0,44 224Ra 241 1,35 ± 0,42
234Pa 1001 0,93 ± 0,17 212Pb 239 7,56 ± 0,44
230Th 67 0,19 ± 0,42 212Bi 727 0,48 ± 0,22
214Pb 295 1,24 ± 0,38 208Tl 583 1,86 ± 0,26
214Pb 352 1,58 ± 0,34 208Tl 2615 3,89 ± 0,16
214Bi 609 1,17 ± 0,28 40K 1461 5,54 ± 0,21
210Pb 46 0,92 ± 0,39 137Cs 662 0,14 ± 0,22
228Ac 338 0,17 ± 0,33 7Be 478 0,12 ± 0,26
228Ac 911 0,11 ± 0,21
Phông tích phân (100 keV - 2000 keV): 1,87 xung/giây c) Khảo sát bề dày mẫu tối ưu
Các vạch gamma quan tâm khi phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường nằm rải rác trong một dải rộng, từ 46 keV của 210Pb đến 2614 keV của 208Tl. Do đặc điểm mẫu dày nên hiệu ứng tự hấp thụ gamma của mẫu là đáng kể đối với các vạch gamma năng lượng thấp, đặc biệt là các vạch 46 keV, 63 keV và 186 keV. Do đó, cần chọn một độ dày mẫu thích hợp để đảm bảo rằng, với độ dày như thế hiệu ứng
tự hấp thụ gamma đối với các vạch năng lượng thấp không quá lớn (vẫn thỏa mãn điều kiện tốc độ đếm tỷ lệ với khối lượng mẫu) nhưng độ nhạy phép phân tích vẫn đáp ứng đối với đối tượng mẫu yêu cầu.
Tính toán lý thuyết
Với mục tiêu lựa chọn bề dày mẫu tối ưu đối với hiệu ứng tự hấp thụ gamma trong mẫu, để đơn giản hoá bài toán, chỉ cần tính toán, khảo sát đối với mẫu hình đĩa. Trong trường hợp mẫu có kích thước lớn đặt gần detectơ, hiệu ứng làm yếu cường độ chùm tia và hiệu suất ghi không thể tách riêng rẽ được mà phải gộp chung tất cả vào trong giá trị hiệu suất ghi [30]. Trong trường hợp này, giá trị hiệu suất ghi tỷ lệ với tích phân sau đây với các tham số nêu trong Hình 2.1:
R t z
rdxdr d
x r I e
0 0
2
2 ( )
)
( (2.1)
) (
)
( 2
2
d x
d x r
z x (2.2)
Hình 2.1. Hình học đo và các đại lượng được dùng trong tích phân (2.1)
Ở đây, giá trị tích phân (2.1) được tính toán ứng với các bề dày mẫu khác nhau đối với vạch 46 keV và 63 keV. Trong tính toán này, tích phân (2.1) được tính bằng phương pháp số với sai số 10-4. Các tham số dùng để tính như sau: bán kính mẫu R = 3,7 cm, d = 0,5 cm (là khoảng cách từ tinh thể Ge đến bề mặt lớp vỏ nhôm), hệ số làm yếu khối bằng 0,5472 (cm2/g) và 0,2797 (cm2/g) tương ứng với 46 keV và 63 keV, mật độ mẫu là 1,54 g/cm3. Hệ số được lấy theo tài liệu [30] và dùng phương pháp nội suy Parabolic để tính cho các vạch 46 keV và 63 keV. Đối với vạch 46 keV, giá trị tích phân được tính cho bề dày mẫu thay đổi từ 0,1cm đến
R t
Det.
d
r
x z
4,0cm, và sau đó lấy tỷ số giá trị tích phân ứng với các bề dày khác nhau với bề dày 4 cm (tỷ số tích phân chính là tỷ số hiệu suất). Đối với vạch 63 keV, tích phân được tính với bề dày mẫu thay đổi từ 0,1 cm đến 6 cm; sau đó tính tỷ số của giá trị tích phân ứng với các bề dày khác nhau với giá trị tích phân ở bề dày 6 cm. Kết quả tính toán lý thuyết sẽ định hướng cho phần thực nghiệm tiếp theo.
Khảo sát thực nghiệm
Sự suy giảm cường độ bức xạ gamma tại các vạch 46 keV và 63 keV do hiệu ứng tự hấp thụ được khảo sát bằng thực nghiệm đối với mẫu trầm tích hồ. Mẫu được đựng trong ống nhựa hình trụ đường kính 7,4 cm và được nén đến mật độ khoảng 1,5 g/cm3. Bề dày mẫu tăng dần từ 0,2 cm đến 6,0 cm với bước tăng trong khoảng 0,3 0,5 cm. Tại mỗi bề dày, mẫu được đo trong 30 giờ trên hệ phổ kế gamma phông thấp để xác định số đếm tại vạch 46keV và 63keV. Sự thay đổi của tỷ số số đếm tại các bề dày khác nhau so với số đếm tại bề dày 4 cm (đối với vạch 46 keV) và số đếm tại bề dày 6 cm (đối với vạch 63 keV) cho phép chúng ta xác định khoảng bề dày có hiệu suất đếm tỷ lệ tuyến tính với khối lượng mẫu.
d) Phương pháp gia công mẫu
Mẫu sau khi nghiền mịn được trộn đều với nhựa polyeste và chất đông rắn, sau đó cho vào các khuôn có hình học xác định. Sau khoảng 16 24 giờ thì mẫu khô hoàn toàn và được tháo ra khỏi khuôn. Các bước chi tiết như sau:
1. Mẫu sau khi nghiền mịn, lấy khoảng 50 g (hình đĩa) hoặc 300 g (hình giếng) cho vào cốc nhựa có thể tích tương ứng; ký hiệu khối lượng mẫu là A1.
2. Đưa thêm vào cốc khoảng 30 g nhựa polyeste (đối với hình đĩa) hoặc 190 g nhựa polyeste (đối với hình giếng) và 1% chất đông rắn; ký hiệu khối lượng tổng cộng (mẫu + nhựa + chất đông rắn) là A2.
3. Dùng que khuấy trộn đều nhựa và mẫu trong khoảng 15 phút.
4. Đổ hỗn hợp thu được vào các khuôn nhôm có hình học xác định, chờ khoảng 30 phút trước khi đóng nắp khuôn để bọt khí nổi lên bề mặt (thời gian chờ thay đổi tùy theo loại mẫu nên cần thăm dò độ cứng của hỗn hợp để chọn thời điểm đóng nắp thícxh hợp). Để hỗn hợp đông rắn ở nhiệt độ phòng trong khoảng 16 24 giờ (ghi lại thời điểm gia công mẫu để tính thời gian hồi phục của radon).
5. Sau đó mở khuôn để lấy mẫu ra, giũa nhẵn các gờ, cạnh sắc, cân mẫu; ký
hiệu khối lượng hỗn hợp là B2.
6. Tính khối lượng mẫu thực tế B1 có trong hỗn hợp đông rắn theo công thức:
2 2 1 1
A B
B A (2.3) e) Khảo sát thời gian hồi phục của 222Rn trong mẫu
Quá trình phục hồi sự cân bằng phóng xạ giữa 226Ra và 222Rn theo thời gian kể từ khi nhốt radon được khảo sát trước hết với mẫu đất đã biết trước hàm lượng 226Ra (Mẫu chuẩn đất IAEA-312 có hàm lượng 226Ra là 269 ± 19 Bq/kg). Trước khi gia công, mẫu được nung ở nhiệt độ 4500C trong 8 giờ để làm mất cân bằng tối đa giữa
222Rn và 226Ra. Sau đó, mẫu được gia công theo dạng hình giếng như đã mô tả ở trên và đo trong 86.000 giây sau các khoảng thời gian khác nhau kể từ ngày nhốt radon. Số đếm thu nhận được tại các vạch 295 keV, 352 keV và 609 keV trong các lần đo được so sánh với số đếm tính toán theo số liệu hạt nhân và hiệu suất ghi của hệ đo để đánh giá mức độ cân bằng phóng xạ giữa 226Ra và 222Rn. Tiếp theo, quá trình hồi phục sự cân bằng phóng xạ giữa 222Rn và 226Ra trong mẫu đất thực tế được khảo sát đối với 2 loại đất trong vùng Lâm Đồng.
g) Khảo sát độ nhạy của phương pháp
Độ nhạy của phương pháp phụ thuộc vào phông của hệ đo khi không có mẫu và nền phông liên tục ở phía dưới đỉnh gamma hấp thụ toàn phần do tán xạ Compton gây ra bởi các đỉnh gamma của các đồng vị khác luôn có mặt trong mẫu. Nền phông dưới đỉnh được dùng trong tính toán này là trung bình của 15 loại mẫu đất và trầm tích ở các vùng khác nhau trên địa bàn Tây Nguyên.
Giới hạn phát hiện LLD (Lower Limit of Detection) được xác định theo công thức sau [83]:
b z
z u c
u
LLD 2 2 2 (2.4)
trong đó: LLD là giới hạn phát hiện (số đếm); uz là hệ số nhân của độ lệch chuẩn - xác định xác suất gây ra sai số loại 1; cb là số đếm của phông (gồm nền phông dưới đỉnh và phông khi không có mẫu).
Giới hạn phát hiện LLD (Bq/kg) được xác định theo biểu thức sau:
s M
xung kg LLD
Bq
LLD ( )
) /
( (2.5)
trong đó: M là khối lượng mẫu chuẩn được dùng để xác định giới hạn phát hiện,
tính bằng kg; s là số đếm thực thu nhận được đối với 1 Bq trong mẫu khối lượng M.
h) Đảm bảo chất lượng và kiểm soát chất lượng phân tích
Độ chính xác của phương pháp
Hàm lượng phóng xạ của các đồng vị được xác định trên cơ sở so sánh tốc độ đếm tại vạch gamma quan tâm của mẫu phân tích và mẫu chuẩn. Vì vậy, hệ thống mẫu chuẩn (reference standards) có vai trò quyết định đến độ chính xác của kết quả phân tích. Các mẫu chuẩn đang được sử dụng tại phòng thí nghiệm đều có nguồn gốc tin cậy, được sử dụng nhiều tại các nước tiên tiến như Canada, Úc, v.v... Hệ thống mẫu chuẩn này được cung cấp bởi Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) vào năm 2001 trong khuôn khổ các dự án hợp tác kỹ thuật (Technical Cooperation Project) với Việt Nam.
- Mẫu chuẩn urani được chuẩn bị từ mẫu chuẩn BL-5 của CANMET (Canadian Center for Mineral and Energy Technology) theo phương pháp trộn với nhựa polyeste đã trình bày ở trên. Vật liệu chuẩn ban đầu BL-5 có hàm lượng urani là 7,09% 0,03%. Mẫu chuẩn sau khi gia công tại phòng thí nghiệm có hoạt độ 238U là 220,7 4,3 Bq đối với mẫu hình đĩa và 321,6 6,2 Bq đối với mẫu hình giếng.
- Mẫu chuẩn 226Ra được chế tạo từ dung dịch 226Ra tinh khiết (Sản phẩm của Amersham plc.). Để chế tạo mẫu chuẩn, một lượng cần thiết dung dịch 226Ra được pha loãng bằng 40 ml methanol ứng với mẫu hình đĩa, hoặc 150 ml methanol ứng với mẫu hình giếng trong cốc polypropylen; sau đó cho vào cốc 40 g hoặc 250 g đất nền tương ứng với mẫu hình đĩa và mẫu hình giếng (đất nền có hàm lượng 226Ra là 28,3 1,2 Bq/kg). Sấy mẫu ở 40oC trong 12 giờ để làm khô hoàn toàn và sau đó chế tạo mẫu theo cách trộn với nhựa polyeste như đã trình bày ở trên. Hoạt độ 226Ra trong mẫu chuẩn hình đĩa là 103,9 2,4 Bq và trong mẫu chuẩn hình giếng là 183,6 3,9 Bq.
- Mẫu chuẩn thori được chuẩn bị từ nitratthori Th(NO3)4 4H2O (được cung cấp bởi Amersham plc.). Muối nitratthori được trộn với nhựa polyeste để chế tạo mẫu chuẩn như các bước đã trình bày ở trên. Hoạt độ 232Th trong mẫu chuẩn hình đĩa là 246,4 7,2 Bq và trong mẫu chuẩn hình giếng là 368,1 10,6 Bq.
- Mẫu chuẩn 137Cs được chuẩn bị từ dung dịch chứa 137Cs (được cung cấp bởi Amersham plc.). Quy trình chế tạo mẫu chuẩn 137Cs tương tự như quy trình chuẩn bị mẫu chuẩn 226Ra, trong đó đất nền không chứa 137Cs. Hoạt độ 137Cs trong mẫu
chuẩn hình đĩa là 0,637 0,013 Bq và trong mẫu hình giếng là 3,75 0,08 Bq.
Các mẫu chuẩn trên được dùng để xác định các hệ số chuẩn hóa sử dụng trong phân tích. Để kiểm tra độ đúng của phương pháp, thủ tục phân tích xác lập ở trên đã được sử dụng để phân tích các mẫu chuẩn (reference materials) của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) và các mẫu chuẩn chính (reference standards).
Kiểm soát chất lƣợng phân tích
• Kiểm soát độ ổn định của phông
Phép phân tích các đồng vị phóng xạ ở mức môi trường rất “nhạy cảm” với sự thăng giáng của bức xạ phông. Các thăng giáng loại này không có khả năng quan sát bằng trực giác. Để đảm bảo chất lượng kết quả phân tích và can thiệp kịp thời các sự cố ngoài mong đợi, phông của hệ đo cần được kiểm tra định kỳ sau khoảng thời gian 5 6 tháng, hoặc khi có sự thay đổi liên quan đến hệ che chắn detectơ, vị trí đặt hệ đo, v.v... Giá trị đo phông định kỳ được dùng để hiệu chỉnh phổ gamma của mẫu phân tích trong khoảng thời gian này.
• Kiểm soát độ ổn định của hiệu suất detectơ
Thông thường, hiệu suất đếm của detectơ giảm dần theo thời gian sử dụng. Để kiểm tra độ ổn định của hiệu suất detectơ, các mẫu chuẩn được phân tích định kỳ khoảng 2 tháng một lần. Trong trường hợp kết quả phân tích vượt ra ngoài khoảng tin cậy của giá trị phê chuẩn thì hệ đo sẽ được chuẩn hóa lại.
2.3.1.2 Phân tích các đồng vị thori trên hệ phổ kế anpha
Viện Nghiên cứu hạt nhân được trang bị hệ phổ kế anpha đầu tiên vào năm 1997 thông qua chương trình hợp tác kỹ thuật với IAEA. Đây là điểm thuận lợi để luận án có thể sử dụng các đồng vị thori cho mục đích nghiên cứu nguồn gốc trầm tích.
Tuy khác nhau về mặt đồng vị nhưng cùng một nguyên tố nên đặc trưng hoá học của chúng trong môi trường là như nhau. Vì thế, khả năng chỉ thị nguồn gốc trầm tích của hai đồng vị sống dài là 230Th và 232Th được đặc biệt quan tâm trong luận án.
a) Các đặc trưng chính của hệ phổ kế anpha
Hệ phổ kế anpha (Model: Alpha Analyst 7200-02) dùng các detectơ hàng rào mặt silic loại PIPS (Planar Implanted Passivated Silicon) có diện tích bề mặt 600 mm2 và 450 mm2. Hiệu suất ghi của các detectơ 600 mm2 và 450 mm2 tương ứng là 36% và 31% tại vị trí nguồn cách detectơ 3 mm và đường kính nguồn 25 mm. Độ phân giải năng lượng của detectơ 600 mm2 là 23 keV và của detectơ 450 mm2 là 20
keV tại vạch đơn năng 5,3 MeV của 210Po. Các detectơ đo anpha loại PIPS-450 mm2 và PIPS-600 mm2 có phông khá thấp, trung bình 0,0004 xung/phút cho vùng rộng 300 keV.
b) Đặc trưng phân rã anpha của các đồng vị thori
Trong tự nhiên tồn tại 3 đồng vị phóng xạ thori là 230Th (thuộc họ phóng xạ urani), 228Th và 232Th (thuộc họ phóng xạ thori). Một số đặc trưng chính về phân rã anpha của 3 đồng vị thori được đưa ra trong Bảng 2.3 [87].
Bảng 2.3. Số liệu phân rã anpha của các đồng vị thori Đồng vị Chu kỳ bán
rã
Năng lƣợng α (MeV)
Cường độ
(%) Đồng vị con
232Th 1,41 x 1010 năm
4,016 3,957 3,834
77,0 23,0 0,2
228Ra
228Th 1,9131 năm
5,423 5,341 5,209 5,172 5,137
72,7 26,7 0,36 0,18 0,05
224Ra
230Th 7,54 x 104 năm
4,688 4,621 4,480 4,438
76,3 23,4 0,15 0,02
226Ra
c) Quy trình phân tích
Trong quy trình phân tích sẽ được trình bày sau đây, chúng tôi đã không dùng đồng vị vết nhân tạo 229Th để kiểm soát hiệu suất tách và xử lý hoá học như các quy trình phổ biến hiện nay [59], mà thay vì nó thì 228Th có sẵn trong mẫu sẽ được sử dụng.
Thủ tục xử lý, chế tạo mẫu đo anpha [59]
(i) Phân hủy mẫu
Mẫu đất hoặc trầm tích khối lượng 1,5 – 2,5g dưới dạng bột mịn được cho thêm 0,05 Bq dung dịch 229Th (trong trường hợp dùng đồng vị 228Th làm nội chuẩn thì không cần 229Th). Dùng HNO3 đặc để phân hủy hữu cơ trước và sau đó dùng HF đặc để phá silicat.
(ii) Tách thori bằng phương pháp chiết
- Sau khi mẫu được phân hủy hoàn toàn, hòa tan bằng 20 ml 8N HNO3.