Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn: Chương 4 - PGS.TS. Trần Thiện Thanh, PGS.TS. Lê Công Hảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT

NHÂN TRONG GHI ĐO BỨC XẠ

MÔI TRƢỜNG

Phƣơng pháp phân tích hạt nhân bằng

 Hệ phổ kế Alpha

 Hệ thiết bị đo radon – RAD7

 Hệ đếm Alpha/Beta tổng

Đánh giá sai số trong phân tích mẫu

môi trƣờng

HỆ PHỔ KẾ ALPHA

CÁC ĐỒNG VỊ PHÁT ALPHA

Bảng 1: Các đồng vị phóng xạ phát alpha trong môi trường

ĐVPX

210Po

T1/2 138,4 d

E (keV) 5304,4

I (%) 100

212Po

8784,4

100 0,3 s

214Po

164,3 s 7686,8 100

216Po

0,14 s 6778,3 100

218Po

3,1 m 6002,4 100

220Rn

55,6 s 6288,1 99,9

222Rn

3,8 d 5489,5 99,9

224Ra

3,7 d 5685,4 94,9

226Ra

1600 y 4784,3 94,4

232Th

2,4x1010 y 3947,2 21,7

CÁC ĐỒNG VỊ PHÁT ALPHA

Bảng 1: Các đồng vị phóng xạ phát alpha trong môi trường

ĐVPX T1/2

E (keV) 4722,4 I (%) 28,4

234U

2,4 y

4774,6

71,4

4151

20,9

238U

4,5x1010 y

4198

79 5105,5

11,5

5144,3 15,1

239Pu

24110 y

5156,6 73,3

5442,8 13

241Am

432,2 y 5485,6 84

HỆ PHỔ KẾ ALPHA

Hình 3: Hệ phổ kế

alpha

Detector

Các vị trí đo

Khay đựng mẫu

SƠ ĐỒ HỆ ĐO

Máy hút chân không

Tiền khuếch đại

Det

Cao thế

MCA Máy tính Khuếch đại

Mẫu đo

Hình 4: Sơ đồ hệ phổ kế alpha

DETECTOR BÁN DẪN SILICON

Engoài

Etx

Hình 5: Chất bán dẫn

Hình 6: Vùng nghèo và phân cực ngược lớp tiếp xúc p-n

DETECTOR BÁN DẪN SILICON

Trong đó,

d là độ rộng vùng nghèo

0 là hằng số điện,

 là hằng số điện môi của chất bán dẫn,

V0 là điện thế tiếp xúc,

V là điện thế đƣợc áp vào,

N là nồng độ tạp chất đƣa vào chất bán dẫn.

DETECTOR BÁN DẪN SILICON

N: số cặp electron – lỗ trống

: năng lƣợng để tạo ra một cặp hạt mang điện

E: năng lƣợng hạt alpha tới (keV)

Bảng 2: Năng lượng để tạo ra một cặp hạt mang điện của một số chất khí

Khí  (eV/cặp)

Ar 26,3

He 42,7

36,4

H2 N2 Không khí 35,1

32,2

29,1 O2 CH4

DETECTOR BÁN DẪN SILICON

Ƣu điểm: độ phân giải cao

Nhƣợc điểm: nhạy với ánh sáng

Det bán dẫn

Det khí

 Hạt mang điện là electron –

 Hạt mang điện là electron – lỗ

cation

trống

 Thời gian thu thập cặp

electron – cation là ms

electron – lỗ trống là s

 Kích thƣớc vùng hoạt không

 Kích thƣớc vùng hoạt phụ

phụ thuộc vào điện thế áp vào

thuộc vào điện thế áp vào

SỰ MẤT NĂNG LƢỢNG CỦA HẠT ALPHA

Trong đó:

z là điện tích của hạt tới

ne là số electron trên một đơn vị thể tích của môi trƣờng ne=ZρNa/A

Na là số Avogadro

Ρ là mật độ của môi trƣờng vật chất

A, Z lần lƣợt là số khối và bậc số nguyên tử của nguyên tố môi trƣờng

m0 là khối lƣợng electron

v là vận tốc của hạt

I là năng lƣợng ion hóa trung bình

=v/c

QUÃNG CHẠY CỦA ALPHA TRONG VẬT CHẤT

Quãng chạy ngắn:

 Thiết kế các det có thể hấp thụ toàn bộ năng lƣợng alpha mà kích thƣớc

không lớn

 Phải đảm bảo hạt alpha đến vùng hoạt det mà bị mất năng lƣợng không đáng

kể  giảm sự hấp thụ

 Giảm bề dày cửa sổ det (lớp chết)

 Nguồn (mẫu) rất mỏng (<5 mg/cm2)

 Nguồn+det đƣợc đặt trong buồng đo áp suất thấp (<1000 mTorr) buồng

chân không

 Khoảng cách giữa nguồn và det không quá lớn

Hình 7: Quãng chạy hạt alpha trong silicon

CÁC LOẠI DETECTOR BÁN DẪN SILICON

Theo công nghệ chế tạo, det Silicon gồm 3 loại chính:

 Det mối nối khuếch tán - diffused junction detector (DJD):

 Det hàng rào mặt - surface barrier detector (SBD)

 Det SBD và PIPS thƣờng đƣợc sử dụng để đo phổ alpha

 Det cấy ion Si - passivated ion implanted detector (PIPS)

 Độ lớn xung thƣờng rất nhỏ (A) nhƣng đƣợc ghi nhận tốt sau khi đã

 Dòng rò điển hình khoảng nA

khuếch đại

 Độ phân giải năng lƣợng của det cao (10 – 50 keV tùy thuộc vào loại và

 Hiệu suất đếm có thể đạt gần 50% ở khoảng cách gần det

kích thƣớc det)

 Phông thấp

HỆ ĐIỆN TỬ

Bộ điện tử xử lý tín hiệu gồm bộ tiền khuếch đại (preAmp), bộ khuếch

đại (Amp), bộ chuyển đổi tƣơng tự thành số (ADC), bộ phân tích biên

độ đa kênh (MCA), bộ cấp thế.

1. Bộ cấp thế cho det phải đảm bảo ổn định.

2. ReAmp:

 Khuếch đại phổ

 Phối hợp trở kháng giữa det và các bộ phận điện tử khác

3. Amp khuếch đại tín hiệu

4. ADC xác định chiều cao của tín hiệu xung cung cấp từ Amp, chiều

cao này đƣợc chuyển thành số kênh nhờ MCA. MCA đếm số sự kiện

trên kênh và hình thành phổ chiều cao xung.

HỆ ĐIỆN TỬ

Hình 8: Chuyển tín hiệu số thành phổ chiều cao xung bằng MCA

VÍ DỤ VỀ PHỔ ALPHA

Bảng 3: Các đồng vị trong nguồn mix-alpha

239Pu 241Am

ĐVPX E (keV) 4722,4

I (%) 28,4

238U

234U

4774,6

71,4

4151

20,9

238U

4198

5105,5

11,5

239Pu

5144,3

15,1

5156,6

73,3

5442,8

241Am

5485,6

t=3600s d=13mm

Hình 9: Phổ nguồn chuẩn mix-alpha

ĐẶC TRƢNG CỦA HỆ PHỔ KẾ ALPHA

Độ phân giải năng lƣợng

Hiệu suất ghi nhận

Thời gian đáp ứng

Thời gian chết

ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƢỢNG- FWHM

Độ phân giải năng lƣợng của detector đƣợc xác định bằng độ

rộng ở nửa chiều cao đỉnh phổ (FWHM).

Hình 10: Phổ alpha của 241Am

ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƢỢNG- FWHM

FWHM phụ thuộc vào một số yếu tố:

 Loại det, độ tinh khiết của tinh thể

 Chất lƣợng của nguồn

 Cách bố trí hình học giữa nguồn và det

 Áp suất chân không của hệ đo

 Hệ thiết bị điện tử đi kèm, chủ yếu là bộ ReAmp.

Det

Nguồn

Hấp thụ

ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƢỢNG- FWHM

Hình 11: Bố trí hình học giữa nguồn và det

- Hấp thụ: do không gian giữa nguồn và det+ cửa sổ det phổ năng

lƣợng bị trôi về vùng năng lƣợng thấp + đỉnh phổ bị mở rộng

- Tự hấp thụ: do bề dày của nguồn  đỉnh phổ bị mở rộng nhƣng

không bị trôi phổ

ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƢỢNG- FWHM

5486 keV

5389 keV

5443 keV

5545 keV

Hình 12: Mô phỏng phổ 241Am của 2 det có độ phân giải tốt và không tốt

HIỆU SUẤT GHI NHẬN

Hình 14: Nguồn alpha

abs là hiệu suất tuyệt đối tại một vị trí bất kỳ, abs = số xung ghi nhận/số xung phát ra bởi nguồn (mẫu), int là hiệu suất nội của detector, giá trị này không đổi cho tất cả các vị trí đo, int = số xung được ghi nhận/số số bức xạ tới detector,  là góc khối của detector nhìn từ vị trí của nguồn. Nguồn điểm:

Hình 13: Bố trí hình học giữa nguồn và det

Nguồn đĩa:

HIỆU SUẤT GHI NHẬN

Hiệu suất ghi nhận phụ thuộc vào một số

yếu tố:

Loại det, độ tinh khiết của tinh thể, diện

tích bề mặt det

Đƣờng kính nguồn

Bề dày nguồn

Cách bố trí hình học giữa nguồn và det

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT GHI NHẬN

b) a)

Hình 15 Hiệu suất ghi nhận phụ thuộc vào khoảng cách giữa nguồn và det

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT GHI NHẬN

d) c)

Hình 16: Hiệu suất ghi nhận phụ thuộc vào khoảng cách giữa nguồn và det

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT GHI NHẬN

Hình 17: Hiệu suất ghi nhận phụ thuộc vào bán kính nguồn

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT GHI NHẬN

Nguồn, mẫu đo cần phải mỏng và đồng nhất để tránh sự mất năng lượng do tự hấp thụ làm giảm hiệu suất ghi nhận

THỜI GIAN ĐÁP ỨNG, THỜI GIAN CHẾT

Thời gian đáp ứng: Là khoảng thời gian khi hạt alpha đến det đến

khi xuất hiện tín hiệu tại ngõ ra det. Các hạt mới vào det trong thời

gian này sẽ không đƣợc ghi nhận.

Thời gian chết: Là khoảng thời gian nhỏ nhất mà hệ đo có thể

phân biệt đƣợc 2 sự kiện để ghi nhận nhƣ 2 xung riêng biệt

Hiệu chỉnh tốc độ đếm :

Rcor, Rmeas: Tốc độ đếm hiệu chỉnh và

tốc độ đếm đo đƣợc

: thời gian chết

PHÔNG VÀ GIỚI HẠN PHÁT HIỆN

Hệ phổ kế alpha sử dụng det Si có phông thấp, chủ yếu do nhiễu

điện tử của hệ đo. Hạt alpha có năng lƣợng cao, nhiễu điện tử

thƣờng có năng lƣợng thấp  giới hạn dò tìm cao

t: thời gian đo (s)

B: phông (cts/day)

: hiệu suất đo

P: xác suất phát alpha.

ỨNG DỤNG HỆ PHỔ KẾ ALPHA

Xác định hoạt độ phóng xạ một số đồng vị

238U, 232Th, 226Ra, 210Po, 210Pb, …trong đất,

nƣớc, lƣơng thực, thực phẩm,chất thải,…

Chuẩn bị mẫu đo phức tạp: mẫu mỏng, độ

phân giải phổ alpha tốt, sự mất năng lƣợng là

tối thiểu,…

Hình 18: Các chuỗi phân rã phóng xạ

PHÂN TÍCH MẪU BẰNG HỆ PHỔ KẾ ALPHA

32 Hình 19: Các thao tác thực hiện trong phép phân tích mẫu bằng hệ phổ kế alpha

CHẤT ĐÁNH DẤU - TRACER

Chất đánh dấu: là các đồng vị phóng xạ khác của đồng vị cần đo, đƣợc

thêm vào để xác định hiệu suất hóa học của quá trình tách hóa và đo đạc.

Bảng 4: Các tracer cần thêm vào và năng lượng hạt alpha phát ra

Nguyên tố

Đồng vị phóng xạ trong mẫu và năng lƣợng phát alpha (MeV)

Các tracers thêm vào và năng lƣợng phát alpha (MeV)

234U (4,8), 235U (4,4), 238U (4,2)

232U (5,3), 233U (4,8), 236U (4,5)

228Th (5,4), 230Th (4,7), 232Th (4,0)

227Th (6,0), 228Th (5,4), 229Th (4,8)

Th

226Ra (4,8)

223Ra (5,7), 224Ra (5,7)

210Po (5,3)

208Po (5,1), 209Po (4,9)

ĐỊNH LƢỢNG ACTINIUM BẰNG PHƢƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN PHÂN

 Chuẩn bị mẫu

 Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ, vật liệu và hóa chất

Lò nung Lò sấy

Bột khô

Đất, thực phẩm,…

Tro

Nghiền, trộn, xay, ray,…

ĐỊNH LƢỢNG ACTINIUM BẰNG PHƢƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN PHÂN

 Chuẩn bị mẫu

Nƣớc cƣờng toan, acid, H2O2,…

Tracer

 Điện phân

Khoảng cách

giữa anode

và cathode:

Hủy mẫu

10 – 15 mm Mẫu tro, bột khô, đất,… I=1,2 t= 1- 2 h

Dung dịch mẫu điện phân

Sợi platin, anode

ĐỊNH LƢỢNG ACTINUM BẰNG PHƢƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN PHÂN

 Đo hoạt độ của mẫu

Hệ phổ kế alpha hoạt động hoàn toàn tự động từ quản lý phần mềm hệ đo, đặt

cao áp đến lƣu trữ kết quả, ngoài việc đặt mẫu đo. Vì vậy, cần lƣu ý những

thao tác sau đây để đảm bảo an toàn phóng xạ và an toàn cho thiết bị:

1. Không cầm mẫu trực tiếp bằng tay

2. Không dùng kẹp kim loại để gắp nguồn vì có thể làm xƣớc bề mặt

3. Tuân thủ đúng trình tự vận hành thiết bị

4. Thời gian đo mẫu từ 12 đến 48 giờ, tùy thuộc vào hoạt độ và vị trí đặt nguồn

đo sao cho đạt đƣợc sai số thống kê mong muốn (thông thƣờng sai số thống

kê số đếm thấp hơn 10%).

 Tính nồng độ: ví dụ tính nồng độ uranium trong mẫu đất sau khi điện phân

ĐỊNH LƢỢNG RADIUM TRONG NƢỚC

 Quy trình tạo đĩa MnO2

 Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ, vật liệu và hóa chất

Đĩa thép chống gỉ nhiệt độ 65 – 70oC

10 – 15 cm

Bột KMnO4

dung dịch KMnO4 0,2M

Đĩa MnO2 ngâm trong khoảng 3 - 4 giờ

Nhựa PVC

Nâu đen

ĐỊNH LƢỢNG RADIUM TRONG NƢỚC

 Quy trình hấp thụ 226Ra trên đĩa MnO2

0,1 g EDTA

pH = 7,5.

Đĩa Đĩa MnO2

Quay cá từ trong thời gian 6 giờ

 Đo đĩa bằng hệ phổ kế alpha trong khoảng 1 – 2 ngày

 Tính nồng độ: ví dụ tính nồng độ radium trong nƣớc

ĐÁNH GIÁ SAI SỐ TRONG PHÂN TÍCH MẪU MÔI TRƢỜNG

TÍNH NỒNG ĐỘ PHÓNG XẠ

aA: Nồng độ mẫu phân tích tại thời điểm lấy mẫu trong 1 kg mẫu tươi (Bq.kg-1) AA: Tổng hoạt độ của mẫu phân tích trên đĩa (Bq) ma: Khối lượng tro hóa (hoặc mẫu khô) được dùng để phân tích (kg) q: Tỷ số khối lượng tươi trên khối lượng tro (hoặc khô) CT: Nồng độ tracer tại ngày sản xuất (Bq.ml-1) VT: Thể tích tracer sử dụng cho phân tích (ml) RGA: Tốc độ đếm mẫu phân tích (s-1) RB: Tốc độ đếm phông (s-1) RGT: Tốc độ đếm tracer (s-1) q1: Phần trăm đồng vị phân tích có trong tracer pA: Xác suất phát alpha của đồng vị cần phân tích pT: Xác suất phát alpha của đồng vị đánh dấu f1: Hệ số hiệu chỉnh thời gian phân rã của đồng vị phân tích từ khi lấy mẫu đến khi đo f2: Hệ số hiệu chỉnh thời gian phân rã của đồng vị đánh dấu từ lúc chuẩn đến lúc bắt đầu đo.

CÔNG THỨC TRUYỀN SAI SỐ

SAI SỐ CHUẨN BỊ MẪU

Sai số khối lƣợng mẫu tƣơi: Sai số khối lƣợng tro sau khi tro hóa (hoặc mẫu khô): Sai số tỷ số q: Sai số khối lƣợng tro đem phân tích:

SAI SỐ TRACER

 Sai số nồng độ CT (đƣợc cung cấp bởi

nhà sản xuất)

 Sai số thể tích lấy:

+ sai số của pipette

Pipette số

+ sai số do ngƣời lấy mẫu  lấy nhiều lần

+ sai số thể tích do nhiệt độ môi trƣờng

 khoảng 0,02%  bỏ qua

Pipette thủy tinh

SAI SỐ TỐC ĐỘ ĐẾM

Sai số tốc độ đếm của mẫu phân tích Sai số tốc độ đếm của tracer: Sai số tốc độ đếm phông

SAI SỐ KHÁC

 Sai số các khoảng thời gian: bỏ qua

 Sai số hằng số phân rã: database

 Hiệu chỉnh phân rã: dựa vào các sai số thời gian, hằng số phân rã

 Xác suất phát: database

 Sai số độ tinh khiết đồng vị phân tích trong dung dịch tracer: dựa

vào số liệu cho bởi nhà sản xuất.

SAI SỐ TOÀN PHẦN

HỆ THIẾT BỊ ĐO RADON – RAD7

ĐÓNG GÓP LIỀU RADON CHO CON NGƢỜI

Hình 1: Đóng góp liều bức xạ cho con người

CÁC CHUỖI PHÂN RÃ PHÓNG XẠ

Hình 2: Các chuỗi phân rã phóng xạ

RADON VÀ CÁC ĐỒNG VỊ CON CHÁU

Bảng 1: Radon và các đồng vị con cháu

Đồng vị CKBR

210Po

E (keV) 5304,4 I (%) 100 138,4 d

222Rn, T1/2 = 3,82 d

212Po

214Po

8784,4 100 0,3 s  chu kỳ bán rã dài

216Po

0,14 s

6778,3

100

218Po

164,3 s 7686,8 100  đồng vị chính

3,1 m 6002,4 100

220Rn T1/2 = 54,5 s 219Rn T1/2 = 3,96 s

220Rn

222Rn

55,6 s 6288,1 99,9

 Các đồng vị radon ở dạng khí trơ, không màu, không mùi, không vị,

3,8 d 5489,5 99,9

không bị ảnh hƣởng bởi các liên kết hóa học, dễ phát tán ra không khí

 Các đồng vị con cháu ở dạng kim loại, có thể trở thành ion dƣơng, có

hoặc lẫn vào đồ ăn, nƣớc uống, mật độ 9,73 kg/m3

khả năng bám dính tốt 50

CÁC NGUỒN RADON TRONG NHÀ Ở

A1: vết nứt từ nền A2: vị trí nối trong cấu trúc xây dựng A3: vết nứt và các lỗ hổng trong các bức tường A4: các vết nứt trong tường dưới nền A5: các khe hở của các nền lơ lửng A6: các khe hở xung quanh các ống phục vụ B: radon thoát ra từ vật liệu xây dựng

C: lối vào radon thông qua cửa

D: radon thoát ra từ nước

Hình 3: Các nguồn radon trong nhà

SỰ HÌNH THÀNH RADON, RADIUM TRONG NƢỚC NGẦM

Nước ngầm là dạng nước dưới đất, do

nước trên bề mặt ngấm xuống, tích trữ

dưới bề mặt Trái đất, có thể khai thác

trong các lớp đất đá trầm tích bở rời

 Nước ngầm tầng mặt: không có lớp

 Nước ngầm tầng sâu: nằm trong lớp

ngăn cách với địa hình bề mặt

đất đá xốp được ngăn cách bên trên

Hình 4: Sự hình thành 222Rn, 226Ra trong

nước ngầm khi có đứt gãy địa hình

 nước giếng khoan

và dưới bởi lớp không thấm nước

Khai thác khoáng sản, kiến tạo địa chấn  đứt gãy  nƣớc ngầm tiếp xúc

với đá chứa 238U và con cháu  230Th, 226Ra phân rã  226Ra, 222Rn+

ẢNH HƢỞNG CỦA RADON LÊN SỨC KHỎE CON NGƢỜI

222Rnbắn phá tế bào dạ dày sai hỏng nhiễm sắc thể  ung thư

218Po, 214Pb, 214Bi, 214Po giữ lại tại phế nang  phát ,  năng lượng caobắn phá tế bào phế nang  sai hỏng nhiễm sắc thể, phá vỡ protein,… ung thư

Ung thƣ phổi

GIỚI THIỆU RAD7

Cổng RS-232

Vị trí cắm nguồn

Máy in

Đầu ra

Đầu lọc không khí vào

Công tắc

Phím Menu

Màn hình LCD

Phím Enter

Các phím di chuyển

Hình 5: Các bộ phận bên ngoài của RAD7

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

 Dùng detector silicon ghi nhận hạt alpha

 Dùng máy bơm khí gắn bên trong để thu và đƣa khí ra ngoài

 Có máy in hồng ngoại, có thể in ngay đƣợc kết quả đo với

các dạng dữ liệu dài, ngắn khác nhau

 Màn hình tinh thể lỏng (LCD) hiển thị mƣời sáu ký tự

 Pin có thể nạp lại, có thể đo trong 3 ngày không có nguồn

điện

 Buồng đo có thể tích khoảng trên 700 mL, độ nhạy 0,5

(xung/phút)/(pCi/L)

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

 Độ phân giải năng lƣợng: 0,05 MeV

 Phạm vi đo: dƣới 0,1 đến trên 10.000 pCi/L

 Máy bơm khí có lƣu lƣợng bơm bình thƣờng gần 1 lít/phút

 Điện thế hoạt động: 110 – 220 V

 Thời gian cho mỗi chu kỳ đo: 2 phút đến 24 giờ

 Điện thế phân cực detector: 2000 – 2500 V

 Phông trong máy rất nhỏ (khoảng 0,005 đến 0,01 pCi/L) và không bị ảnh

hƣởng bởi sự tích lũy của chì 210Pb. Đối với đa số trƣờng hợp, ngƣời ta bỏ

qua giá trị này vì nó khá nhỏ so với nồng độ radon trong không khí (thƣờng

khoảng 0,1 đến 1 pCi/L)

 Sai số tƣơng đối của quá trình chuẩn máy khoảng 5%

 Khối lƣợng máy: khoảng 5 kg

ĐO NỒNG ĐỘ RADON TRONG KHÔNG KHÍ

Mẫu khí vào

218Po phân rã  đập vào

detector  xung tín hiệu 

Bình hút ẩm

mạch điện khuếch đại tín hiệu

này và chuyển thành tín hiệu

số  bộ vi xử lý thu thập tín

Thoát khí

hiệu và lƣu trữ trong bộ nhớ

Đầu vào

theo năng lƣợng hạt. Quá

trình phân rã tiếp tục diễn ra

Tín hiệu ra

Bơm khí

tạo thành các tia  có năng

Detector

Cao thế

lƣợng khác nhau. Bộ xử lý sẽ

222Rn  218Po …. 214Po

xác định năng lƣợng của từng

hạt   phổ alpha

Hình 6 : Đo nồng độ radon trong không khí bằng RAD7

PHỔ ALPHA TRONG RAD7

Các cửa sổ phổ

0 – 10 MeV 8 nhóm, ứng với 8 khoảng

năng lƣợng

A: 222Rn. Ghi nhận  từ 218Po, E = 6 MeV

B: 220Rn. Ghi nhận  từ 216Po, E = 6,78 MeV

C: 222Rn. Ghi nhận  từ 214Po, E = 7,69 MeV

D: 220Rn. Ghi nhận  từ 212Po, E = 8,78 MeV

E: Cửa sổ năng lƣợng cao

Hình 7: Phổ alpha trong RAD7

F: Cửa sổ nhiễu, năng lƣợng thấp. Ghi nhận , E < 0,5 MeV

G: Cửa sổ nhiễu, năng lƣợng trung bình. Ghi nhận , E = 1,5 - 2,0 MeV

H: Cửa sổ nhiễu, năng lƣợng cao, hoặc từ 210Po. Ghi nhận , E = 5,31

O: Bao gồm kết quả của 4 cửa sổ E, F, G, H

PHỔ ALPHA TRONG RAD7

O: 0 - 5,4 MeV

A: 5,4 – 6,4 MeV  6 MeV

B: 6,4 – 7,6 MeV  6,78 MeV

C: 7,6 – 8,8 MeV  7,69 MeV

D: 8,8 – 10 MeV  8,78 MeV

ĐO NỒNG ĐỘ RADON TRONG NƢỚC

Dòng khí lưu thông

Đầu lọc khí

Hút ẩm

Tín hiệu ra

Bơm khí Cao thế

Detector

Bộ phận sục khí

Lọ chứa mẫu nước

Buồng chứa khí

Hình 8 : Sơ đồ lấy khí radon trong mẫu nước và đo đạc

ĐO NỒNG ĐỘ RADON TRONG KHÍ ĐẤT

Hình 9: Đo nồng độ radon trong khí đất

MỘT SỐ PHỔ ALPHA TRONG RAD7

Hình 10: Phổ cân bằng giữa 218Po và 214Po trong điều kiện lý tưởng Hình 11: Phổ cân bằng giữa 218Po và 214Po sau 3 giờ

Hình 12: Phổ radon mới – 1 giờ sau khi 62 lấy khí radon Hình 13: Phổ radon cũ – sau khi làm sạch hơn 10 phút

MỘT SỐ PHỔ ALPHA TRONG RAD7

Hình 14: Phổ thoron mới- lấy thoron liên tục Hình 15: Phổ thoron ở trạng thái cân bằng, sau 12 giờ

Hình 16: Phổ thoron cũ – ngừng lấy khí khoảng 10 giờ

MỘT SỐ PHỔ ALPHA TRONG RAD7

Hình 18: Radon cân bằng – thoron mới Hình 17: Radon mới-thoron mới

Hình 19: Radon cân bằng – thoron cân bằng Hình 20: Radon cân bằng – thoron cũ

MỘT SỐ PHỔ ALPHA TRONG RAD7

Hình 22: Radon mới – thoron cũ Hình 21: Radon cũ - thoron cũ

Hình 23: Radon cũ – thoron mới

MỘT SỐ PHỔ LỖI

Hình 25: Đỉnh phổ rộng

Hình 24: Số đếm 210Po quá cao

Hình 26: Nhiễu điện tử, không thể phân biệt được đỉnh phổ

Hình 27: Nhiễu điện tử vùng năng lượng thấp

MỘT SỐ PHỔ LỖI

Hình 28: Tràn đỉnh năng lượng

Hình 29: Đỉnh phổ rộng

Hình 30: Số đếm vùng đuôi lớn

PHẦN MỀM CAPTURE

Các cửa sổ số đếm A, B, C, D, O

Hiệu chỉnh độ ẩm, tràn đỉnh

Phổ nồng độ 222Rn qua các chu kỳ đo

Nồng độ 222Rn, 220Rn và một số thông số

Hình 31: Kết quả đo hiển thị trong phần mềm CAPTURE

CÁC CHẾ ĐỘ ĐO RADON TRONG KHÔNG KHÍ

CPMA: tốc độ đếm đồng vị 218Po A: hiệu suất hệ đo đối với đồng vị 218Po q: lưu lượng dòng khí đi vào RAD7

Sniff: đo phát hiện nhanh

Normal: xác định chính xác nồng độ radon tại vị trí khảo sát

CPMA+C: tổng tốc độ đếm đồng vị 218Po và 214Po A+C: hiệu suất hệ đo đối với tổng 2 đồng vị 218Po và 214Po

Auto: RAD7 tự động chuyển từ chế độ Sniff sang Normal sau 3 giờ đo liên

tục (trong một lần đo)

CÁC CHẾ ĐỘ ĐO THORON TRONG KHÔNG KHÍ

Sniff: đo phát hiện nhanh

Thoron: chỉ đo nồng độ thoron

CPMB: tổng tốc độ đếm đồng vị 216Po B: hiệu suất hệ đo đối với đồng vị 216Po

V: thể tích toàn bộ ống dẫn + bộ phận làm

khô + đầu lọc (khoảng 50ml)

Hiệu chỉnh nồng độ thoron

q: là lưu lượng dòng khí đi vào RAD7

(khoảng 650ml/phút)

: hằng số phân rã của thoron (=0,756)

 nồng độ thoron giảm

94,3% khi đi đến buồng đo

THAO TÁC LẤY MẪU NƢỚC

 Nƣớc sạch

 Tráng rửa lọ lấy mẫu  2

 Xả nƣớc một thời gian trƣớc khi lấy

 Nƣớc không tiếp xúc không khí Dùng

dụng cụ lấy nƣớc của DURRIDGE

 Tốc độ nƣớc xả: 0,5 – 1 lít/phút

Hình 32: Dụng cụ lấy mẫu nước xuất lộ từ vòi

Bảng 2: Lượng radon thất thoát theo tốc độ lấy mẫu nước

 Trƣớc khi đo lắc đều lọ

Tốc độ nƣớc xả (lít/phút)

Lƣợng radon thất thoát (%)

5

 4

 Sai số lấy

13

 6

26

 8

mẫu s = 5%

10 – 12

33 CÁC CHẾ ĐỘ ĐO NỒNG ĐỘ RADON TRONG NƢỚC

Hiệu suất lấy Rn

từ nƣớc 99%

Hiệu suất lấy

Rn từ nƣớc  3000 pCi/L

Hình 33: Hai loại lọ đựng mẫu nước kèm theo RAD7

94% < 3000 pCi/L

Wat-40: đo cho lọ 40 mL

Wat-250: đo cho lọ 250 mL

HỆ ĐẾM ALPHA/BETA TỔNG

CÁC ĐỒNG VỊ PHÁT BETA

Bảng 1: Các đồng vị phát beta

ĐVPX T1/2 E (keV) I(%)

14C

12,3 năm 18,6 100

32P

1730 năm 156,5 100

33P

25,3 ngày

248,5

100

35S

14,3 ngày 1710,7 100

45Ca

87,3 ngày 167,1 100

137Cs

162,6 ngày 256,8 100

90Sr

30 năm 514 94,4

89Sr

28,8 năm 546 100

131I

50,5 ngày 1495,1 100

88,7

27,3

134Cs

8 ngày 606,3 89,9

40K

2,1 năm 658,1 70,2

1,3x109 năm 44,0 10,7

HỆ ĐẾM ALPHA/BETA TỔNG

Bình khí P10 (10%

Khay đo chứa

Hệ điện tử CH4, 90% argon) 4 det tỷ lệ

Chì

Hình 1: Hệ đếm alpha/beta tổng

Khung đỡ hệ đo

Hệ đo gồm 4 det tỷ lệ +1 det ghi nhận bức xạ vũ trụ đƣợc bao bọc trong

khối chì nhằm loại bỏ tối đa ảnh hƣởng của phông đến kết quả đo đạc.

SỰ ION HÓA TRONG DET KHÍ

Hình 2: Sự kích thích

Hình 3: Sự ion hóa

DETECTOR KHÍ

Hình 4: Detector khí

90% Ar, 10% CH4  P10

KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU (QUÁ TRÌNH TUYẾT LỞ)

 Bức xạ ion hóa  Electron sơ

cấp  ion hóa khí  electron

thứ cấp  số electron đƣợc

nhân lên.

 Năng lƣợng bức xạ lớn  Số

electron sơ cấp nhiều  tổng

điện tích đƣợc thu thập tại

anode lớn  Độ lớn của tín

hiệu (chiều cao xung, điện

tích thu thập) tỷ lệ với năng

lƣợng hạt

Hình 5: Quá trình tuyết lở trong detector tỷ lệ

ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

Bảng 2: Điện thế hoạt động của hệ alpha/beta

Hình 6: Điện thế hoạt động cho alpha Hình 7: Điện thế hoạt động cho beta

Alpha

Beta

Det1

420 V

1290 V

Det2

390 V

1380 V

Det3

510 V

1380 V

Hình 8: Điện thế hoạt động tổng hợp

Det4 420 V 1320 V

SỰ ION HÓA CỦA ALPHA, BETA

Bảng 3: Năng lượng tạo ra một cặp hạt mang điện trong chất khí

Khí

 (eV/cặp)

Ar 26,3

He 42,7

36,4

H2 N2 Không khí 35,1

32,2

29,1

O2 CH4

Khả năng ion hóa phụ thuộc vào:

 Năng lƣợng, điện tích, quãng chạy của hạt

 Môi trƣờng vật chất tƣơng tác

PHÂN BIỆT SỐ ĐẾM ALPHA-BETA

 Dựa vào chiều cao xung

Bộ phân biệt chiều cao

xung đặt ra các ngƣỡng

cho alpha và beta

Ngƣỡng trên alpha đƣợc

đặt ở kênh cao nhất trong

Làm thế nào phân biệt số đếm alpha và beta?

phổ, ngƣỡng dƣới beta

đƣợc đặt ở kênh thấp nhất

trong phổ  đặt ngƣỡng

dƣới cho alpha và ngƣỡng

trên cho beta?

Hình 9: Phổ alpha/beta tổng

HIỆU ỨNG XUYÊN ÂM

Thiết lập 1 vùng “dead band”, dƣới

ngƣỡng dƣới alpha và trên ngƣỡng

trên beta và vùng này sẽ không đƣợc

- Thành phần các hạt nhân trong mẫu

ghi nhận  không chính xác:

ta không biết trƣớc

- Sự hấp thụ năng lƣợng của hạt

trong mẫu làm hạt thay đổi năng

lƣợng  dễ mất số đếm

 cần xác định hệ số xuyên âm ứng

với từng bề dày mẫu

Hình 10: Hiệu ứng xuyên âm alpha-beta

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ XUYÊN ÂM

 Xác định bằng 1 mẫu chuẩn chỉ

: hệ số xuyên

phát alpha (230Th, 241Am)

RT(): tốc độ đếm alpha tại kênh beta

RT (): tốc độ đếm alpha tại kênh alpha

Hình 11: Hiệu ứng xuyên âm alpha-beta

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HẤP THỤ ALPHA

 Xác định bằng 1 mẫu chuẩn chỉ

phát alpha (230Th, 241Am)

Đối với mẫu phân tích:

RA, RA: tốc độ đếm alpha và beta tƣơng ứng sau khi trừ phông; RcA: tốc độ đếm beta sau khi hiệu chỉnh hiệu ứng xuyên âm RcA: tốc độ đếm alpha sau khi hiệu chỉnh hiệu ứng hấp thụ F: hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ đối với alpha AT: hoạt độ trong thể tích tracer cần lấy : hiệu suất ghi nhận alpha của det

CHE CHẮN THỤ ĐỘNG VÀ CHỦ ĐỘNG

Phƣơng pháp thụ động: chì che chắn xung quanh các detector

lớp chì dày từ 2 – 4 inchs làm giảm đáng kể lƣợng bức xạ beta và

gamma. Tuy nhiên, chì không cản đƣợc tia vũ trụ và neutron. Nếu bản

thân các nguồn phóng xạ có chứa tia gamma thì ngay trong buồng đo

sẽ có thể xuất hiện cả bức xạ hãm và bức xạ tán xạ Compton

 làm tăng phông

Che chắn chủ động: là phƣơng pháp kết hợp cả phần cứng, phần

mềm và hệ điện tử để giảm phông. Hệ đếm sử dụng 1 det bảo vệ để

thiết kế che chắn chủ động bằng cách sử dụng phƣơng pháp phản

trùng phùng.

XÁC ĐỊNH TỔNG HOẠT ĐỘ ALPHA/BETA TRONG MẪU LƢƠNG THỰC, THỰC PHẨM

 Chuẩn bị mẫu

Phƣơng pháp 1: Tro hóa

Lò nung Thực phẩm,…

Ray

Lò sấy

Mẫu đo

Tro

0,1 g tro lắc đều trong acetone

86 Khối lƣợng mẫu  5mg/cm2

XÁC ĐỊNH TỔNG HOẠT ĐỘ ALPHA/BETA TRONG MẪU LƢƠNG THỰC, THỰC PHẨM Nghiền, xay, ray,…

 Chuẩn bị mẫu

Phƣơng pháp 2: Hủy mẫu

Thực phẩm, đất,..

Lò sấy

Đun trong HNO3:H2O2 hoặc Mẫu đo Bột khô

3HCl: 1HNO3,…

Mẫu không đồng nhất

Khối lƣợng mẫu  5mg/cm2

ĐIỀU KIỆN HỆ ĐO HOẠT ĐỘNG

Khí đo đảm bảo chất lƣợng

Tốc độ dòng khí thích hợp và không đổi

Điện thế hoạt động đã đƣợc thiết lập

Hiệu chỉnh sự tự hấp thụ theo bề dày

mẫu

Xác định đƣợc hệ số xuyên âm theo bề

dày mẫu

ĐIỀU KIỆN XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ MẪU ĐO

Mẫu:

 Đƣợc hòa tan hoàn toàn không tạo cặn

 Đồng nhất

 Khô từ lúc đƣợc tạo ra đến khi đo xong

 Bề dày mẫu:  5 mg/cm2

Tính toán nồng độ cần đảm bảo:

 Giới hạn phát hiện đƣợc đáp ứng đối với mẫu

 Tính tổng hoạt độ alpha-beta

 Tốc độ đếm có trừ phông

 Tính sai số cho mỗi lần đo

BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ XUYÊN ÂM

Phƣơng pháp tro hóa: bề dày cố định d = 5mg/cm2. Dùng tracer tạo 3

mẫu chuẩn có bề dày 5mg/cm2. Hệ số xuyên âm đƣợc tính trung bình

Tính hệ số xuyên âm ?

CÔNG THỨC TÍNH TRUNG BÌNH

BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ XUYÊN ÂM

Phƣơng pháp hủy mẫu: bề dày thay đổi d  5mg/cm2. Dùng tracer tạo

dãy mẫu chuẩn có bề dày thay đổi  5mg/cm2  Xây dựng đƣờng

cong hệ số xuyên âm theo bề dày?

BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ XUYÊN ÂM

0.25

0.2

0.15

0.1

y = -0.0052x2 + 0.0578x + 0.0704 R² = 0.9942

m â n ê y u x ố s ệ H

0.05

3 Bề dày (mg/cm2)

Hình 12: Hệ số xuyên âm thay đổi theo bề dày mẫu

BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ HẤP THỤ

Phƣơng pháp tro hóa: bề dày cố định d = 5mg/cm2. Dùng tracer tạo 3

mẫu chuẩn có bề dày 5mg/cm2. Hệ số hấp thụ đƣợc tính trung bình

Hiệu suất

Sai số

0.3963

0.002383

0.3877

0.001806

0.3877

0.001806

BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ HẤP THỤ

Phƣơng pháp hủy mẫu: bề dày thay đổi d  5mg/cm2. Dùng tracer tạo

dãy mẫu chuẩn có bề dày thay đổi  5mg/cm2  Xây dựng đƣờng

cong hệ số hấp thụ theo bề dày?

Hiệu suất

Sai số

0.3938

0.001896

0.3938

0.001896

0.3963

0.002383

0.3877

0.001806

0.3938

0.001896

BÀI TẬP TÍNH HỆ SỐ HẤP THỤ

1.2

0.8

0.6

y = 0.0349x2 - 0.2975x + 1.009 R² = 0.9923

ụ h t p ấ h ố s

0.4

ỷ T

0.2

3 Bề dày hấp thụ (mg/cm2)

Hình 13: Hệ số tự hấp thụ alpha thay đổi theo bề dày mẫu

BÀI TẬP TÍNH NỒNG ĐỘ MẪU PHÂN TÍCH

Phương pháp tro hóa

Tro hóa

1kg rau

10g tro

mtro sử dụng =0,1 g =100 mg

Splanchet=20 cm2 dgiới hạn = 5mg/cm2

0.154 0.0221 0.3938 0.001896 13 0.143 0.4613 0.003011

0.163 0.0202 0.3877 0.001806 13.1 0.232 0.4577 0.002345

0.169 0.0223 0.3938 0.001896 13.2 0.143 0.4613 0.003011

BÀI TẬP TÍNH NỒNG ĐỘ MẪU PHÂN TÍCH

Phương pháp hủy mẫu

Làm khô

1kg rau

100g bột khô

mtro sử dụng =0,5 g =500 mg

Splanchet=20 cm2 dgiới hạn = 5mg/cm2

0.034 0.0201 0.3938 0.001896 12 0.14 0.4613 0.003011

0.0549 0.00617 0.3963 0.002383 12.3 0.0925 0.4595 0.002506

d1=4,91 mg/cm2, d2=4,62 mg/cm2

XÁC ĐỊNH TỔNG HOẠT ĐỘ ALPHA/BETA TRONG MẪU LƢƠNG THỰC, THỰC PHẨM

Trong đó: C, C: nồng độ phóng xạ ,  trong 1 đơn vị khối lƣợng mẫu; ,  : hiệu suất hệ đo đối với alpha, beta; M: khối lƣợng mẫu đo; F: hệ số hiệu chỉnh tính đến hiệu ứng tự hấp thụ alpha của mẫu; : hệ số xuyên âm alpha-beta.