Đề tài Phương pháp xác định nồng độ P226PRa trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ MAI THỊ VÂN ANH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh- Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ MAI THỊ VÂN ANH NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ MÃ NGÀNH: 102 Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ CÔNG HẢO Thành phố Hồ Chí Minh- Năm 2011 LỜI CẢM ƠN Trong cuộc sống, có mấy ai thành công mà không cần tới sự giúp đỡ của người khác. Sự giúp đỡ không nhất thiết phải là điều gì lớn lao mà đôi khi chỉ là một lời động viên chân thành cũng tiếp thêm sức mạnh cho người được nhận. Cùng với sự hoàn thành của khóa luận, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Tất cả quí thầy cô giáo, những người đã tận tình truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quí báu cho chúng em trong suốt thời gian qua. - ThS Lê Công Hảo, giảng viên trường Đại học Khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh, là người thầy trực tiếp hướng dẫn em ngay từ những bước đầu bỡ ngỡ với đề tài, thầy luôn là người chỉ dẫn nhiệt tình cho em trong quá trình em thực hiện đề tài. - Các anh chị cùng thực hiện thí nghiệm trong phòng Vật lý hạt nhân trường Đại học Khoa học tự nhiên, các anh chị là người cho em rất nhiều kinh nghiệm, tạo điều kiện để em có thể hoàn thành tốt khóa luận của mình. - Các bạn Lý k33 trường Đại học sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, các bạn đã luôn động viên tinh thần và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm khóa luận. Con cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ và gia đình con. Cảm ơn mọi người đã luôn bên con, ủng hộ và giúp đỡ con trong suốt thời gian thực hiện khóa luận. Xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người, kính chúc mọi người thật nhiều sức khỏe và đạt nhiều thành công trong cuộc sống. Sinh viên thực hiện Mai Thị Vân Anh MỤC LỤC 4TLỜI CẢM ƠN4T ........................................................................................................... 3 4TMỤC LỤC4T ................................................................................................................ 4 4TLỜI MỞ ĐẦU4T ........................................................................................................... 6 4TDANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT4T ...................................................................... 8 4TCHƯƠNG I: HỆ ĐO ALPHA ANALYST4T .............................................................. 9 4T1.1. Tiện ích hệ đo Alpha analyst [2]4T ............................................................................. 9 4T1.2. Buồng chân không [1]4T ............................................................................................. 9 4T1.3. Detector [1]4T ............................................................................................................ 10 4T1.3.1. Detector PIPS4T................................................................................................... 10 4T1.3.2. Đầu dò Alpha PIPS4T .......................................................................................... 12 4T1.4. Bộ tiền khuếch đại [1]4T ........................................................................................... 13 4T1.5. Bộ khuếch đại [1]4T ................................................................................................... 15 4T1.6. Bộ biến đổi tương tự thành số ADC và bộ phân tích biên độ đa kênh MCA [1]4T 15 4TCHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ RADIUM4T .......................................................... 16 4T2.1. Kim loại Radium4T ................................................................................................... 16 4T2.2. Muối Radium4T ......................................................................................................... 16 4T2.2.1. Muối Radium tan4T ............................................................................................. 17 4T2.2.2. Muối Radium không tan- Kết tủa và đồng kết tủa đặc trưng4T ............................. 18 4T2.3. Đồng vị của Radium4T .............................................................................................. 20 4T2.4. Phân bố của P226PRa trong môi trường nước4T ........................................................... 25 4T2.5. Cơ chế giật lùi4T ........................................................................................................ 26 4T2.6. Cơ chế hòa tan4T ....................................................................................................... 27 4TCHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH P226PRa TRONG NƯỚC4T .......... 30 4T3.1. Các phương pháp phân tích P226PRa trong mẫu nước4T............................................. 30 4T3.1.1. Phương pháp đồng kết tủa Radium với Barium Sunfate (BaSO R4R) [9], [18]4T ....... 30 4T3.1.2. Phương pháp phát xạ Radon [18]4T ..................................................................... 30 4T3.1.3. Phương pháp sử dụng máy đếm Cerenkov [17]4T ................................................ 31 4T3.1.4. Phương pháp đếm nhấp nháy lỏng LSC [17]4T .................................................... 31 4T3.1.5. Phương pháp đo phổ 4T 4T của mẫu nước chưa xử lí [17]4T ..................................... 31 4T3.1.6. Phương pháp trao đổi ion [11]4T .......................................................................... 31 4T3.1.7. Phương pháp hấp thụ Radidum trên đĩa MnOR2R [6],[12]4T .................................... 31 4T3.2. Phương pháp trao đổi ion để xác định P226PRa trong mẫu nước4T ............................ 32 4T3.2.1. Cơ sở lí thuyết:[11]4T .......................................................................................... 32 4T3.2.2. Thực nghiệm4T .................................................................................................... 36 4T3.3. Phương pháp xác định Radium trong nước bằng cách hấp thụ Radium trên đĩa MnO R2R.4T ........................................................................................................................... 44 4T3.3.1. Cơ sở lí thuyết4T .................................................................................................. 44 4T3.3.2. Thực nghiệm4T .................................................................................................... 46 4TKẾT LUẬN4T ............................................................................................................. 54 4TKIẾN NGHỊ4T............................................................................................................ 55 4T ÀI LIỆU THAM KHẢO4T ..................................................................................... 56 LỜI MỞ ĐẦU Lịch sử hình thành Trái đất gắn liền với các đồng vị phóng xạ. Được khám phá vào năm 1898 bởi hai nhà khoa học Marie và Pierre Curie, Radium là một trong những nguyên tố có sức hấp dẫn trong nghiên cứu. Năm 1900, hai nhà nghiên cứu người Đức là Otto Walkhoff và Friedrich Giesel đã lần đầu tiên phát hiện ra tác dụng chữa bệnh của Radium [20]. Vào khoảng đầu thế kỉ XX, Radium được sử dụng rộng rãi trong sơn phát quang, mỹ phẩm, kem đánh răng, và thậm chí là cả trong thực phẩm. Radium cũng được sử dụng trong y học để điều trị bệnh ung thư. Nồng độ Radium tự nhiên có trong môi trường rất nhỏ. Cho tới nay chưa có bằng chứng nào cho thấy tiếp xúc ngoài với Radium nồng độ thấp trong tự nhiên có ảnh hưởng tới sức khỏe. Tuy nhiên, nếu tiếp xúc lâu dài với Radium nồng độ cao có thể gây thiếu máu, gãy xương, đục thủy tinh thể, gây ảnh hưởng đến hệ miễn dịch, ngoài ra còn có thể gây ung thư. Các nguồn Radium nồng độ cao thường tập trung ở khu vực mỏ Uranium, sản xuất quặng Uranium, hoặc nguồn nước ngầm xung quanh khu vực chất thải phóng xạ. Do Radium và các muối của Radium có thể tan trong nước nên nồng độ Radium trong nước ngầm cao hơn nồng độ Radium nước mặt. Cơ quan bảo vệ mội trường Mỹ EPA (Environmental Protection Agency’s) đã đưa ra tiêu chuẩn mức độ tối đa chất MCL (Maximum contaminant level) có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe con người đối với P226PRa và P228PRa là 5pCi/L. MCL đối với tổng bức xạ alpha là 15pCi/L. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật và nghiên cứu đặc tính của các đồng vị phóng xạ, ngày càng có nhiều phương pháp hiện đại để xác định nồng độ phóng xạ nói chung và nồng độ P226PRa trong mẫu. Khóa luận “ Phương pháp xác định nồng độ P226PRa trong nước” với mục đích so sánh các phương pháp phân tích P226PRa trong nước sau đó chọn ra được phương pháp hiệu quả nhất. Nội dung khóa luận gồm 3 chương: Chương I: Hệ đo Alpha analyst Chương II: Tổng quan về Radium Chương III: Các phương pháp xác định P226PRa trong nước Do thời gian tiến hành khóa luận có hạn nên khóa luận chắc chắn sẽ có những hạn chế. Do đó tôi hi vọng những nghiên cứu tiếp theo sau sẽ được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Mai Thị Vân Anh DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC: Analog to Digital Coverter DJ: Diffused Junction EPA: Environmental Protection Agency FWHM: The full width at half- maximum LSC: Liquid Scintillation Counter MCL: Maximum contaminant level PIPS: Passivated Implanted Planar Silicon SSB: Surface barrier detector MCA: Multi Channel Analyzer MCB: Multi Channel Buffe EDTA : Etilendiamin tetraaxetic axit CHƯƠNG I: HỆ ĐO ALPHA ANALYST 1.1. Tiện ích hệ đo Alpha analyst [2] Hệ đo Alpha Analyst là thiết bị đo hiện đại do hãng CANBERRA sản xuất, giúp ta dễ dàng khảo sát các mẫu phóng xạ alpha tiết kiệm thời gian mà cho kết quả chính xác. Tính chất hệ Alpha Analyst dùng đo hạt alpha trong miền năng lượng từ 4 – 9 MeV nên nó phù hợp với các mẫu môi trường phát alpha. Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ Alpha Analyst Các thao tác của quá trình đo, phân tích và xử lý khi dùng hệ đo Alpha Analyst chủ yếu thực hiện trên máy tính thông qua phần mềm ứng dụng Genie-2000 Alpha Acquisition & Analysis. Nói chung hệ Alpha Analyst là thiết bị đo có hiệu suất và độ chính xác cao khi đo phóng xạ alpha. 1.2. Buồng chân không [1] Hệ đo được thiết kế để đo phổ alpha, do đó việc hút chân không trong quá trình đo là điều cực kỳ quan trọng nhằm giảm tối thiểu sự mất năng lượng hạt alpha. Như được trình bày ở hình 1.3 và hình 1.4 buồng đo chứa mẫu đo và detector của hệ Alpha Analyst có khả Mẫu đo Máy tính Máy hút chân không Tiền khuếch đại Khuếch đại Máy phân tích biên độ đa kênh Cao thế PC PIPS Detector PCI Card năng hút chân không rất tốt và nhanh với áp suất chân không có thể đạt tới giá trị 0,01 torr. Khi đó, ta có thể xem môi trường trong buồng đo này gần như chân không hoàn toàn. Buồng chân không được thiết kế có các khe cách đều nhau, khe gần detector nhất phải cách detector một khoảng cách nhất định để đảm bảo an toàn cho đầu dò khỏi hư hại và kéo dài thời gian sử dụng. Với các khe cách đều nhau ta có thể thay đổi khoảng cách giữa mẫu đo và detector theo ý muốn. Hình 1.2: Hệ đo Alpha Analyst Hình 1.3: Máy hút chân không Hình 1.4: Buồng đo hệ alpha Analyst 1.3. Detector [1] 1.3.1. Detector PIPS Trong hệ đo Alpha Analyst do hãng CABERRA sản xuất, detector được sử dụng là detector PIPS (Passivated Implanted Plannar Silicon: đầu dò silic nuôi cấy ion thụ động), đây là sản phẩm công nghệ hiện đại. Đầu dò này được dùng để thay thế cho các đầu dò hàng rào mặt (SSB) và các đầu dò tiếp xúc khuếch tán (DJ) được chế tạo vào những năm 1960. Nguyên tắc chế tạo đầu dò PIPS cũng tương tự như các đầu dò bán dẫn, song nó có một số cải tiến để cho hiệu quả tốt hơn. Lợi thế của đầu dò này so với đầu dò SSB là dòng rò thấp và mỏng, cửa sổ vào đồng đều hơn (lớp pP+P). Ví dụ, đầu dò PIPS 100 mmP2P được dùng, có tổng bề dày khoảng 325 mµ , điện trở suất 8700 mΩ và điện thế hoạt động bình thường là 60 V. Đầu dò PIPS của hãng CABERRA được sử dụng trong hệ Alpha Analyst có một số ưu điểm nổi trội sau:  Tất cả lề tiếp xúc không sử dụng chất bịt kín epoxy.  Các tiếp xúc được nuôi cấy ion để hình thành tiếp xúc dốc đứng mỏng, chính xác, cho độ phân giải alpha tốt.  Cửa sổ vào ổn định và có thể được làm sạch dễ dàng.  Dòng rò điển hình bằng 1/8 đến 1/1000 dòng rò của đầu dò SSB và DJ.  Độ dày lớp chết bé hơn so với độ dày lớp chết của đầu dò SSB và DJ.  Nhạy với các hạt điện tích, đo hạt alpha cho độ chính xác cao.  Tạp âm thấp nhằm cải tiến độ phân giải và đảm bảo chất lượng. Đầu dò PIPS áp dụng kỹ thuật thích hợp để giảm thiểu độ dày cửa sổ trong khi vẫn giữ nguyên độ nhám, độ tin cậy và ổn định vốn có trong loại tiếp xúc này. Cửa sổ này không chỉ làm tốt khả năng phân giải điển hình như được đo thông thường mà còn được cải tiến hơn tại khoảng cách đầu dò – nguồn cần để đạt hiệu suất cao, đạt được yêu cầu đối với phổ kế alpha phông thấp. Hình 1.5: Đầu dò PIPS Bảng 1.1: Bề dày cửa sổ đầu dò PIPS, SSB Đầu dò Bề dày cửa sổ PIPS <500 Å SSB(Cửa sổ Au) ≈ 800 Å SSB(Cửa sổ Al) > 2000 Å 1.3.2. Đầu dò Alpha PIPS Đầu dò Alpha PIPS được tối ưu về khả năng phân giải năng lượng, độ nhạy cao và phổ alpha phông thấp. Cửa sổ mỏng của đầu dò PIPS cung cấp sự phân giải tăng cường với khoảng cách đầu dò - nguồn cần cho hiệu suất cao. Dòng rò thấp giúp làm giảm tối thiểu sự dịch đỉnh khi thay đổi nhiệt độ. Tần số đếm phông đối với đầu dò Alpha PIPS bé hơn 0,05 số đếm/giờ/cmP2P trong dãy năng lượng từ 3 ÷ 8 MeV. Các đầu dò Alpha PIPS có độ dày vùng hoạt cực tiểu lớn hơn 140 µm đủ để hấp thụ toàn bộ các hạt alpha lên tới 15 MeV. Bảng 1.2: Một số đầu dò Alpha PIPS của hãng CANBERRA sản xuất Các đầu dò Alpha PIPS Diện tích hoạt động (mmP2P) Khả năng phân giải(keV) Nền phông điển hình (số đếm/ngày) Tên 300 17 19 4 4 A300-17AM A300-19AM 450 18 20 6 6 A450-18AM A450-20AM 600 23 25 8 8 A600-23AM A600-25AM 900 25 30 12 12 A900-25AM A900-30AM 1200 30 37 16 16 A1200-30AM A1200-37AM Hệ Alpha Analyst của Bộ môn Vật lý Hạt Nhân sử dụng detector loại A1200-37AM có các thông số sau: Kiểu Diện tích hoạt động (mmP2P) Phân giải alpha (keV) Điện thế phân cực yêu cầu : +40 V Dòng rò (20P0PC) : 12 nA Độ sâu vùng nghèo tối thiểu : >140 µm Thế phân cực cực đại (giới hạn) : +100 V Phông điển hình : 0,05 số đếm/cmP2P/giờ Bán kính vùng hoạt : 19,55 mm Độ phân giải alpha :37 keV. 1.4. Bộ tiền khuếch đại [1] Chức năng bộ tiền khuếch đại là khuếch đại các tín hiệu yếu từ đầu dò và tải nó tới bộ phận còn lại của thiết bị của hệ đo. Đồng thời tiền khuếch đại cũng bổ sung một lượng tạp âm nhỏ nhất có thể. Vì tín hiệu tiền khuếch đại là tương đối yếu nên các tiền khuếch đại được lắp càng gần càng tốt với đầu dò sao cho giảm thiểu độ dài cáp. Trong hệ Alpha Analyst, tiền khuếch đại được sử dụng là loại tiền khuếch đại nhạy với điện tích. Điện dung trong bộ tiền khuếch đại được thiết kế và tính toán thích hợp với tạp âm của hệ thống không đáng kể. A 1200 37 AM Bảng 1.3: Hai loại tiền khuếch đại của CANBERRA Điện thế Tiền khuếch đại Tạp âm Độ nhạy điện tích hay năng lượng Khả năng tần số năng lượng Thời gian tăng (ns) 1000V 2003 BT < 2 keV 20mV/MeV 2,3×10P5 PMeV/s < 5 2000V 2004 <2,8 keV 9 hoặc 45 mV/MeV 4,5×10P5PMeV/s < 20 Với việc sử dụng tiền khuếch đại đầu dò bán dẫn 2004 là loại nhạy điện tích thích hợp cho khuếch đại dùng trong đầu dò phát hiện hạt alpha, có những ưu điểm với các đặc trưng cơ bản sau:  Lối vào đầu dò: tiếp nhận xung điện tích từ đầu dò bán dẫn.  Lối kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại 2,2 pC/V; ZRin R= 93MΩ.  Lối vào cao thế: cho phép điện áp đầu dò tới ± 2000V DC.  Lối ra năng lượng: xung đuôi không bị kéo dài, thời gian tăng được cho trong nhỏ hơn 20 ns, hằng số thời gian giảm 50 µs. Bảng 1.4: Đặc tính của bộ tiền khuếch đại 2004 CRDET Tạp âm rms Tạp âm (keV) FWHM, Si Thời gian tăng (ns) 0 < 5,2.10P-17 < 2,8 < 20 30 < 5,7.10P-17 < 3,0 < 21 100 < 6,6.10P-17 <3,5 < 23 300 < 1,0. 10P-16 < 5,3 < 33 1.5. Bộ khuếch đại [1] Bộ khuếch đại phục vụ cho hai mục đích cơ bản: khuếch đại tín hiệu từ tiền khuếch đại và hình thành xung để có dạng thuận tiện cho việc xử lý tiếp theo. Trong cả hai trường hợp, bộ khuếch đại thường phải giữ những thông tin quan trọng như thông tin thời gian và thông tin biên độ. Nếu thông tin thời gian được đòi hỏi thì bộ tiền khuếch đại phải đáp ứng nhanh chóng. Còn nếu thông tin biên độ được yêu cầu thì tỉ lệ giữa biên độ vào và biên độ ra phải được bảo vệ (khuếch đại tuyến tính). Một trong số các hệ số quan trọng nhất đối với yêu cầu của bộ tiền khuếch đại là đặc trưng hình thành xung và sự hình thành xung tối ưu của tỉ số tín hiệu trên tạp âm. Nói chung bộ khuếch đại trong hệ đo Alpha Analyst đáp ứng tốt cho xử lý phổ của detector bán dẫn nói chung và detector PIPS nói riêng. Với tạp âm nhỏ, độ rộng biên độ xung nhỏ, đảm bảo xung ra tốt và có thể điều chỉnh hệ số khuếch đại theo yêu cầu. Nhờ vậy nó góp phần làm tăng khả năng độ phân giải và ổn định vị trí đỉnh tại vị trí tần số cao trong phổ alpha. 1.6. Bộ biến đổi tương tự thành số ADC và bộ phân tích biên độ đa kênh MCA [1] Bộ biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Coverter - ADC) đo biên độ cực đại của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành mã số. Bộ ADC dùng trong hệ đo Alpha Analyst có được số bit đủ yêu cầu cho phổ có khả năng phân giải cao. Máy phân tích đa kênh (MCA) bao gồm ADC, một bộ nhớ biểu đồ và bộ chỉ thị biểu đồ được ghi trong bộ nhớ. Trong hệ đo có sử dụng máy tính để chỉ thị phổ, sự kết hợp ADC và bộ nhớ biểu đồ được gọi là bộ đệm đa kênh (MCB). CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ RADIUM 2.1. Kim loại Radium Năm 1898, Radium được phát hiện bởi Marie Curie (tên thật là Maria Sklodowska) và chồng là Perrie Curie. Và cho đến ngày nay thì Radium (ký hiệu: Ra) được biết đến như một kim loại nặng nhất trong dãy các kim loại kiềm thổ. Radium mang đầy đủ tính chất của một kim loại kiềm thổ, rất giống với Barium về mặt hoá học. Trong dung dịch, Radium thể hiện số ôxi hòa là +2. Ở dạng tinh khiết, Radium có màu trắng bạc, dễ bị oxy hóa trong không khí thành màu đen. [8] Radium phản ứng mạnh trong nước hình thành hydroxit hòa tan Ra(OH) R2R, nhiệt lượng phản ứng khoảng 9Kcal/g nguyên tử. Bảng 2.1: Đặc tính của 6TRadium6T (Ra)[19] Số hiệu nguyên tử 88 Khối lượng riêng nguyên tử 5 g/mol Mật độ nguyên tử 5 g/ cmP3P (ở 20PoPC) Nhiệt độ nóng chảy 700PoPC Nhiệt độ sôi 1140PoPC Điện trở suất 1 m (ở 20PoPC) Độ dẫn nhiệt 18,6 W/mK ( ở 27PoPC) 2.2. Muối Radium Radium có khả năng kết hợp với nhiều nguyên tố khác tạo thành muối, một số có thể tan trong nước như RaClR2 R, RaBrR2R, Ra(NO R3R)R2 R, một số khác lại không tan như RaSO R4R, RaCOR3R, RaCrOR4R, Hầu hết các hợp chất của Radium là các muối đơn giản, khi mới tạo ra có màu trắng sau đó chuyển sang vàng và cuối cùng là màu đen rồi tự phân rã thành các bức xạ alpha .[8] 2.2.1. Muối Radium tan Các muối chloride, bromide và nitratre của Radium đều tan được trong nước nhưng tính tan giảm dần khi nồng độ các axit tương ứng tăng. 2.2.1.1. Radium chloride (RaCl2) Bình thường, RaCl R2R không màu và tự phát sáng nhưng khi để lâu thì nó chuyển thành màu vàng và khi có lượng nhỏ Barium trong tinh thể RaCl R2R thì tinh thể có màu hồng. Tinh thể ngậm nước RaClR2R.2HR2 RO có dạng tinh thể giống BaCl R2R.2HR2RO. RaClR 2R khô có mật độ 4,9 g/cmP3P và nhiệt độ nóng chảy là 900PoPC. RaClR2 R là chất thuận từ có độ cảm từ là 0,5.10P6 P(khác BaCl R2R là chất nghịch từ). RaClR2R cháy với ngọn lửa đỏ (BaClR2R cháy với ngọn lửa xanh). Các phổ này gồm 2 đường sáng màu đỏ, 1 đường sáng màu xanh và 2 dải mờ màu tím. Độ hòa tan của RaClR2R là 24,5g/100g nước (trong khi của BaClR2R là 30,79g/100g nước). Khi nồng độ HCl tăng lên thì độ hòa tan của RaClR2R giảm nhiều hơn so với BaClR2R. RaClR2R không tan trong nước lạn