Đề tài Xây dựng quy trình chế tạo mẫu chuẩn uran và kali để xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN -----------------†----------------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU CHUẨN URAN VÀ KALI ĐỂ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG MẪU ĐẤT Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Hoàng Oanh Cán bộ hướng dẫn: ThS. Trương Thị Hồng Loan TS. Trần Văn Luyến Cán bộ phản biện: ThS. Huỳnh Thanh Nhẫn TP.HỒ CHÍ MINH- 2007 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và thực hiện khoá luận tốt nghiệp, em đã nhận được sự quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ và động viên của Thầy Cô, gia đình, các anh chị và các bạn. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình tới: ThS. Trương Thị Hồng Loan, người đã truyền đạt lại những kiến thức cần thiết, tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành khoá luận này. TS. Trần Văn Luyến, người Thầy đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý giá và những chỉ bảo tận tình trong thực nghiệm. Các Thầy Cô trong khoa Vật Lý, đặc biệt các Thầy Cô trong bộ môn Vật Lý Hạt Nhân đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích. Anh Đặng Nguyên Phương, anh Trần Thiện Thanh, chị Trần Ái Khanh đã giúp đỡ và động viên em rất nhiều trong thời gian qua. Tất cả bạn bè đã ủng hộ tôi. Xin gởi tri ân đến gia đình vì mọi điều tốt đẹp. Lời mở đầu Phổ kế Gamma phông thấp có khả năng ghi nhận trực tiếp các tia Gamma đo các đồng vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà ko cần tách chiết các nhân phóng xạ khỏi chất nền của mẫu, giúp ta thu được một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ trong mẫu. Đối tượng của phương pháp phân tích này là các mẫu sinh học, môi trường như: đất, nước, không khí, trầm tích, rau (các loại rau), Nhờ những kết quả phân tích trong nghiên cứu môi trường này, chúng ta có thể đánh giá được mức độ ảnh hưởng của của các chất phóng xạ có trong môi trường, của lương thực, thực phẩm đối với cuộc sống của con người. Để đánh giá được các đặc trưng của Detector như độ phân giải, hiệu suất ghi, thời gian đo tối ưu, các phòng thí nghiệm trên thế giới sử dụng các mẫu vật liệu chuẩn với hoạt độ các đồng vị phóng xạ đã được xác định. Việc chế tạo các mẫu chuẩn trong nước để thay thế các mẫu chuẩn ngoại nhập sẽ mang lại tính kinh tế cao và đáp ứng kịp thời các công tác nghiên cứu. Vớiø điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm bộ môn, tác giả chọn đề tài “xây dựng quy trình chế tạo mẫu chuẩn Uran và Kali để xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu đất” được đo bằng hệ phổ kế Gamma phông thấp, nhằm cung cấp một tài liệu tham khảo về chế tạo mẫu chuẩn và các kết quả thực nghiệm bước đầu. 1MỤC LỤC MỤC LỤC.........................................................................................................1 DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................5 Chương 1 ...........................................................................................................6 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................................6 1.1 VÀI NÉT VỀ HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ..............................................6 1.2 NGUỒN GỐC PHÓNG XẠ.......................................................................7 1.2.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên .......................................................7 1.2.1.1 Nhóm đồng vị phóng xạ nguyên thủy ....................................7 1.2.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo.....................................................14 1.2.2.1 Vũ khí hạt nhân.....................................................................14 1.2.2.2 Điện hạt nhân .......................................................................15 1.2.2.3 Tai nạn hạt nhân ...................................................................16 1.3 PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT ..........................................16 1.3.1 Phóng xạ tự nhiên........................................................................16 1.3.1.1 Nguồn gốc của phóng xạ tự nhiên trong đất ........................16 1.3.1.2 Một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất ........................18 1.3.2 Phóng xạ nhân tạo.......................................................................20 Chương 2 .........................................................................................................21 2GIỚI THIỆU ĐẦU DÒ HPGe ..................................................................21 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LOẠI ĐẦU DÒ ĐƯỢC SẢN XUẤT BỞI HÃNG CANBERRA...................................................................................21 2.1.1 Đầu dò Ge đồng trục. ..................................................................22 2.1.2 Đầu dò Ge đồng trục đảo cực (REGe). .......................................23 2.2 GIỚI THIỆU ĐẦU DÒ GEMANIUM SIÊU TINH KHIẾT HAY ĐẦU DÒ HPGE (HIGH PURE GERMANIUM DETECTOR) CÓ TẠI BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN. ........................................................................................24 2.2.1 Cấu hình của đầu dò gemanium siêu tinh khiết GC2018. .........24 2.2.1.1 Cấu hình của đầu dò: ...........................................................24 2.2.1.2 Các thông số kỹ thuật của đầu dò: ......................................25 2.2.1.3 Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò_ buồng chì_nguồn: .................26 2.2.2 Các đặc trưng của đầu dò bán dẫn Germanium.........................27 2.2.2.1 So sánh hiệu suất của đầu dò loại n và loại p .....................27 2.2.2.2 Độ phân giải năng lượng (energy resolution).....................29 2.2.2.3 Tỉ số đỉnh / Compton (peak / Compton ratio) ......................30 2.2.2.4 Hiệu suất của đầu dò germanium siêu tinh khiết (HPGe) ..30 Chương 3 .........................................................................................................34 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ.....................................................................................................................34 3.1 PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG ĐỐI. ..............................................................34 33.2 PHƯƠNG PHÁP TUYỆT ĐỐI. ..............................................................35 3.3 SAI SỐ. .....................................................................................................35 3.4 PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐƠN NGUYÊN TỐ.....................................37 3.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHÓNG XẠ. ..............................38 Chương 4 .........................................................................................................39 THỰC NGHIỆM........................................................................................39 4.1 XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO MẪU CHUẨN ...................................39 4.1.1 chế tạo dụng cụ làm mẫu: ...........................................................39 4.1.2. Gia công chất nền.......................................................................41 4.1.3. Quy trình làm mẫu......................................................................42 1) Tạo mẫu chuẩn Uran : ..................................................................42 2) Tạo mẫu chuẩn Kali : ...................................................................44 4.2 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ...................................................................45 4.2.1 Xác định phông nền của đá bazan : ............................................45 4.2.2 Đánh giá độ đồng nhất: ...............................................................46 4.2.2.1 Với mẫu chuẩn Kali :............................................................46 4.2.2.2 với mẫu chuẩn Uran :............................................................46 4.2.3 Kiểm chứng phương pháp : .........................................................48 4.2.3.1 Phương pháp tuyệt đối: .........................................................48 4.2.3.2 phương pháp tương đối:........................................................49 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................51 4DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Đặc trưng của 40K và các nhân chính của 3 họ phóng xạ. ................... 12 Bảng 1.2: Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc vũ tru.......................................... 13 Bảng 1.3: Các đồng vị phóng xạ chính trong môi trường đất............................... 20 Bảng 4.1: Kích thước hộp mẫu 3π......................................................................... 40 Bảng 4.2: Kích thước hộp mẫu 2π......................................................................... 41 Bảng 4.3: Kết quả đo phông nền của bột đá bazan. ............................................. 45 Bảng 4.4: Đánh giá độ đồng nhất mẫu Kali.........................................................46 Bảng 4.5: Tốc độ đếm của mỗi mẫu Uran ứng với từng mức năng lượng. ........... 47 Bảng 4.6: Đánh giá độ đồng nhất mẫu Uran. ...................................................... 47 Bảng 4.7: Hiệu suất ghi của mẫu 1 ứng với 2 đỉnh năng lượng 63.3 keV và 92.38 keV. ....................................................................................................................... 48 Bảng 4.8: Hiệu suất ghi của mẫu 2 ứng với 2 đỉnh năng lượng 63.3 keV và 92.38 keV. ....................................................................................................................... 49 Bảng 4.9: Hoạt độ trung bình mẫu đo tính từ phương pháp tuyệt đối. ............................ 49 Bảng 4.10: Hoạt độ riêng của mẫu phân tích tính theo mẫu 1. ............................ 50 Bảng 4.11: Hoạt độ riêng của mẫu phân tích tính theo mẫu 2. ............................ 50 5DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Họ Thorium (4n)..................................................................................... 9 Hình 1.2: Họ Actinium (4n+3) ............................................................................. 10 Hình 1.3: Họ Uranium (4n+2) ............................................................................. 11 Hình 2.1: Tiết diện ngang của đầu dò Ge đồng trục. ........................................... 23 Hình2.2: Tiết diện ngang của đầu dò Ge đồng trục đảo cực. .............................. 23 Hình 2.3: Cấu trúc đầu dò HPGe......................................................................... 25 Hình 2.4: Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò - buồng chì –nguồn. ............................... 26 Hình 2.5: Bình làm lạnh .......................................................................................27 Hình 2.6 : Hiệu suất năng lượng toàn phần thực của detector đồng trục (loại n) và đồng trục đảo cực (loại p)................................................................................ 28 Hình 2.7: Phổ của nguồn phóng xạ Co-60 được đo bởi đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) và đầu dò HPGe ................................................................................................... 29 Hình 4.1: hộp mẫu 3π ........................................................................................... 40 Hình 4.2: Hộp mẫu 2π .......................................................................................... 41 6Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 VÀI NÉT VỀ HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ Phóng xạ là một hiện tượng tự nhiên xuất hiện từ thuở khai thiên lập địa, nhưng chưa được biết đên cho đến năm 1896 khi Henri Becquerel tình cờ phát hiện các bức xạ từ muối của Uranium. Sau đó, năm 1899 Pierre và Marrie Curie tìm ra hai chất phóng xạ mới là Polonium và Radium. Năm 1934, Frederic Jiolot và Iren Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo của phospho và nitrogen. Phát minh này đã mở ra một kỷ nguyên của phóng xạ nhân tạo. Theo định nghĩa, phóng xạ là biến đổi tự xảy ra của hạt nhân nguyên tử, đưa đến sự thay đổi trạng thái hoặc bậc số nguyên tử hoặc số khối của hạt nhân. Khi chỉ có sự thay đổi trạng thái xảy ra, hạt nhân sẽ phát ra tia gamma mà không biến đổi thành hạt nhân khác, khi bậc số nguyên tử thay đổi sẽ biến hạt nhân này thành hạt nhân của nguyên tử khác, khi chỉ có số khối thay đổi hạt nhân sẽ biến thành đồng vị khác của nó. Các công trình nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng phóng xạ đã xác nhận sản phẩm phân rã phóng xạ của hạt nhân gồm: + Tia alpha: là chùm các hạt tích điện dương, bị lệch trong điện trường và từ trường, dễ bị các lớp vật chất mỏng hấp thụ. Về bản chất, tia alpha là chùm các hạt nhân của nguyên tử Helium ( He24 ). + Tia beta: cũng bị lệch trong điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu hơn tia alpha. Về bản chất, tia beta là các electron (  ) và các positron (  ). 7+ Tia gamma: không chịu tác dụng của điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu vào vật chất. Về bản chất, tia gamma là các photon có năng lượng cao. 1.2 NGUỒN GỐC PHÓNG XẠ Phóng xạ có ở khắp mọi nơi: trong đất, nước, không khí, thực phẩm, vật liệu xây dựng, kể cả con người - một sản phẩm của môi trường. Nguồn phóng xạ được chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo. Nguồn phóng xạ tự nhiên (thường được gọi là phông phóng xạ tự nhiên) là các chất đồng vị phóng xạ có mặt trên trái đất, trong nước hay trong bầu khí quyển. Nguồn phóng xạ nhân tạo do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc. 1.2.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên Các nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy - có từ khi tạo thành trái đất và vũ trụ và nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ - được tia vũ trụ tạo ra. 1.2.1.1 Nhóm đồng vị phóng xạ nguyên thủy Phông phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và khi trái đất được hình thành. Chúng có chu kỳ bán rã ít nhất khoảng vài triệu năm, gồm có Uranium, Thorium và con cháu của chúng, cùng với một số nguyên tố phóng xạ khác tạo thành bốn họ phóng xạ cơ bản: Họ Thorium Th232 (4n); họ Uranium U238 (4n+2); họ Actinium U235 (4n+3) và họ phóng xạ nhân tạo Neptunium Pu241 (4n+1). Các đặc điểm của 3 họ phóng xạ tự nhiên: 8+ Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. + Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố Radon: ví dụ trong họ Uranium là Ra22286 (Radon); trong họ Thorium là Rn22086 (Thoron); trong họ Actinium là Rn21986 (Actinon). Trong họ phóng xạ nhân tạo Neptunium không có thành viên khí phóng xạ. + Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ tự nhiên đều là chì: Pb206 trong họ Uranium, Pb207 trong họ Actinium và Pb208 trong họ Thorium. Trong họ phóng xạ nhân tạo Neptunium, thành viên cuối cùng là Bi209 . Sơ đồ phân rã của ba họ phóng xạ tự nhiên được cho trong các Hình 1.1, Hình 1.2 và Hình 1.3. Ngoài các đồng vị phóng xạ trong 4 họ phóng xạ cơ bản trên, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với bậc số nguyên tử thấp. Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là K40 , rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng K trong đất đá là 27 g/kg và trong đại dương ~ 380 mg/lít), trong thực vật, động vật và cơ thể người (hàm lượng K trung bình trong cơ thể người khoảng 1,7 g/kg). 9Hình 1.1: Họ Thorium (4n) Ký hiệu: Phân rã Beta Phân rã Alpha 232 230 228 226 224 222 218 220 216 214 212 210 208 89 88 87 86 85 84 83 82 8190 10 Hình 1.2: Họ Actinium (4n+3) 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 235 233 231 229 227 225 223 221 219 217 215 213 211 11 Hình 1.3: Họ Uranium (4n+2) Một đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là C14 với chu kỳ bán rã 5600 năm. C14 là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 238 236 234 232 230 228 226 224 222 220 218 216 214 212 210 208 206 12 nhân N14 . Trước khi xuất hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của C14 trong khí quyển khoảng 1,5.1011 MBq (4MCi), trong thực vật khoảng 4,8.1011 MBq (13MCi), trong đại dương khoảng 9.1012 MBq (240 MCi). Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng C14 . Cho đến năm 1960, tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.1011 MBq (3MCi). Cacbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí 2CO , đi vào cơ thể động vật qua quá trình hô hấp và vào thực vật qua quá trình quang hợp nên được sử dụng để đánh giá tuổi các mẫu khảo cổ vật liệu hữu cơ thông qua các số liệu hoạt độ riêng C14 của chúng. Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên quan trọng nhất được dẫn ra trong bảng dưới đây. Bảng 1.1: Đặc trưng của 40K và các nhân chính của 3 họ phóng xạ. Nhân Chu kỳ bán hủy Hàm lượng/ Hoạt độ tự nhiên 235U 238U 232Th 226Ra 222Rn 40K 7,04.108 năm 4,47.109 năm 1,41.1010 năm 1,6.103 năm 3,82 ngày 1,28.1010 năm 0,72% Uran tự nhiên 99,2745% Uran tự nhiên, 0,5-0,7 ppm Uran trong đá 1,6-20 ppm trong đá vôi, trung bình 10,7 ppm 16 Bq/kg trong đá vôi, 48 Bq/kg trong đá nóng chảy 0,6-28 Bq/m3 trong không khí 37-1000 Bq/kg trong đất 1.2.1.2 Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ + Các đồng vị phóng xạ được tạo thành từ tia vũ trụ: 13 Bức xạ vũ trụ lan khắp không gian, chúng tồn tại chủ yếu ngoài hệ Mặt trời của chúng ta. Bức xạ có nhiều dạng, từ những hạt nặng có vận tốc rất lớn đến các photon năng lượng cao và các hạt muyon. Tầng trên của khí quyển trái đất tác dụng với nhiều loại tia vũ trụ và làm sinh ra các nhân phóng xa. Phần lớn các nhân phóng xạ này có thời gian bán rã ngắn hơn các nhân phóng xạ tự nhiên có trên trái đất. Bảng 1.2 trình bày các nhân phóng xạ chính có nguồn gốc từ vũ trụ. Bảng 1.2: Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ Nhân T1/2 Nguồn Hoạt độ 14C 3H 7Be 5730 năm 12,3 năm 53,28 ngày Ttvt 14N(n,p)14C Ttvt N và O 6Li(n,  )3H Ttvt với N và O 220 Bq/kg trong vật liệu hữu cơ 1,2.10-3 Bq/kg 0,01 Bq/kg Các nhân phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ khác là Be10 , Al26 , Cl26 , Kr80 , C14 , Si32 , Ar39 , Na22 , S35 , Ar37 , P32 , P33 , Mg38 , Na24 , S38 , F18 , Cl38 , Clm34 . + Bức xạ vũ trụ: Cùng với các nhân phóng xạ tạo nên khi tia vũ trụ tương tác với lớp khí quyển, bản