Đánh giá nồng độ hoạt độ phóng xạ beta tổng trong một số loại mẫu nước sử dụng thiết bị hidex 300SL

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------

NGUYỄN ĐÌNH KHẢI

ĐÁNH GIÁ NỒNG ĐỘ HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ
BETA TỔNG TRONG MỘT SỐ LOẠI MẪU NƢỚC
SỬ DỤNG THIẾT BỊ HIDEX 300SL

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------

NGUYỄN ĐÌNH KHẢI

ĐÁNH GIÁ NỒNG ĐỘ HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ
BETA TỔNG TRONG MỘT SỐ LOẠI MẪU NƢỚC
SỬ DỤNG THIẾT BỊ HIDEX 300SL

Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử
Mã số: 60440106
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đàm Nguyên Bình

Hà Nội – 2017


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đàm Nguyên Bình - Trưởng ban An toàn
bức xạ - Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 đã tận tình hướng dẫn, định hướng và
tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin cảm ơn Đảng ủy, Chỉ huyViện Y học Phóng xạ và U bướu
Quân Đội, cùng các đồng nghiệp ở khoa Kiểm định Phóng xạ đã giúp đỡ và tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong Khoa Vật lý- Trường Đại
học Khoa học tự nhiên đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
học tập tại đây.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn cổ vũ, giúp
đỡ tôi để hoàn thành luận văn thạc sỹ này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng 08 năm 2017
Học viên

Nguyễn Đình Khải

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... i
MỤC LỤC ................................................................................................................ ii
DANH MỤC VIẾT TẮT ....................................................................................... iv

DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ v
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ vi
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ....................................................................................... 3
1.1. Nguồn gốc của chất phóng xạ trong nước ......................................................... 3
1.2. Detector ghi đo bức xạ sử dụng trong đo alpha/beta tổng ................................. 8
1.2.1. Detector bán dẫn ............................................................................................. 8
1.2.2. Detector chứa khí .......................................................................................... 10
1.2.3. Detector nhấ p nháy lỏng ............................................................................... 10
1.3. Nguyên lý hoạt động của detector nhấp nháy lỏng dùng để đo hoạt độ
anpha/beta................................................................................................................ 12
1.3.1. Năng lươ ̣ng ngưỡng ...................................................................................... 13
1.3.2. Sự phân biệt anpha/beta ................................................................................ 14
1.3.3. Hiê ̣n tươ ̣ng quenching ................................................................................... 15
1.3.4. Dung môi và chấ t tan .................................................................................... 19
1.3.4.1. Dung môi ................................................................................................... 19
1.3.4.2. Chấ t tan ...................................................................................................... 20
1.3.5. Nguyên lý đo đế m nhân phát α sử du ̣ng detector nhấ p nháy lỏng ................ 21
1.3.5.1. Nguyên lý đo đế m tia α .............................................................................. 21
1.3.5.2. Vị trí của phổ α trong phương pháp đo nhấp nháy lỏng ............................ 22
1.3.5.3. Phân giải năng lươ ̣ng .................................................................................. 23
1.4. Tiêu chuẩn nồng độ hoạt độ phóng xạ trong nước........................................... 24
Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP ĐO TỔNG BETA TRONG CÁC MẪU NƢỚC
SỬ DỤNG THIẾT BỊ HIDEX 300SL .................................................................. 25
2.1. Giới thiê ̣u về thiế t bi ̣Hidex 300SL .................................................................. 25
2.2. Phương pháp tỷ số trùng phùng ba trên trùng phùng đôi (TDCR) .................. 28

ii


2.3. Quy trình chuẩ n bị và xử lý mẫu ...................................................................... 30

2.3.1. Các phương pháp làm giàu mẫu .................................................................... 30
2.3.2. Quy trình xử lý một số loại mẫu lỏng ........................................................... 31
2.4. Đo phông, chuẩn hiệu suất ............................................................................... 33
2.4.1. Đo phông ....................................................................................................... 33
2.4.2. Chuẩn hiê ̣u suấ t ............................................................................................. 34
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 36
3.1. Xác định hiệu suất ghi beta và ngưỡng phát hiện ........................................... 36
3.2. Xác định nồng độ hoạt độ phóng xạ beta tổng trong các mẫu nước ................ 37
3.2.1. Thu thập các mẫu nước ................................................................................. 37
3.2.2. Kết quả đo của các loại mẫu nước ................................................................ 37
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 42

iii


DANH MỤC VIẾT TẮT
TDCR

Triple to Double Coincidence Ratio

Tỷ số trùng phùng ba trên
trùng phùng đôi

LSC

Liquid Scintillation Counting

Đế m nhấ p nháy lỏng

PMT

Photomultiplier Tube

Ống nhân quang

WHO

World Health Organization

Tổ chức y tế thế giới

EURATOM European Atomic Energy Community

Cộng đồng năng lượng
nguyên tử châu âu
Dược chất phóng xạ

DCPX

NCRP

National

Council

on

Protection and Measurements

iv

Radiation Ủy ban quốc gia về Bảo
vệ và đo lường bức xạ


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. 1. Mô ̣t số đă ̣c trưng của các đồ ng vi ̣ phóng xạ trong tự nhiên . ....................5
Bảng 1. 2. Mô ̣t số đồ ng vi ̣phóng xa ̣ nhân ta ̣o trong môi trường. ...............................7
Bảng 1. 3. Phân loa ̣i tác nhân quenching ..................................................................18
Bảng 3. 1. Kết quả đo mẫu chuẩn .............................................................................36
Bảng 3. 2. Một số mẫu nước thực nghiệm trong đề tài .............................................37
Bảng 3. 3. Kết quả đo mẫu nước máy .......................................................................38
Bảng 3. 4. Kết quả đo mẫu nước ngầm .....................................................................38
Bảng 3. 5. Kết quả đo mẫu nước mưa .......................................................................39
Bảng 3. 6. Kết quả đo mẫu nước ao ..........................................................................39
Bảng 3. 7. Kết quả đo được như sau: ........................................................................40
Bảng 3. 8. Tổng hợp kết quả đo của các mẫu ...........................................................40
Bảng 3. 9. Kết quả hoạt độ phóng xạ beta tổng trong nước. .....................................41

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ chuỗi phóng xạ 238U . ........................................................................3
Hình 1.2. Sơ đồ chuỗi phóng xạ 232Th . ......................................................................4
Hình 1.3. Sơ đồ chuỗi phóng xạ 235U ........................................................................4
Hình 1. 4. Chuyển chất thải của DCPX ra môi trường. ..............................................7
Hình 1. 5. Detector bán dẫn .......................................................................................9
Hình 1. 6. Hai loa ̣i Detector nhấ p nháy sử du ̣ng trong ghi đo bức . .........................11

Hình 1. 7. Sơ đồ phân rã β ........................................................................................12
Hình 1. 8. Phổ năng lươ ̣ng của tia β .........................................................................13
Hình 1. 9. Sự phân tách xung anpha/beta .................................................................14
Hình 1. 10. Sự phân tách xung alpha/beta được thực hiện trên đồ thị 2D ...............14
Hình 1. 11. Sự dich
̣ chuyể n phổ

14

C do quenching ..................................................15

Hình 1. 12. Các loa ̣i quenching trong LSC ..............................................................16
Hình 1. 13. Quenching màu xảy ra do mô ̣t chấ t không màu ...................................17
Hình 1. 14. Phổ hấ p thu ̣ và phổ bức xa ̣ của PPO . ....................................................17
Hình 1. 15. Mố i quan hê ̣ giữa năng lươ ̣ng cực đa ̣i của tia β và hiệu suất ................18
Hình 1. 16. Cấ u trúc phân tử của mô ̣t số dung môi .................................................19
Hình 1. 17. Mố i liên hê ̣ giữa bước sóng của phổ hấ p thu ̣ của dung môi ..................20
Hình 1. 18. Tên viế t tắ t của mô ̣t số hơ ̣p chấ t hóa ho ̣c và c ấu trúc phân tử của một số
dung môi ...................................................................................................................21
Hình 1. 19. Sự dich
̣ chuyể n phổ α do quenching . ....................................................22
Hình 1. 20. Hiê ̣u suấ t phát xa ̣ và vi ̣trí phổ α và e biến hóa nô ̣i. ...............................23
Hình 2. 1. Hình ảnh 3 ống nhân quang PMT ...........................................................25
Hình 2. 2. Hình ảnh thiết bị Hidex 300SL. ...............................................................26
Hình 2. 3. Sơ đồ phân tích của thiết bị Hidex 300SL ...............................................29
Hình 3. 1. Phổ năng lượng beta của mẫu chuẩn C-14...............................................36

vi

MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Trong môi trường nước luôn tồn tại một lượng chất phóng xạ nhất định
dođóng góp của các nguồn phóng xạcó trong tự nhiên và các nguồn phóng xạ nhân
tạo. Môi trường nước bị nhiễm xạ có thể gây ra các tác hại to lớn đến sức khỏe con
người, đặc biệt khi các chất phóng xạ này đi vào và lưu lại trong cơ thể con người
thông qua đường uống. Phân tích hoạt độ alpha/beta tổng được sử dụng như là bước
đầu và đơn giản cho việc xác định mức độ nhiễm bẩn phóng xạ của nguồn nước
cũng như một phương pháp để kiểm soát mức độ ô nhiễm phóng xạ của môi trường
nói chung.
Nồ ng đô ̣ phóng xa ̣ của các mẫu nước tron g môi trường thường rấ t nhỏ . Do đó,
hoạt độ phóng xạ của mẫu nước thường không được xác định trực tiếp trên các thiết
bị hạt nhân mà xác định hoạt độ phóng xạ cần phải kết hợp với các phương pháp
hóa phóng xạ và kỹ th uâ ̣t đo lường bức xa ̣ ha ̣t nhân . Phép phân tích hạt nhân có
nhiê ̣m vu ̣ xác đinh
̣ hoa ̣t đô ̣ phóng xa ̣ của các mẫu đã đươ ̣c xử lý và xác đinh
̣ hoa ̣t đô ̣
riêng của mẫu ban đầ u . Phương pháp hóa phóng xa ̣ và kỹ thuâ ̣t đo phân tić h ha ̣t
nhân có thể hỗ trơ ̣ cho nhau .Các phương pháp này rất hữu ích trong các nghiên cứu
về độ tinh khiết của việc cấp nước sinh hoa ̣t , công nghiệp, mức độ ô nhiễm nguồn
nước và nước thải phóng xạ .Có hai phương pháp để xác định hoạt độ alpha/beta
tổng trong nước, đó là phương pháp phân tích thông thường với việc chuẩn bị mẫu
bằng cách bay hơi đến khô mẫu cần phân tích và phương pháp dùng hệ nhấp nháy
lỏng. Phương pháp dùng hệ nhấp nháy lỏng có một số ưu điểm so với phương pháp
thông thường đó là nó không xảy ra hiệu ứng tự hấp thụ trên mẫu và hiệu suất ghi
của hệ đo cao.
Viện Y học phóng xạ và U bướu Quân đội được trang bị mới một hệ đo nhấp
nháy lỏng Hidex 300SL, thiế t bi ̣ có thể được sử dụng để xác định hoạt độ phóng xạ
trong mẫu nước môi trường cũng như có thể phân tích hoạt đ ộ phóng xạ trong nước
tiể u và máu. Tuy nhiên, hệ thiết bị ban đầu mới chỉ giới hạn cho việc đo đạc hoạt độ

1


beta trong mẫu. Do vậy, nhằm mục đích triển khai sử dụng thiết bị một cách hiệu
quả, chúng tôi đã chọn thực hiệnđề tài với tiêu đề: “Đánh giá nồ ng đô ̣ hoa ̣t đô ̣
phóng xạ beta tổng trong một số loại mẫu nước sử dụng thiết bị Hidex 300SL”.
Mục tiêu đề tài
Tìm hiểu các phương pháp đo hoạt độ phóng xạ anpha/beta tổng trên hệ đo
nhấp nháy lỏng.
Tìm hiểu tính năng kỹ thuật và hoạt động của thiết bị Hidex 300SL được trang
bị tại Viện Y học phóng xạ và U bướu Quân đội.
Xây dựng phương pháp đo hoa ̣t đô ̣ phóng xa ̣ beta tổng trong các mẫu nước sử
dụng thiết bị Hidex 300SL.
Áp dụng phân tích nồng độ hoạt độ beta tổng trong một số mẫu nước để đánh
giá khả năng ứng dụng của thiết bị.
Nội dung nghiên cứu
Đề tài gồ m 3 chương:
 Tổ ng quan
 Phương pháp xác đinh
̣ nồ ng đô ̣ hoa ̣t đô ̣ phóng xa ̣ beta tổ ng trên hê ̣ đo
nhấ p nháy lỏng
 Kết quả và kết luận

2


Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Nguồn gốc của chất phóng xạ trong nƣớc
Con người bị chiếu xạ tự nhiên từ một số nguồn bao gồm các tia vũ trụ và

các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất, nước và không khí. Ngoài ra, còn có thể có
các nguyên tố phóng xạ được sinh ra khi bức xạ vũ trụ tương tác với hạt nhân trong
bầu khí quyển và vỏ trái đất thông qua các quy trình phá vỡ hoặc hiếm hơn là thông
qua việc kích hoạt các neutron hay muon. Việc sản sinh ra các nguyên tố phóng xạ
bởi tác dụng của tia vũ trụ trong bầu khí quyển có xu hướng theo các mô hình độ
cao và vĩ độ sau đó là các mô hình tăng cường bức xạ vũ trụ. Xấp xỉ 70% nguyên
tố phóng xạ sinh ra bởi tác động của tia vũ trụđượchình thành ở tầng bình lưu, các
phần còn lại thì hình thành ở tầng đối lưu .Các nguyên tố phóng xạ nổi bật hơn bao
gồm 3H, 7Be, 14C và 22Na. Các nguyên tố phóng xạ sinh ra bởi tia vũ trụ sẽ đóng góp
vào mức phóng xạ trong đất và nước thông qua các cơ chế lắng đọng [11].

Hình 1.1. Sơ đồ chuỗi phóng xạ 238U[3].
3


Hình 1.2. Sơ đồ chuỗi phóng xạ 232Th[3].

Hình 1.3. Sơ đồ chuỗi phóng xạ 235U[3].

4


Nhóm các nguyên t ố phóng xạ có chu kỳ bán rã rất lớn, chúng vẫn đang tồn
tại trong vỏ Trái Đất đó là những nguyên tố Kali, Rubidium, Uranium, Thorium,
con cháu của chúng và một số các nguyên tố khác.Bảng số 1 đưa ra mô ̣t số đă ̣c
trưng cơ bản như độ phổ biến đồng vị, chu kỳ bán rã của các đồ ng vi ̣trong hơ ̣p chấ t
tự nhiên.
Bảng 1.1. Mô ̣t số đă ̣c trưng của các đồ ng vi ̣phóng xa ̣ trong tự nhiên[2].
TT
1

Đồng vị

Hàm lượng hợp chất trong tự nhiên(%)

Chu kỳ bán rã (năm)

K

0,012

1,248 x 109

Rb

27,83

4,9 x 1010

99,98

1,405 x 1010

40

2

87

3

232

Th

4

235

U

0,72

7,038 x 108

5

238

U

99,28

4,498 x 109

Kali-40 là một ví dụ hiếm gặp vừa phân rã β−, vừa phân rã β+ và chiếm K .
Kali-40 phân rã thành canxi-40 (40Ca) phát ra hạt beta (β−, electron) với năng lượng
cực đại đạt 1,33 MeV và một antineutrino. Xác xuất quá trình phân rã β– cỡ 89,28%.
Khi phân rã β+ và chiếm K, nó phân rã thànhargon-40 (40Ar) đươ ̣c ta ̣o thành ở tra ̣ng
thái kích thích với năng lượng 1.460 MeV và một neutrino. Xác xuất quá trình phân

rã β+ cỡ 10,72 %. Phân rã phóng xạ của đồng vị đặc biệt này giải thích sự thật rằng
argon là khí hiếm rẻ nhất luôn có sẵn.Rất hiếm (0,001% thời gian) nó phân rã
thành 40Ar bằng cách phát rapositron (β+) và neutrino.Hàm lượng trung bình của
Kali trong vỏ trái đấ t cỡ

1,84 %. Nồng độ của

40

K trong đất dải từ 37 đến 1100

Bq/kg và có giá trị trung bình 400 Bq /kg [5].
Chuỗi phóng xạ

238

U có thể chia thành các chuỗi phóng xạ con trong đó hoạt

tính phóng xạ của nhân phóng xạ đầu chuỗi sẽ chi phối hoạt tính phóng xạ của các
nhân phóng xạ khác có trong chuỗi. Uran khá phổ biến trong tự nhiên, nồng độ của
238

U trong đất dải từ 2 đến 300 Bq /kg và có giá trị trung bình trên toàn thế giới là

25 Bq /kg.

5


Chuỗi phóng xạ

228

Ra-->224Ra;

tương tự như

220
238

232

Th có thể chia thành các chuỗi phóng xạ con sau:

Rn-->208Pb. Nồng độ của

232

Th;

232

Th trong đất dải từ 2 đến 300 Bq /kg

U và có giá trị trung bình trên toàn thế giới là 40 Bq /kg. Lượng

nhân phóng xạ 235U chỉ chiếm 0.72% tổng lượng uran có trong tự nhiên nên có rất ít
trong môi trường đất [3].
Như đã chỉ ở trên , tất cả các loại đất đá đều chứa các nguyên tố phóng xạ.
Khi có dòng nước chảy qua đất đá, các nguyên tố phóng xạ có thể được hòa tan vào
trong nước. Tùy theo tính chất hóa học của các nguyên tố hóa học, mức độ hòa tan

của chúng vào trong nước khác nhau.Các nguyên tố phóng xạ tồn tại dưới dạng hợp
chất hòa tan trong nước sẽ chảy theo dòng nước. Các nguyên tố nằm trong hợp chất
kết tủa lắng đọng xuống đáy sông.Hoạt độ phóng xạ riêng trong nước (Bq/l) của các
nguyên tố biến thiên trong khoảng rộng [2].
Loài người đã đóng góp đáng kể vào sự có mặt của nguyên tố phóng xạ trong
môi trường. Từ những ngày đầu khám phá ra chất phóng xạ, phát triển phân hạch
hạt nhân được áp dụng cho cả thời gian chiến tranh và hòa bình rồi đến ngày nay sử
dụng trong y học, công nghiệp và nghiên cứu, các nguồn phóng xạ do con người tạo
ra đóng góp vào liều bức xạ. Việc khai thác mỏ uranium cũng là một sự đóng góp
đáng kể vào việc ô nhiễm môi trường. Một trong những quan tâm là chất thải sinh
ra từ việc ứng dụngnăng lượng nguyên tử vào đời sống của con người. Như dùng
dược chất phóng xạ để chẩn đoán và điều trị bệnh nhân ungthư. Các nguyên tố
phóng xạ được sử dụng thường có hiệu quả cao trong việc chẩn đoán, điều trị bệnh
nhân ung thư và có chu kỳ bán rã ngắn như I-131, Tc-99m, P-32,….

6


Hình 1.4. Chuyển chất thải của DCPX ra môi trường.
Trên hình 1.4 mô tả quy trình điều trị bệnh nhân ung thư sử dụng dược chất
phóng xạ. Ở đây, bệnh nhân ung thư được điều trị ở hai dạng đó là điều trị ngoại trú
và điều trị nội trú. Đối với bệnh nhân điều trị ngoại trú, bệnh nhân được tiêm hoặc
uống thuốc dược chất phóng xạ với một lượng hoạt độ phóng xạnhỏ hơn mức theo
quy định, có thể được về nhà và không phải lưu trú tại bệnh viện. Còn những bệnh
nhân điều trị nội trú sẽ được điều trị một lượng hoạt độ phóng xạ lớn và phải được
cách ly với những người xung quanh khoảng 3 đến 5 ngày mới được xuất viện.Dù
bệnh nhân được điều trị ngoại trú hay nội trú thì những bệnh nhân này hình dung sẽ
đóng góp một lượng các nguyên tố phóng xạ nhất định ra môi trường xung quanh.
Trong bảng 1.2 đưa ra đặc trưng loại phân rã và chu kỳ bán rã của một số nguyên tố
phóng xạ nhân tạo.

Bảng 1.2. Mô ̣t số đồ ng vi ̣phóng xa ̣ nhân ta ̣o trong môi trường[2].
TT

Đồng vị phóng xạ

Loại phân rã

Chu kỳ bán rã

Βeta

12,32 năm

C

Βeta

5730 năm

Kr

Βeta

10,7 năm

1

3

2

14

3

85

H

7


4

90

Sr

Βeta

28 năm

5

89

Sr

Βeta

50,5 ngày

6

131

I

Βeta

8 ngày

Zn

Βeta

56 ngày

7

95

8

137

Cs

Βeta

30 năm

9

136

Cs

Βeta

13.5 ngày

10

140

Ba

Βeta

12,8 ngày

11

241

Pu

Βeta

14 năm

12

139

Pu

Αnpha

1400 năm

13

138

Pu

Αnpha

87 năm

14

240

Pu

Αnpha

6600 năm

Am

Αnpha

430 năm

Βeta

6h

15

241

16

99m

Tc

1.2. Detector ghi đo bƣ́c xạ sử dụng trong đo alpha/beta tổng
Hiện nay, nhiều kỹ thuật và thiết bị có thể đo hoạt độ phóng xạ trong môi
trường. Mỗi thiết bị có ưu điểm và nhược điểm khác nhau để phù hợp cho từng
phép đo như kỹ thuật đo sử dụng detector bán dẫn, kỹ thuật đo sử dụng detector
chứa khí và kỹ thuật đo sử dụng detector nhấp nháy lỏng.
1.2.1. Detector bán dẫn
Detector bán dẫn hoa ̣t đô ̣ng dựa trên nguyên tắ c khi ha ̣t bức xa ̣ đi vào trong
chấ t bán dẫn sẽ làm chuyể n electron từ vùng hóa tri ̣lên trên vùng dẫn

. Sự thiế u

vắ ng electron trong vùng hóa tri ̣ (lỗ trố ng) hoạt động giống như positron . Detector
bán dẫn hoạt động như là buồng i on hóa rắ n , trong đó că ̣p electron - lỗ trố ng đóng
vai trò như că ̣p electron -ion trong buồ ng ion hóa . Khi điê ̣n trường đươ ̣c đưa vào ,
că ̣p electron -lỗ trố ng bi ta
̣ ́ ch rời nhau ra , chuyể n đô ̣ng về các điê ̣n cực , đươ ̣c các

8


điê ̣n cực thu t hâ ̣p, hình thành lên tín hiệu tỷ lệ với năng lượng mà hạt bức xạ tiêu
tán trong detector.

Hình 1.5. Detector bán dẫn [1].
Đa số detector bán dẫn hoa ̣t đô ̣ng theo kiể u tiế p xúc pn của diode. Bởi vì khe
năng lươ ̣ng trong đa số chấ t bán dẫn có giá tri ̣khoảng

1 eV, thông thường để ta ̣o

că ̣p ta cầ n khoảng 3-4 eV, cho nên những ha ̣t với năng lươ ̣ng tương đố i thấ p cũng
có khả năng sinh ra một số lượng tương đối

lớn că ̣p electron lỗ trố ng với thăng

giáng thống kê tương đối nhỏ . Detector bán dẫn rấ t hiệu quả khi phát hiê ̣n các ha ̣t
như vâ ̣y. Detector bán dẫn (thông thường silicon, germanium) thường đươ ̣c dùng do
chúng thỏa mãn vừa là vật liệ u có đô ̣ dẫn đủ lớn , cho phép xung sinh ra bởi mô ̣t ha ̣t
cao hơn hẳ n phông nề n , vừa là vâ ̣t liê ̣u trong đó phầ n tử tải điê ̣n không bi ̣bắ t giữ

nhanh bởi các pha ta ̣p.
Detector bán dẫn đã được sử dụng trong hệ phổ kế alpha để định lượng hoạt
độ phóng xạ alpha và các hạt nhân phóng xạ ban đầu hay hạt nhân bố mẹ của chúng
dựa vào phổ năng lượng alpha ghi nhận được. Những detector này cần hoạt động
trong chân không để đảm bảo chúng ghi nhận hạt alpha phát ra từ nguồn mà không
bị suy giảm năng lượng của nó.Việc ghi nhân hạt alpha sẽ cho ra một xung điện và
được khuếch đại và tạo dạng xung trước khi đi vào bộ phân tích đa kênh để hình
thành phổ biên độ xung (phổ năng lượng) của hạt alpha [1].

9


1.2.2. Detector chứa khí
Detector chứa khí bao gồm ba loại chế độ hoạt động, đó là buồng ion hóa,
ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger Muller. Tuy nhiên, trong đo đạc hoạt độ phóng xạ
alpha, beta của mẫu nước, chỉ detector chứa khí tỷ lệ dòng chảy được ứng dụng.
Loại đầu đo này có hiệu suất ghi tương đối thấp, vùng diện tích đầu đo có thể biến
đổi từ 100-600 cm2. Khí sử dụng cho đầu đo thường là khí P-10, đây là hỗn hợp khí
Ar và metan với tỷ lệ 9:1. Bức xạ ion hóa đi vào vùng ghi nhận qua cửa sổ mỏng
bằng Mylar có tráng nhôm. Bức xạ gây ra quá trình ion trong khí của đầu đo, tạo ra
các ion sơ cấp, dưới tác dụng của điện tường tiếp tục được gia tốc để gây ra quá
trình thác lũ Townsend. Kết quả đo với ống đếm tỷ lệ dòng chảy bị ảnh hưởng
mạnh bởi chất lượng của ma trận mẫu do hiệu ứng tự hấp thụ và sự mất mát năng
lượng trong quá trình phát ra từ mẫu. Hơn nữa, ống đếm chứa khí cũng không thể
áp dụng cho hệ phổ kế do có độ phân giải năng lượng khá tồi. Mặc dù có những
điểu yếu này nhưng nó lại rất hữu ích khi cần phải tiến hành các phép phân tích định
tính nhanh và dễ dàng để đạt được mức phông thấp. Vì vậy, nó thường được ứng
dụng để đo khảo sát nhanh mức phóng xạ môi trường. Ngoài ra, khi sử dụng ống
đếm tỷ lệ dòng chảy, sự chồng chập hay can nhiễu giữa tín hiệu alpha và beta khá
thấp cho phép ứng dụng trong đo đạc có phân biệt ngưỡng nếu cần thiết.

1.2.3. Detector nhấ p nháy lỏng
Tương tác với bức xa ̣ vâ ̣t chấ t ngoài gây ion hóa nguyên tử và phân tử còn
dẫn tới sự kích thích chúng.Kế t quả sự kích thích làm phát sáng. Detector nhấ p nháy
hoạt động trên cơ sở biến đổi các photon phát ra từ chất nhấp nháy do sự k ích thích
của bức xạ thành tín hiệu điện . Có hai loại chất nhấp nháy được sử dụng để ghi đo
bức xa ̣ là chấ t nhấ p nháy rắ n và lỏng.

10


Hình 1.6. Hai loa ̣i Detector nhấ p nháy sử du ̣ng trong ghi đo bức [9].[[xạ[9].
Chấ t nhấ p nháy rắ n chuyể n hóa năng lươ ̣ng ở da ̣ng tinh thể

, ví dụ như

NaI.Chấ t nhấ p nháy rắ n như tinh thể NaI thường đươ ̣c đă ̣t ở đầ u trên của detector

,

nố i với ố ng nhân quang (photomutiplier tube - PMT).Nguồ n bức xa ̣, chính là mẫu
đươ ̣c đă ̣t tách biê ̣t bên ngoài detector . Các tia bức xạ va đập vào chất nhấp nháy và
đươ ̣c chấ t nhấ p nháy chuyể n thành ánh sáng hay photon

, ống nhân quang chuyển

đổ i photon thành xung điê ̣n . Trong trường hơ ̣p này chỉ mô ̣t phầ n rấ t nhỏ của bức xa ̣
đi vào chấ t nhấ p nháy còn phầ n lớn sẽ đi ra ngoài . Do đó , hiê ̣u suấ t đế m E chin
́ h là
tỷ số phần bức xạ va chạm vào detector trong toàn bộ bức xạ

. Hiê ̣u suấ t đế m này

khá thấ p khoảng 10 % hoă ̣c thấ p hơn.
𝐸=

𝑛 (𝑐𝑝𝑚 )
𝐷(𝑑𝑝𝑚 )

=

𝑛 (𝑐𝑝𝑚 )

(1.1)

𝐷 𝐵𝑞 ×60

Mă ̣t khác , trong đế m nhấ p nháy lỏng mẫu cầ n đo đươ ̣c đựng trong chai

20

ml, đươ ̣c trô ̣n lẫn đồ ng đề u với chấ t nhấ p nháy . Như vâ ̣y nguồ n phóng xa ̣ và chấ t
nhấ p nháy đươ ̣c đựng cùng mô ̣t chai . Do đó , mỗi nguồ n phóng xa ̣ ( ion hoă ̣c phân
tử) đươ ̣c bao quanh bởi các phân tử nhấ p nháy , nên hầ u hế t bức xa ̣ đươ ̣c chuyể n
thành photon . Các photon này sẽ đi ra ngoài chai đựng mẫu và đi vào ống nhân
quang có vành phản xa ̣ rấ t tố t . Vì vậy, hiê ̣u suấ t đế m trong trư ờng hợp này cao hơn
so với detector nhấ p nháy rắ n , ví dụ như 3H hiê ̣u suấ t có thể đa ̣t xấ p xỉ
với 14C là hơn 90%. Đây là mô ̣t trong những lơ ̣i thế của nhấ p nháy lỏng .

11

50 %, còn


Mô ̣t số tính chấ t của phương pháp đo nh ấp nháy lỏng (LSC) có thể tóm tắt
như sau:
Ưu điể m:
Hiê ̣u suấ t đế m cao , có thể đo được những nhân phát β năng lươ ̣ng thấ p mô ̣t
cách hiệu quả.
Nhược điể m:
Trong phương pháp đo nhấp nháy lỏng xuấ t hiê ̣n mô ̣t hiê ̣n tươ ̣ng go ̣i là
quenching. Đây là hiê ̣n tươ ̣ng mà trong đó cường đô ̣ huỳnh quang hay ánh sáng bi ̣
yế u đi do mô ̣t số nguyên nhân như ta ̣p chấ t trong dung dich
̣ mẫu
giảm hiệu suất đếm , như vâ ̣y cho hiê ̣u quả kém trong

. Quenching làm

phương pháp đo nhấp nhảy

lỏng.
Trong phé p đo tia α, cho ta mô ̣t phổ có da ̣ng

đỉnh, đô ̣ phân giải kém của

phương pháp đo nhấp nháy lỏng trở thành mô ̣t nhươ ̣c điể m . Trong detector nhấ p
nháy rắn , hai đỉnh kề nhau có thể đươ ̣c tách khỏi nhau hoàn toàn nhưng trong
phương pháp đo nhấp nháy lỏng hai đỉnh kề nhau sẽ bi ̣châ ̣p vào thành mô ̣t

đỉnh

rô ̣ng[9].
1.3. Nguyên lý hoạt động của detector nhấp nháy lỏng dùng để đo hoạt độ
anpha/beta.
Trong phân rã beta , neutron (n) chuyể n thành proton đồ ng thời mô ̣t că ̣p β(e-)
và neutrino(v) đươ ̣c ta ̣o thành.
n

p + e- + v

Hình 1.7. Sơ đồ phân rã β[9].

12

(1.2)


Tổ ng năng lươ ̣ng E giải phóng trong phân rã này là mô ̣t hằ ng số và là đă ̣c
trưng cho ha ̣t nhân tương ứng .Tổ ng năng lươ ̣ng này đươ ̣c phân bố cho ha ̣t

β và

neutrino sinh ra.
E = năng lƣơ ̣ng của ha ̣t β + năng lƣơ ̣ng của neutrino v

(1.3)

Tuy nhiên, hạt neutrino sẽ đi ra khỏi dung dịch và không gây hiệu ứng gì lên
chấ t nhấ p nháy , chỉ có hạt β là có giá trị trong phép đo đếm này.
Trong trường hơ ̣p phân rã phóng xa ̣ của

3

H, tổ ng năng lươ ̣ng là 18,6 keV

đươ ̣c phân bố ngẫu nhiên cho ha ̣t β và neutrino v.
Nế u ha ̣t β lấ y 18,6 keV thì năng lươ ̣ng chủa neutrino bằ ng 0.
Nế u năng lươ ̣ng của ha ̣t β bằ ng 0 thì năng lượng của neutrino bằng 18,6 keV.
Nế u ha ̣t β lấ y 10 keV thì năng lượng còn lại 8,6 keV là của neutrino.
Do đó , hạt β có thể lấy bất k ỳ mức năng lươ ̣ng nào tử 0 đến 18,6 keV, như
vâ ̣y năng lươ ̣ng đươ ̣c phân bố liên tu ̣c như trên Hình 1.7.
Tuy nhiên trong phương pháp đo nhấp nháy lỏng phầ n năng lươ ̣ng thấ p hơn
của phổ đã bị cắt và không được đếm(xem phầ n thấ p hơn của Hình 1.8).
1.3.1. Năng lƣơ ̣ng ngƣỡng
Trước hế t , để hạt β sinh ra photon, các phân tử dung môi và chất tan cần phải
đươ ̣c kić h thić h lên trạng thái năng lượng cao .Để đạt trạng thái kích thích này , các
phân tử cầ n có mô ̣t năng lươ ̣ng nhấ t đinh,
̣ năng lươ ̣ng này khoảng 100 eV hay 0,1
keV và đây là ngưỡng năng lươ ̣ng để sinh ra photon . Như vâ ̣y mô ̣t phầ n năng lươ ̣ng
β nhỏ hơn giá trị này không được đếm trong phương pháp đo nhấp nháy lỏng.

Phổ năng lượng của 3H(theo lý thuyế t)Phổ năng lượng của 3H(trong LSC)
Hình 1.8. Phổ năng lươ ̣ng của tia β[9].

13


1.3.2. Sự phân biệt anpha/beta
Các thiết bị đo alpha/beta hiện đại ngày nay thường đòi hỏi sự đo đếm đồng
thời bức xạ alpha và beta dựa trên sự khác nhau về hình dạng hoặc biên độ xung tín
hiệu của hai loại hạt bức xạ này. Trong các thiết bị cổ điển, sự phân tách xung

alpha/beta sử dụng đường cong tràn tín hiệu (spill-over) và sự phân tích hình dạng
xung như được minh họa trên Hình 1.9.

Hình 1.9. Sự phân tách xung anpha/beta [7].
Tuy nhiên, trên các thiết bị hiện đại sử dụng chất nhấp láy lỏng như thiết bị
đo nhấp nháy lỏng của Trialer và Hidex, việc phân tách xung alpha/beta sử dụng sự
phân biệt về chỉ số chiều dài xung (PLI, pulse length index) và năng lượng của hạt.
Sự phân tách xung alpha/beta được thực hiện trên đồ thị 2D như được mô tả trên
Hình 1.10. Trong đó, trục tung là chỉ số PLI và trục hoành là kênh năng lượng của
xung ghi nhận được, còn mật độ điểm ảnh trên đồ thị tương ứng với cường độ chùm
hạt ghi nhận được.

Hình 1.10. Sự phân tách xung alpha/beta được thực hiện trên đồ thị 2D [7].

14


1.3.3. Hiêṇ tƣơ ̣ng quenching
Khi tiế n hành các thí nghiê ̣m với LSC , chúng ta cần phải hiể u thâ ̣t rõ hiê ̣n
tươ ̣ng “ Quenching”. Đây là hiê ̣n tươ ̣ng cường đô ̣ huỳnh quang hay ánh sáng bi ̣yế u
đi do những nguyên nhân khác nhau.
Tình trạng tương tự cũng xảy ra với ánh sáng phát ra từ chất lỏng . Khi chấ t
lỏng trong suốt hu ỳnh quang hay photon sinh ra trong chất lỏng đi ra khỏi chai
không bi ̣suy giảm cường đô ̣ hay tương ứng là giảm số photon . Ngươ ̣c la ̣i, khi chấ t
lỏng bị đục hay có chứa tạp chất

, số photon bi ̣giảm đi do hấ p thu ̣ .Đây cũng là

quenching. Hiê ̣n tươ ̣ng tương tự cũng xảy ra đố i với photon hay huỳnh quang phát
ra từ tia β.

Hình 1.11 cho thấ y sự thay đổ i của phổ

14

C do quenching . Hê ̣ to ̣a đô ̣ chỉ ra

sự phân bố năng lươ ̣ng β hay chiề u cao xung và tố c đô ̣ đế m . Khi quenching yế u phổ
trải rộng ra khoảng 200 keV bởi vì năng lươ ̣ng cực đa ̣i là 156 keV. Khi quenchinh
tăng lên, phân bố năng lươ ̣ng dich
̣ về vùng chiều cao xung thấp và tốc độ đếm trong
vùng đếm được bị giảm xuống.

Hình 1.11. Sự dich
̣ chuyể n phổ

14

C do quenching[9].

15


Trong phương pháp đo nhấp nháy lỏng, quenching xảy ra ở nhiề u giai đoa ̣n
khác nhau do nhiều yếu tố khác nhau . Hình 1.12 mô tả như sau , năng lươ ̣ng bức xa ̣
kích thích phân tử dung môi và truyền cho phân tử chất nhấp nháy hay phân tử chấ t
tan. Các phân tử chất nhấp nháy bị kích thích phát ra photon và PMT chuyển chúng
thành xung điện. Quá trình xảy ra trong phương pháp đo nhấp nháy lỏng đươ ̣c chia
thành hai vùngtrước và sau khi chất tan hay chất nhấp nháy phát r

a huỳnh quang

hay ánh sáng.

Hình 1.12. Các loại quenching trong LSC[9].
Do có quá triǹ h phát sáng mà trong khi truyề n năng lươ ̣ng kić h thić h cho
chấ t tan(chấ t nhấ p nháy ), quenching hóa ho ̣c và quenching oxy gene có thể xảy ra .
Quenching hóa ho ̣c thường là do ta ̣p chấ t tồ n ta ̣i trong dung dich
̣ mẫu . Năng lươ ̣ng
kích thích phân tử dung môi bị hấp thụ bởi tạp chất và bị mất đi , vì vậy mà cường
đô ̣ huỳnh quang yế u hơn . Quenching oxygene cũng do quenching hóa học gây ra do
lươ ̣ng oxy hòa tan trong chấ t nhấ p nháy lỏng .
Mă ̣t khác, sau khi phát ra ánh sáng , quenching màu và quenching do nồ n g đô ̣
lại đóng vai trò khá quan trọng .Quengching màu xảy ra khi dung dich
̣ mẫu có chứa
chấ t có phổ hấ p thu ̣ trùng với phổ phát xa ̣ của chấ t tan

. Vì vậy , huỳnh quang của

chấ t tan bi ̣hấ p thu ̣ mô ̣t phầ n bởi chấ t này và bi ̣yế u đi. Hình 1.13 mô tả mố i tương
quan này . Trong phầ n phổ châ ̣p xảy ra sự hấ p thu ̣ photon

hay huỳnh quang .

Quenching do nồ ng đô ̣ cũng là mô ̣t hiê ̣n tươ ̣ng tương tự , nhưng có nguyên nhân là

16


chính chất tan . Phổ hấ p thu ̣ vàphát xa ̣ của mô ̣ t chấ t tan , chấ t nhấ p nháy , không che
phủ nhau ở vùng nồng độ thấp ; tuy nhiên , với những dung dich

̣ nồ ng đô ̣ che phủ
nhau làm giảm huỳnh quang mô tả trong

Hình 1.14. Mô ̣t nồ ng đô ̣ chấ t nhấ p nháy

thích hợp đóng vai trò quan trọng trong viê ̣c tiế n hành mô ̣t phép đo hiê ̣u quả , ví dụ

Cường độ ánh sáng

như 5g – PPO(chấ t nhấ p nháy )/1000 ml-xylene(dung môi).

Bước sóng (mm)

Cƣờng đô ̣ bƣ́c xa ̣

Hê ̣ số tắ t phân tử

Hình 1.13. Quenching màu xảy ra do mô ̣t chấ t không màu [9].

Bước sóng (mm)

Hình 1.14. Phổ hấ p thu ̣ và phổ bức xa ̣ của PPO[9].
Trong các trường hơ ̣p trên , quenching hóa ho ̣c (quenching do ta ̣p chấ t ) và
quenching màu là thường xảy ra nhấ t trong thực tế .

17