1.5.1 Phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường trên phổ kế gamma
Đa số các đồng vị trong dãy phóng xạ urani, thori và 137Cs được xác định bằng phổ kế gamma phông thấp [2]. Phông của hệ đo càng thấp thì độ nhạy phân tích càng cao. Do đó, vật liệu che chắn đầu dò được chọn khá kỹ lưỡng theo hướng độ tinh khiết của vật liệu càng cao càng tốt và tuổi vật liệu càng lâu càng tốt.
Chai cứng
Phong hóa Phần
không tan Các muối tan
Đi theo dung dịch
Đá
Đất
Trầm tích
Vận chuyển cơ học
Lắng đọng
Kết lắng
Linh động trở lại
Phương pháp phân tích các đồng vị phóng xạ trong mẫu môi trường đã được phát triển khá sớm tại Việt Nam [44]. Trong những năm sau đó, hầu hết các phòng thí nghiệm phân tích phóng xạ môi trường trong nước đều sử dụng phương pháp phân tích gần như là giống nhau. Nội dung cơ bản của phương pháp phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường trên phổ kế gamma như sau:
• Các đồng vị phóng xạ trong mẫu phân tích được xác định trên cơ sở so sánh tốc độ đếm tại vạch gamma quan tâm của mẫu phân tích với mẫu chuẩn có cùng hình học đo.
• Đối với các đồng vị đơn lẻ như 137Cs, 40K và 7Be việc lựa chọn vạch gamma dùng để phân tích khá đơn giản. 137Cs được xác định tại vạch năng lượng 661,6 keV (85,2%), 40K được xác định tại vạch 1460,8 keV (10,7%), còn 7Be được xác định tại vạch 477,6 keV (10,34%).
Bảng 1.2. Các nhóm chính trong dãy urani, thori và các vạch gamma quan tâm TT Đồng vị chính Đồng vị phát
gamma
Vạch gamma, keV (Cường độ,%)
1 U-238
Th-234 Th-234 Pa-234m
63,3 (4,3) 92,6 (0,08)
1001 (0,6)
U-235 U-235 185,7 (54)
2 U-234 U-234 53,2 (0,05)
3 Th-230 Th-230 67,7 ()
4 Ra-226 Ra-226 186 (54)
5 Rn-222
Pb-214 Pb-214 Pb-214 Bi-214
241,9 (7,5) 295,2 (19,2)
351,9 (37,1) 609,3 (46,1)
6 Pb-210 Pb-210 46,5 (4,1)
7 Th-232 - -
8 Ra-228
Ac-228 Ac-228 Ac-228
338,4 (12) 911,1 (29) 968,9 (17)
9 Th-228 Ra-224 241,0 (3,9)
10 Rn-220
Pb-212 Bi-212 Tl-208 Tl-208
238,6 (43,6) 727,2 (6,6) 583,1 (85,8) 2614,6 (99,8)
• Các đồng vị trong dãy urani và thori được phân tích theo từng nhóm vì các nhóm này thường liên quan đến khả năng mất cân bằng phóng xạ do chu kỳ bán rã
hoặc đặc trưng hóa lý. Các nhóm và tham số chính liên quan đến đồng vị phóng xạ dãy urani, thori được đưa ra trong Bảng 1.2 [32,56].
• 232Th chỉ có các vạch gamma cường độ yếu nằm trong vùng năng lượng thấp nên không xác định trực tiếp được trên phổ kế gamma. Nó được xác định qua đồng vị con là 228Ac. Đồng vị 228Ac phát một số vạch gamma khá mạnh, đặc trưng nhất là 338,4 keV, 911,1 keV và 968,9 keV.
• Đồng vị 228Th và 224Ra được xác định từ vạch 241 keV của 224Ra. Tuy nhiên, trong phép tính toán cần hiệu chỉnh sự đóng góp của 214Pb tại vạch 241 keV. Sự đóng góp này có thể được hiệu chỉnh dựa trên tỷ số cường độ các vạch 241keV/295keV và 241keV/352keV của 214Pb.
• Trong trường hợp 220Rn và các đồng vị con cháu đạt cân bằng thì 228Th được xác định chính xác hơn từ 212Pb, 212Bi và 208Tl với các vạch 238,6 keV; 727,2 keV;
583,1 keV và 2614 keV. Đồng vị mẹ 228Th được xác định trên cơ sở lấy trung bình trọng số tất cả các đồng vị con cháu trong nhóm.
• Đối với các đồng vị trong dãy urani, hai đồng vị 234U và 230Th không xác định được trên phổ kế gamma vì các vạch gamma của chúng có cường độ rất yếu và lại nằm trong vùng có tán xạ Compton mạnh; các đồng vị khác được xác định theo 2 trường hợp sau:
* Trường hợp không có cân bằng phóng xạ giữa 226Ra và 222Rn
Đồng vị 226Ra phân rã α kèm theo phát một số vạch , trong đó vạch 186,2 keV có cường độ lớn nhất (3,3%). Tuy thế, đồng vị 235U cũng có vạch năng lượng 185,7keV (54%). Để phân tích 226Ra theo vạch 186,2 keV, chúng ta phải loại trừ phần đóng góp của 235U vào trong vạch này. Phương pháp loại trừ như sau:
(i) Trước hết xác định hoạt độ 234Th theo vạch 63,3 keV (4,3%) và 234Pa theo vạch 1001 keV (0,6%).
(ii) Tiếp theo xác định hoạt độ 238U theo hai đồng vị con là 234Th và 234Pa với giả thiết đạt được cân bằng phóng xạ.
(iii) Cuối cùng 235U được suy ra từ 238U theo tỷ số 235U/238U bằng 0,04604 và phần đóng góp của nó vào vạch 186 keV được đánh giá dựa trên các hằng số hạt nhân và hiệu suất ghi của detectơ.
Nói chung, các đồng vị 238U, 235U và 226Ra được xác định theo cách này có độ chính xác không cao do một số nguyên nhân: hiệu suất phát gamma thấp tại các
vạch 63 keV và 1001 keV; hiệu suất ghi bức xạ gamma của loại detectơ vỏ bọc bằng nhôm khá thấp đối với vùng năng lượng <100 keV; đóng góp sai số của hiệu suất ghi và các hằng số hạt nhân sử dụng.
* Trường hợp đạt cân bằng phóng xạ giữa 226Ra và 222Rn
Phương pháp tốt nhất để xác định 226Ra là thông qua việc xác định các đồng vị con cháu 214Pb và 214Bi sau khi cân bằng phóng xạ giữa 226Ra và các đồng vị này đạt được. Trong số các đồng vị con cháu của 226Ra thì 222Rn (T1/2 = 3,82 ngày) sống lâu nhất. Nếu nhốt kín được radon trong mẫu thì sau một thời gian khoảng 6 lần chu kỳ bán rã của 222Rn trở lên, sự cân bằng phóng xạ giữa 226Ra và các đồng vị con cháu sẽ đạt được. Khi đó, 226Ra được xác định qua hai đồng vị con là 214Pb và 214Bi tại các vạch gamma nêu trong Bảng 1.2.
Tiếp theo phần đóng góp của 226Ra vào vạch 186 keV được xác định dựa trên tỷ số cường độ các vạch 242keV/186keV, 295keV/186keV, 352keV/186keV và 609keV/186keV. Các tỷ số này xác định được bằng thực nghiệm khi dùng mẫu chuẩn 226Ra thuần khiết (không có các đồng vị mẹ của 226Ra). Từ đó, xác định được
235U và 238U qua vạch 186 keV.
Phương pháp này cho độ chính xác tốt hơn rất nhiều so với trường hợp không có cân bằng phóng xạ giữa 226Ra và 222Rn vì sai số thống kê số đếm tại các vạch gamma được dùng để phân tích rất nhỏ. Trở ngại lớn nhất khi áp dụng thủ tục này là phải làm sao đạt được cân bằng phóng xạ giữa 226Ra và 222Rn.
Để nhốt radon, mẫu được cho vào trong các hộp nhựa có hình học đo mong muốn và đổ một lớp parafin lên bề mặt mẫu. Cách nhốt radon như đã đề cập không thể làm làm cân bằng phóng xạ giữa radon và đồng vị mẹ một cách triệt để. Vì radon là một khí trơ và là sản phẩm của quá trình phân rã anpha nên rất dễ thoát ra ngoài do hiện tượng giật lùi của hạt nhân và sự khuếch tán. Việc nhốt kín radon cũng là một vấn đề khó khăn của nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới. Vào cuối thập kỷ 80 của thế kỷ XX, nhóm nghiên cứu tại Úc đã thử nghiệm dùng nhựa polyester để nhốt raddon và cho kết quả rất tốt [69].
Với mục tiêu sử dụng công cụ phân tích để tìm kiếm, phát hiện các đặc trưng về đồng vị phóng xạ có khả năng chỉ thị nguồn gốc trầm tích, phương pháp phân tích đang sử dụng tại phòng thí nghiệm cần phải được cải tiến nhằm nâng cao độ chính xác, hạ thấp sai số phép phân tích các đồng vị dãy urani.
1.5.2 Phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường trên phổ kế anpha
Việc sử dụng phổ kế anpha để phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường ở Việt Nam được bắt đầu từ năm 1998 tại Viện Nghiên cứu hạt nhân [6]. Sau đó vài năm, một số cơ sở nghiên cứu trong Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam và một số trường đại học cũng được trang bị các hệ phổ kế anpha. Do là một kỹ thuật phân tích mới nên các phòng thí nghiệm tự xây dựng các quy trình phân tích cho mình trên cơ sở tham khảo một số quy trình đang sử dụng trên thế giới. Vì phải xử lý hoá học trong quá trình chuẩn bị mẫu nên tuỳ theo khả năng và nhu cầu công việc mà các phòng thí nghiệm hướng đến các đối tượng phân tích khác nhau như các đồng vị urani, các đồng vị thori, các đồng vị radi, v.v... Nhìn chung, để phân tích các đồng vị của một nguyên tố đòi hỏi phải có quy trình xử lý mẫu riêng và cùng một nguyên tố nhưng trong các đối tượng mẫu khác nhau (đất, trầm tích, nước ngọt, nước biển, thực vật, v.v...) cũng cần phải có quy trình xử lý riêng [2]. Vì thế, nhiệm vụ đặt ra là phải xây dựng quy trình phân tích các đồng vị thori trong đất và trầm tích để giải quyết những vấn đề tiếp theo của luận án.