Đề tài Hóa phóng xạ và phép đo sự phóng xạ

hể được thực hiện bằng cách điều khiển vài tham số; ví dụ : hệ thống hóa học, áp suất, nhiệt độ, tỉ lệ chưng cất và hệ thống ngưng tụ. Hơi nhân phóng xạ được mang ra ngoài qua 2 phương pháp chính:bộ truyền động mang hơi chưng cất và chưng cất chân không 1 bản đơn giản. Trong công nghệ hóa phóng xạ tất cả các hệ thống thủy tinh thường được dùng để tối thiểu hóa lượng hấp thụ của những thiết bị vận chuyển hạt nhân phóng xạ tự do. Trong việc tách dòng khí như Heli hoặc Nitơ có thể được dùng để dễ dàng tách bởi hóa hơi phân đoạn. Bộ truyền của bình thắt cổ thu hơi có thể được dùng trong hệ thống như bẫy hóa học cho những hỗn hợp nhân phóng xạ cụ thể. Nguyên tố mong muốn cũng được ngưng tụ lại dưới dạng lỏng, chuyển hóa thành dạng không đổi hoặc khí được hấp thụ vào một chất bám hút rắn. Những nguyên tố được tách bằng phương pháp này trong dung dịch được liệt kê trong bảng 6.4. Chúng có thể được tách vào trong những nhóm các nguyên tố ở thể khí ở nhiệt độ phòng, những nguyên tố dễ bay hơi ở nhiệt độ cao hơn, những nguyên tố trong hợp chất bay hơi. Bảng 6.4 liệt kê một số mối quan hệ của những phương pháp tách hóa phóng xạ cho những nguyên tố này. Bảng 6.4 Những nguyên tố trong quá trình tách bằng chưng cấta Z Nguyên tố Dạng dễ bay hơi Z Nguyên tố Dạng dễ bay hơi 1 Hydrogen HT, CH3, … 38 Strontium Sn trong dây tóc W 2 Helium He 43 Technicium Tc2O7 6 Carbon CO2,C2H2, CH4,… 44 Ruthenium RuO4 7 Nitrogen NH3 45 Rhodium Rh trong dây tóc W 8 Oxygen O2, CO2 47 Bạc Ag trong dây tóc Te 10 Neon Ne 48 Cadmium Cd từ hỗn hợp Hg 14 Silic SiF4 49 Indium In 15 Photpho P trong dây tóc W 50 Thiếc Hợp chất gồm halogen và nguyên tố khác 16 Lưu huỳnh SO2, H2S 51 Antimon Hợp chất gồm halogen và nguyên tố khác 17 Clo Cl2 52 Telua TeBr4 18 Argon Ar 53 Iot I2 22 Titan TiCl4 54 Kẽm Zn 23 Vanadium VCl4 75 Reni Re2O7 24 Crom CrO2Cl2 76 Osmium OsO4 25 Mangan HMnO4 79 Vàng Au 32 German Hợp chất gồm 80 Thủy ngân Hg, HgCl halogen và nguyên tố khác 33 Asen Hợp chất gồm 84 Polonium Po2S3, chất hữu cơ halogen và nguyên tố khác 34 Selen SeBr4 86 Radon Rn 35 Brom Br2 87 Franxi Fr 36 Krypton Kr 92 Uranium UF6 a Trích từ J. R. DeVoe, Application of Distillation Techniques to Radiochemical Separations, National Academy of Sciences – National Research Council Report NAS-NS-3108, 8/1962. Chưng cất chân không đơn bản hầu như là một hệ thống kín gồm lò chưng cất và ống thu hơi. Một hệ thống chưng cất chân không của kim loại được trình bày trong hình 6.3. Ống thu hơi được đặt gần lò nung để giảm sự phân tán hơi và do đó tăng hiệu suất chưng cất. Ống thu thường được làm ốm, 1 tấm phim nhựa nhỏ được gắn trong thiết bị làm lạnh cuối. Sau khi chưng cất phim đóng vai trò như nguồn đo bức xạ. Kĩ thuật này đặc biệt ứng dụng để tách nhân bức xạ mong muốn ở dạng tự do từ mẫu bức xạ rắn mà không cần hủy mẫu. Hơn nữa, phim đã ghi nhận có thể chuyển nhanh đến một hệ thống dò tìm bức xạ. Phương pháp này đã được chứng minh có ích cho việc đo hoạt độ sản phẩm với chu kì bán rã ngắn khoảng 1 giây. Hình 6.3 Thiết bị chưng cất chân không một lò thu tại chỗ (trái) và sơ đồ vị trí của lò (phải) Loại bỏ tạp chất của 1 kim loại phóng xạ sản xuất từ bia kim loại có thể được ước lượng cho chưng cất loại hỗn hợp đơn bản đơn giản từ sự bay hơi của nó. Sản phẩm 1 hóa hơi càng loại bỏ nhiều yếu tố tạp chất D từ hoạt độ lớp vỏ bọc bay hơi càng thấp của kim loại 2 được cho bởi: (28) Với A2 là hoạt độ của lớp vỏ bọc nguyên tố hiện tại của nguyên tố sản phẩm. Lúc đầu là sau khi tách là . Hiệu suất Y của sản phẩm được cho bởi : (29) Hệ số bay hơi α được dùng để đánh giá mức độ tách được định nghĩa : (30) Với là áp suất riêng phần của 2 thành phần. X1, X2 là tỉ lệ mol tương ứng trong nồi chưng cất. Giả sử đinh luật Dalton của áp suất riêng phần được cho bởi: (31) Với Z là tỉ lệ mol tương ướng trong bay hơi. Do đó (32) Với M là số mol tương ướng trong lọ chưng cất M’số là mol tương ứng trong giai đoạn bay hơi Vì hoạt độ tương ứng S của mỗi thành phần giữ nguyên không đổi trong suốt quá trình chưng cất: (33) Nếu giả sử xa hơn rằng định luật Raoult nghiệm đúng những điều kiện này: (34) Do đó: (35) Vói P là áp suất hóa hơi tương ứng của mỗi nguyên tố trong hợp chất. Phương trình (35) chỉ ra rằng α là hằng số. Tại thời điểm bắt đầu chưng cất, khi hiệu suất không đág kể : A2~Ao2 và A1 ~ Ao1 (36) Tuy nhiên, khi tiến hành điện phân, DeVoe chỉ ra rằng sản phẩm DY giảm thông qua biểu thức: (37) Phương trình (37) chỉ ra xa hơn rằng α’ là độc lập với sự giao thoa nồng độ hạt nhân bức xạ và hiệu suất tốt nhất phụ thuộc vào mức độ tách đòi hỏi. Điện phân Phương pháp tách bằng điện phân liên quan đến sự kết tủa của kim loại trong dung dịch lên điện cực bằng dòng điện. Thường là tách kim loại cuối cùng, được mạ vào đĩa như nguồn đếm để xác định hiệu suất, hoặc tách điện phân tiếp theo vài quá trình cân bằng hóa học để tách cuối cùng. Phân tích điện phân dựa vào những nguyên tắc cơ bản sau: Định luật cân bằng hóa học của điện phân Mối quan hệ nhiệt động lực học của các điện thế điện cực Xác định động năng bằng sự di chuyển và khuếch tán ion trong chất lỏng. Sự điện phân Hiện tượng điện phân là sự di chuyển của các ion trong một dung dịch điện phân nhờ vào một hiệu điện thế cung cấp. Nếu hiệu điện thế giữa điện cực và dung dịch đủ để cung cấp một dòng điện (những ion mang điện tích dương tới cathode, ion mang điện tích âm tới anode), quá trình này được điều khiển bởi định luật điện phân: (38) Với: m = khối lượng chất điện phân (g), I = cường độ dòng điện (A), E = trọng lượng tương đương (g/g-nguyên tử), t = thời gian điện phân (s), F = hằng số Faraday (96500 C). Điện thế điện cực Nếu một điện cực kim loại được nhúng vào dung dịch của chính ion của nó thì xảy ra cân bằng ngược, một điện thế ổn định của dung dịch được cho bởi phương trình Nerst : (39) Với: E = hiệu điện thế trong dung dịch (V), E0= điện thế điện cực chuẩn (V), R = hằng số khí trong 1 mol, T = nhiệt độ tuyệt đối (0K), z = hóa trị của ion kim loại, F = hằng số Faraday, {A} = hoạt độ của ion kim loại. Thế điện cực chuẩn được định nghĩa là hiệu điện thế trên volf của kim loại (trong cân bằng với dung dịch của ion chính nó trên một đơn vị hoạt độ) với sự liên hệ với một điện cực Hydro trong cân bằng thuận nghịch với dung dịch của ion Hydro ở một đơn vị hoạt độ. Bảng 6.5 dưới đây là một số thế điện cực chuẩn được dùng trong sản xuất điện phân. Vì hoạt độ của các ion kim loại xấp xỉ tỉ lệ với nồng độ của chúng, dẫn đến sự thay đổi điện thế tỉ lệ với sự thay đổi nồng độ ở nhiệt độ không đổi: (40) Với: k là hằng số đối xứng. Bảng 6.5 Thế điện cực chuẩn ở 25oa Ion Eo(V) Ion Eo(V) Ion Eo(V) Au+ +1.70 Cd2+ - 0.40 Lu3+ -2.25 Au3+ +1.50 Fe2+ -0.44 Am3+ -2.32 Pt2+ +1.20 Ga3+ -0.53 I3+ -2.37 Pd2+ +0.99 Cr3+ -0.71 Mg2+ -2.37 Hg2+ +0.86 Zn2+ -0.76 La3+ -2.52 Ag+ +0.80 Nb3+ -1.10 Gd3+ -2.40 Hg22+ +0.79 V2+ -1.18 Sm3+ -2.41 Cu+ +0.52 Mn2+ -1.18 Nd3+ -2.44 Cu2+ +0.34 Zr4+ -1.53 Ce3+ -2.48 Bi3+ +0.20 Ti2+ -1.63 Na+ -2.71 Sb3+ +0.10 Al3+ -1.66 Ca2+ -2.87 Sn4+ +0.05 Hf4+ -1.70 Sr2+ -2.89 2H+ ±0.00 U3+ -1.80 Ba2+ -2.90 Pb2+ -0.13 Be3+ -1.85 Ra2+ -2.92 Sn2+ -0.14 Np3+ -1.86 Cs+ -2.93 Mo3+ -0.20 Th4+ -1.90 Rb+ -2.93 Ni2+ -0.25 Pu3+ -2.07 K+ -2.93 Co2+ -0.28 Sc3+ -2.08 Li+ -3.05 a Từ C.L. Wilson, D. W. Wilson, và C. R. Strouts, Comprehensive Analytical Chemistry, quyển IIA (Elsevier, Amsterdam, 1964), trang 9. Độ dẫn điện và khuếch tán trong chất lỏng Dòng điện – khả năng dẫn điện của dung dịch điện phân được cho bởi định luật Ohm: (41) Với = cường độ dòng điện (A) = điện thế (V) = điện trở của dung dịch (Ω) C= dung kháng (Ω-1= mho) Độ dẫn điện K trong 1 đơn vị độ dài chất điện phân ở nhiệt độ không đổi liên hệ với chuyển động của ion theo công thức: (42) Với V là khối lượng chứa trong 1g tương đương của hỗn hợp dung dịch điện phân. Khi V tăng lên, A xấp xỉ đến giá trị giới hạn tương ứng với điều kiện là tất cả các ion đều dẫn điện. Với một dung dịch tinh khiết của cặp chất điện phân (43) Với và là ion chuyển đổi của ion dương và ion âm tương ứng. Vì ion chuyển đổi tăng theo nhiệt độ, dòng điện càng lớn thì nhiệt độ càng lớn. Tốc độ điện phân cũng phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán khi dung dịch tiếp xúc với điện cực bị giảm nồng độ. Tại vị trí gần điện cực tốc độ khuếch tán được mô tả bằng định luật Fick: (44) Với: dN/dt = tốc độ khuếch tán của ion tới diện tích A của điện cực, da/dx = chênh lệch nồng độ a theo khoảng cách x, D = hệ số khuếch tán. Trên thực tế, sự khuấy động mạnh mẽ trong suốt quá trình điện phân làm giảm bề dày lớp khuếch tán, do đó tăng tốc độ khuếch tán. Tốc độ kết tủa cũng có thể được tăng bằng cách thêm vào dung dịch điện phân chất điện phân không kết tủa. Vì kết tủa không đổi là nguồn bức xạ và vì do cân bằng hóa học của hiệu suất kết tủa phải phù hợp với dạng vi pha lê, giải phóng từ các vật chất hấp thu và kết dính đủ chặt để chịu được quá trình đãi, sấy khô và cân. Tách điện phân sự phân ly của 2 ion dương là kết quả của quá trình điện phân từ việc điều khiển điện thế cung cấp vượt quá điện thế kết tủa của 1 trong những ion dương. Nếu là điện thế vượt mức của quá trình này (điện thế để giảm giá trị cân bằng của giá trị kết tủa), điện thế kết tủa được cho bởi công thức (45) (46) cho những ion có hóa trị 1 ở 210C. Điện thế kết tủa là đặc trưng của kim loại bị kết tủa và bị phụ thuộc vào nồng độ kim loại trong dung dịch. Điện thế kết tủa cũng là một hàm của cường độ dòng điện trong dung dịch.; ví dụ như hình 6.4 biểu diễn ảnh hưởng của dòng điện vào điện thế kết tủa của 2 kim loại được tách bằng điện phân kim loại 1. Phạm vi của dòng điện được biểu diễn trong hình chỉ có kim loại 1 sẽ kết tủa nếu cung cấp điện thế bằng với giá trị ở đường gạch đứt, vì không được vượt qua điện thế kết tủa của kim loại 2(âm cực). Tuy nhiên, khi tiến hành sự kết tủa của kim loại 1, mỗi lần giảm đi 10 lần nồng độ của kim loại 1 điện thế của nó giảm đi 0.059V ( công thức (46)). Hình 6.4b biểu diễn với cùng dòng diện đã cho ở vài nồng độ của kim loại 1, điện thế của kim loại 2 sẽ bị vượt qua (âm cực) và cả 2 kim loại đều sẽ bị kết tủa. Loại bỏ tạp chất làm giảm nồng độ của kim loại mong muốn điện phân quyết định dòng điện I giới hạn được dùng trong phân tách điện phân. (a) DÒNG ĐIỆN ED2 ĐIỆN THẾ DÒNG ĐIỆN ED1 ED2 ĐIỆN THẾ ED1 c (b) Hình 6.4 (a) Quan hệ Hiệu điện thế-cường độ dòng điện trong quá trình điện phân; (b) Ảnh hưởng của việc bay hơi vào đường cong điện phân. Nhiều kim loại được phân tách bằng phương điện phân. Bảng 6.6 là danh sách một số trong chúng, được nhóm lại thông qua chuỗi điện thế được cho bởi bảng 6.5. Những kim loại thông thường trong một nhóm khó tách khỏi những kim loại khác cùng nhóm bằng cách điều khiển điện thế cung cấp. Muốn vậyn phải sử dụng phương pháp phức tạp để thay đổi điện thế kết tủa. Bảng 6.6 Nhóm kim loại trong những lớp điện cựca A. Nhóm kim loại quý Vàng, Plantin, thủy ngân, bạc B. Nhóm đồng Đồng, bismut, antimon, asen C. Nhóm chì Chì, thiếc D. Nhóm kẽm Niken, Coban, Catmi, kẽm E. Nhóm Catode thủy ngân(hỗn hợp) Các kim loại kiềm, đất hiếm, Bi, Cd, Cr, Co, Cu, Ga, Ge, Au, In, Ir, Fe, Ag, Mo, Ni, Pd, Pt, Po, Re, Ru, Ag, Te, Th, Sn, Zn F. Nhóm anode (dạng oxit) Chì, Coban, Thali, Pluto a Từ A. J. Lindsey, Electrodeposition, chương II, trong C. L. Wilson và D. W. Wilson, Eds., Comprehensive Analytical Chemistry, quyển II (Elsevier, Amsterdam, 1964). PHẦN HAI ˜ & ™ Nhóm Clover : Nguyễn Thị Hà Phùng Thị Vân Ninh Thị Hường Nguyễn Thị Phương Nhung Phân tích hạt nhân phóng xạ Phần cuối cùng của một phân tích hóa học phóng xạ là xác định hoạt độ phóng xạ của một hạt cô lập. Sự xác định này bao gồm 3 lý do: - Mong muốn phân tích định tính các hạt nhân phóng xạ. - Xác định phông và sự có mặt của các hạt nhân phóng xạ. - Phân tích định lượng những bức xạ đó. Các nhân tố khác liên quan tới việc phân tích định lượng của một nguyên tố mà chúng ta quan tâm là việc chuẩn bị mẫu phân, tính chất hóa học và dạng mẫu. Nói chung tính chất hóa học và hình dạng mẫu chuẩn bị được quyết định chủ yếu bởi các detector sẽ được sử dụng và năng lượng của tia phóng xạ được đo. Các mẫu thường được chuẩn bị sẵn sàng cung cấp để đạt được hiệu quả tố đa, phù hợp với yêu cầu xác định bức xạ. Ở các cấp độ hoạt động rất thấp, phông thấp thì phương pháp phát hiện phóng xạ được mô tả ở chương 5, yêu cầu độ nhạy cần thiết. Phân tích định tính Trong phân tích kích hoạt phóng xạ, với độ nhạy lớn nhất thì có thể phát hiện sự có mặt của một nguyên tố cụ thể. Mục tiêu đặc trưng cho một phân tích kích hoạt là xác định thành phần của nguyên tố X trong mẫu Y, ví dụ, xác định thành phần của Asen trong tóc người chết. Để đạt được mục tiêu trên thì phải phân tích kích hoạt phóng xạ bằng cách chọn một phản ứng hạt nhân với các nguyên tố tham gia phản ứng thích hợp (Trong ví dụ trên, ta dùng neutron nhanh hay neutron chậm phản ứng với Asen, dự kiến cho sản phẩm là 74As hay 76As). Phân tích hóa học phóng xạ sẽ hoàn thành bằng cách xác định xem liệu các sản phẩm hóa học riêng biệt của Asen có thuộc tính nào của hai sản phẩm dự kiến là 74As hay 76As không? Các thuộc tính của hạt nhân phóng xạ xác định danh tính của nó trong phân tích hóa học phóng xạ bao gồm: 1. Phương pháp sản xuất của nó. 2. Tính chất hóa học của một đồng vị của trong mẫu mà ta quan tâm. 3. Chu kì bán rã của nguyên tố ấy. 4. Các loại bức xạ nguyên tố đó có thể phát ra. 5. Năng lượng của các tia phóng xạ. 6. Phân chia tia phóng xạ theo loại và theo năng lượng. Tiêu chuẩn đầu tiên đặc biệt hữu ích cho việc lựa chọn một phản ứng hạt nhân để có thể tăng độ nhạy của sản lượng, sinh ra một hạt nhân phóng xạ dễ dàng hơn, hoặc làm giảm sự can thiệp của các yếu tố khác. Ví dụ cho sự lựa chọn phản ứng hạt nhân có thể là (n,g) hay (g,n), cho sản phẩm tương ứng là 76As chu kì bán rã 26.5 giờ (bị phân rã bởi sự phát xạ của các hạt β- và tia g) và 74As chu kì bán rã 18 ngày (bị phân rã bởi sự phát xạ của các hạt β+ , β- và bức xạ g). Tính chất hóa học của các đồng vị rất hữu ích khi khó xác định bức xạ của hạt nhân phóng xạ. Bằng cách lặp đi lặp lại việc tách hóa học, kết quả sẽ thu được nguyên tử của hạt nhân phóng xạ. Một yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với phân tích kích hoạt phóng xạ là đây là một mẫu nhỏ, có gì trong đó?Việc xác định tất cả các yếu tố trong một mẫu không rõ là một nhiệm vụ khó khăn. Trong trường hợp này phải tuân theo bảng tuần hoàn các nguyên tốt hóa học, xét từng nguyên tố hóa học riêng rẽ theo hàng, theo nhóm. May mắn thay, trong hầu hết các ứng dụng của phân tích kích hoạt phóng xạ, các yếu tố của nguyên tố cần đo đã được định sẵn, do đó ta không cần đi xác định. Hiện nay thì việc xác định hạt nhân phóng xạ trong phân tích kích hoạt khó khăn hơn vì tính chất hóa học của các hạt nhân phóng xạ không được xác định. Muốn xác định các hạt nhân phóng xạ ta phát hiện các tia phóng xạ,thì phải kiểm tra chu kì bán rã và năng lượng của các bức xạ ấy. Một phương pháp cụ thể là phân tích phổ tia gamma. Xác định tính chất của các hạt nhân phát tia gamma được thực hiện bằng cách đo phổ đặc trưng và năng lượng của tia gamma (phương pháp này được áp dụng cho cả trường hợp mẫu không tách biệt về mặt hóa học) so sánh chu kì bán rã, loại và năng lượng của bức xạ với các giá trị trong bảng cho sẵn. Chu kì bán rã rất hữu ích đối với các nguyên tố phóng xạ sống ngắn hơn, vì ta có thể xác định lượng phóng xạ giảm đáng kể sau một khoảng thời gian thuận tiện. Chu kì bán rã của một hỗn hợp hạt nhân phóng xạ được giải quyết bằng đường cong tổng β- phân rã, chỉ khi số lượng các nuclit là nhỏ (thường <4) và chu kì bán rã của chúng khác nhau (ít nhất là có 2 nguyên tố khác nhau trong một mẫu). Chu kì bán rã của một hỗn hợp các hạt nhân phát tia gamma có thể xác định dễ dàng hơn bằng cách đo năng lượng quang phổ tia gamma tách ra bằng máy phân tích đa kênh. Bảng các nuclit phóng xạ phát tia gamma và beta theo chu kì bán rã có trong nhiều dữ liệu trong nhiều nguồn hạt nhân . Các loại bức xạ phát ra là quan trọng, vì nó xác định loại detector yêu cầu. Ví dụ, các hạt nhân phóng xạ như 35S hay 45Ca thì yêu cầu phát hiện bức xạ β, vì chúng không phát ra bức xạ gamma. Các hạt nhân phóng xạ như 51Cr hay 54Mn thì yêu cầu phát hiện tia X, vì chúng phân rã chỉ do bắt điện tử. Khi lấy mẫu phải được xử lý hóa học để chuẩn bị hạt nhân phóng xạ như một nguồn mỏng. Hiện tượng phổ liên tục của bức xạ β làm độ phân giải năng lượng gặp khó khăn. Năng lượng tối đa của tia β thường được ước tính cho các hạt nhân phóng xạ đơn lẻ hoặc hỗn hợp chỉ có 2 hoặc 3 hạt nhân phóng xạ, cung cấp cho một đường cong hấp thụ với các sườn núi phân chia. Phép trắc phổ nhấp nháy tia gamma là phương pháp phân tích chính của hạt nhân phóng xạ. Tính hữu dụng của nó trong việc xác định sự hiện diện của hai nuclit phóng xạ với năng lượng tia gamma tương tự nhau được giới hạn bởi độ phân giải của detector nhấp nháy. Khi hiệu quả của các thiết bị dò bán dẫn tăng lên, độ phân giải của chúng sẽ hữu ích như quang phổ kế tia gamma. Hiệu chuẩn định lượng Độ phóng xạ là số hạt nhân phóng xạ phân rã trong một đơn vị thời gian. Theo quy luật phân rã phóng xạ thì độ phóng xạ tỉ lệ thuận với số nguyên tử phóng xạ hiện có: (46) Hằng số tỷ lệ l là một giá trị thực nghiệm. Do đó, số lượng các nguyên tố phóng xạ có trong nguồn được xác định tỷ lệ phân rã và chu kì bán rã. Tốc độ phân rã được xác định bởi tốc độ phát hiện bức xạ và hiệu suất phát hiện e. Hầu hết các sản phẩm phóng xạ sinh ra từ phản ứng năng lượng thấp thì chu kì bán rã được xác định bằng một số phương pháp đánh giá D và N, phương pháp này có độ tin cậy lớn. Giá trị của chu kì bán rã trong các tài liệu được sửa đổi theo thời gian, để chúng ta có thể sử dụng nguồn dữ liệu mới nhất của hạt nhân. Việc xác định định lượng hạt nhân phóng xạ trở thành việc xác định tốc độ phân rã D của hạt nhân từ tốc độ ghi nhận việc đếm A bởi detector với hiệu suất ghi e: A = e . D (47) Xác định tốc độ phân rã của hạt nhân phóng xạ được thực hiện theo 2 cách: trên cơ sở tuyệt đối và trên cơ sở tương đối. Cơ sở tương đối đòi hỏi một nguồn phóng xạ chuẩn, tức là ta đã biết chính xác tốc độ phân rã. Nếu mẫu không rõ (u) được thực hiện với các điều kiện giống hệt với nguồn chuẩn (s) thì tỷ số các tốc độ phân rã bằng với tỷ số các tốc độ đếm vì hiệu suất cho hai nguồn giống nhau. (49) (48) Hoặc Có rất nhiều cách để có được nguồn phóng xạ chuẩn, đơn giản nhất là mua chúng, vì những nguồn chuẩn thì có mặt trên thị trường. Tuy nhiên, những tiêu chuẩn chính không thu được từ một số hạt nhân phóng xạ vì chu kì bán rã ngắn, hay đường cong hấp thụ vô cùng phức tạp. Tiêu chuẩn hóa có thể thực hiện theo nhiều cách, trong đó phương pháp phổ biến là tuyệt đối tính 4p đối với những hạt nhân phóng xạ phát β, và trùng hợp ngẫu nhiên đối với những hạt nhân phóng xạ phát nhiều phóng xạ, ví dụ, tia β và g hai hay nhiều tia g, tia g hay tia X. Máy đếm hình học 4p, trong đó hai nguồn bằng nhau theo tỷ lệ được đặt trên một bộ phim siêu mỏng đạt được hiệu suất lên tới e > 99.5%, do đó tốc độ phân rã bằng tốc độ đếm. Trong máy đếm trùng phùng hai detector được sử dụng, độ nhạy của detector khác nhau với các hạt bức xạ khác nhau, ví dụ, ống đếm tỷ lệ dùng ghi nhận tia β, detector nhấp nháy dùng ghi nhận tia g, detector nhấp nháy mỏng dùng ghi nhận tia X. Một biểu đồ trùng phùng tia β và g được thể hiện trong hình 6.5. Hình 6.5: Biểu đồ sơ lược của hệ thống đếm hiện tượng trùng phùng Bêta-Gamma. Tốc độ đếm của ống đếm tia β là : Aβ = eβ . D (50) Tốc độ đếm của ống đếm tia γ là : Ag = eg . D (51) Sự trùng phùng xảy ra khi có cả tia β và g (trong thời gian trùng phùng). Tốc độ đếm trùng phùng : Ac = eβ . eg . D ( 52 ) Kết hợp (50) và (51) ta được : (53) Một số điều chỉnh là cần thiết như : chỉnh phông detector, sự trùng phùng ngẫu nhiên, phân rã điện tử chuyển đổi, thời gian hao phí. Một số hạt nhân phóng xạ phát tia β thì không phát tia g tức thời. Có thể tăng độ nhạy bằng cách thêm một mạch trễ giữa các máy dò tia β và mạch trùng phùng. Thời gian của mạch trễ có thể điều chỉnh bằng với thời gian chậm trễ do sự phát xạ tia gamma từ đồng phân siêu bền. Phương pháp tuyệt đối dùng xác định tốc độ phân rã của hạt nhân phóng xạ bằng cách tính toán giá trị hiệu suất thực tế e, thông qua việc đánh giá các thông số của nó. e = (I) . (G) . Fw . Fa . Fc . Fb . Fn . Fs (54) I là xác suất phát hiện một hạt β đi vào ống đếm chứa khí, có khả năng ion hóa khí trong ống đếm. (G) là mối quan hệ hình học giữa nguồn và độ nhạy về khối lượng của máy đếm, được đưa ra bởi các phân số của góc rắn 4p srs đi vào máy đếm từ một nguồn phát đồng vị. Fw là yếu tố cho sự hấp thụ tia β trong cửa sổ của các máy đếm và trong không khí giữa nguồn và cửa sổ. Fa là yếu tố cho các hiệu ứng tán xạ. Fc là yếu tố cho hiệu lực của bất kì tài liệu nào, gồm các mẫu với bộ phim mỏng bảo vệ (ví dụ, giấy bóng kính,…), là tiêu chuẩn thực hành trong hầu hết các phòng thí nghiệm để ngăn ngừa ô nhiễm do các máy đếm. Fb là các yếu tố hiệu dụng tán xạ ngược của electron di chuyển ra khỏi ống đếm của các vật liệu hỗ trợ nguồn. Fh là yếu tố cho hiệu quả của các máy đếm hỗ trợ và lá chắn tán xạ electron từ bên ngoài vào các góc hình học rắn trong máy đếm. Fs là yếu tố cho sự tự hấp thụ hay tự tán xạ của nguồn, mà ở mỗi độ cao trong nguồn, một hấp thụ hay tán xạ có nguồn gốc từ các nguồn phía dưới nó. Có một số phương pháp loại trừ một vài tham số đưa ra trong (54), phương pháp thường dùng là chuẩn hóa số đếm của mỗi nuclit phóng xạ bằng cách sử dụng một tập hợp cố định các điều kiện (ví dụ kích thước mẫu, vị trí, bề dày) để đếm tiêu chuẩn đã biết của của nuclit phóng xạ. Một phương pháp khác là một mẫu nhỏ và đếm ở vị trí hình học đã biết. Các thông số ở (54) có thể được ước tính cho các điều kiện cụ thể với độ chính xác cao. Phổ tia Gamma Máy phát hiện sự nhấp nháy thường liên kết với quang phổ tia gamma, trong đó hỗn hợp tia gamma do các hạt nhân phóng xạ phát ra được giải quyết bằng cách phân tích chiều cao xung. Detector nhấp nháy cũng có tác dụng như hệ thống đếm tia gamma, đặc biệt là đo tia gamma phát ra từ các hạt nhân phóng xạ tinh khiết. Đo bức xạ gamma có thể thực hiện bằng 3 cách : Cách 1: Tổng số đếm, trong đó tất cả các xung có độ lớn trên một giá trị ngưỡng nào đó, các xung đó bằng nhau khi chúng đến từ các ống quang tử. Cách 2: Máy đếm đơn kênh, chỉ đếm những đỉnh cao xung rơi giữa 2 giá trị quy định được đếm (ví dụ giá trị trên và dưới của một đỉnh quang phổ). Cách 3: Máy đếm đa kênh, trong đó các xung được sắp xếp theo chiều cao vào các kênh điện tử (thông thường từ 100 đến 1000 kênh), mỗi số đếm chỉ những xung trong dải thu hẹp chiều cao xung. Chiều cao quang phổ của đơn kênh và đa kênh được sử dụng như một phương tiện để phân tích định lượng và định tính năng lượng của tia gamma, và còn được sử dụng như một kỹ thuật phân tích bổ sung cho phân tích hóa học phóng xạ. Nhiều phân tích kích hoạt liên quan tới hỗn hợp của nhiều nguyên tố phóng xạ có thể được thực hiện bằng quang phổ kế tia gamma mà không tách rời hóa học. Quang phổ tia gamma được sử dụng để giải quyết các tia gamma phát ra đồng vị phóng xạ của nguyên tố bị cô lập Tổng số đếm Hiệu điện thế đặt vào các dynot của ống nhân quang điện ảnh hưởng đến sự nhân electron và do đó xung cao và tốc độ đếm của detector nhấp nháy như trong ống đếm chứa khí. Sự gia tăng tốc độ đếm với tăng hiệu điện thế đặt vào trong ống đếm chứa khí xác định vùng plateau, trong detector nhấp nháy được gọi là “phổ tích phân” đó là một đặc tính của những nguồn phóng xạ phát ra tia gamma. Phổ tích phân của 85Sr (Eγ = 0.541mev) được biểu diễn ở hình 6.6. Những xung cao được tạo ra bởi ống quang xung, tỷ lệ thuận với năng lượng tia gamma đi vào tinh thể, và khi hiệu điện thế tăng lên thì xung cũng được tăng lên. Xung lớn được tạo ra bởi toàn bộ năng lượng gamma lắng xuống, giá trị được xác định ban đầu. Các xung nhỏ hơn từ tán xạ Compton sẽ được khuếch đại để trở thành đủ lớn để có thể tính đếm. Tại các xung có hiệu điện thế đủ cao, bao gồm cả tiếng ồn tạo ra bởi các điện tử ngẫu nhiên trong ống quang, được khuếch đại để có thể đếm được. Hình 6.6 cho thấy vùng plateau từ khoảng 700 đến 1100V của tích phân phổ của Sr cho detector nai (Tl) và nhanh chóng tăng khi tiếng ồn ở trên 1200V . Tổng số đếm của từng nguồn phóng xạ phát gamma được quy ước trong phân tích kích hoạt vì như vậy hiệu quả đếm sẽ tốt hơn, đặc biệt là khi được sử dụng với ống đếm nhấp nháy tốt. Ống đếm này được sử dụng để có các dữ liệu được biểu diễn trong hình 6.6 hoạt động với một điện áp của 900V. Tại điện áp này, hiệu suất cho tổng số đếm của một số hạt nhân phóng xạ được thể hiện trong hình 6.7a. Hiệu suất toàn phần cho ống đếm nai(Tl) 3x3 in khoảng 80% trở lên ở năng lượng 0,2 mev và khoảng 40% ở năng lượng lớn hơn 2mev . Hình nền cho bộ đếm như vậy là thứ tự của hàng trăm số đếm trên mỗi phút . Hình 6.6: Tích phân phổ của 85Sr Hình 6.7: hiệu suất đếm của detector nhấp nháy NaI (Tl) 3 x3 in. (a): Tổng số đếm với thiết lập cơ sở ở 0,51 MeV. (b): Việc đếm đỉnh phổ Ống đếm đơn kênh Máy phân tích đơn kênh là ống đếm tia gamma cho tách hóa học hoặc đánh dấu nguồn phóng xạ. Hai đặc điểm của máy phân tích đơn kênh là: 1. Đường cơ sở (baseline): Điện áp tối thiểu đặt vào để detector đếm được. 2. Cửa sổ (window): Việc gia lượng trong điện áp từ điện áp cơ sở, được cài đặt để chiều cao tối đa xung chấp nhận được. Những đặc điểm này được minh họa trong hình 6.8, một phổ đơn kênh của 85Sr Trong ví dụ này, phạm vi của các điện áp cơ sở được thiết lập để phù hợp với phạm vi năng lượng tia gamma từ 0 đến 1 mev. Cửa sổ này được điều chỉnh cỡ 2% điện áp tối đa. Đếm liên tục nguồn 85Sr, tăng dần điện áp cơ sở lên 20 keV. Năng lượng đỉnh phổ của các tia gamma là 0.51 MeV cho 85Sr đã được quan sát trong phạm vi 0,41 - 0,61 MeV. Độ phân giải của hệ thống detector này tại 0,51 MeV là 13,7%. Việc đếm đỉnh phổ của 85Sr theo những điều kiện này có thể có hiệu quả cao bằng cách thiết lập các đường cơ sở tại 4.1 V và điều chỉnh các cửa sổ với chiều rộng 2 V. Việc giảm nền từ tổng số đếm của việc đếm đỉnh phổ cỡ hệ số của 10. Lợi thế của nền thấp hơn là dễ thấy hơn khi độ nhạy cao nhất với yếu tố yêu cầu. Toàn bộ năng lượng đỉnh (đỉnh quang phổ) của một ống đếm nai(Tl) 3x3 in như là chức năng của năng lượng tia gamma được hiển thị trong hình 6.7b. Hình 6.8: Phổ khác nhau của 85Sr trong một detector nhấp nháy NaI (Tl) 3 in được chế tạo với cửa sổ phân tích xung cao đơn năng 0,2 V, Bảng 6.7: Nguồn chuẩn có ích cho sự chia độ của Gamma tăng cường. Nguồn Thời gian bán rã Năng lượng Gamma (MeV) Số Gamma trên một phân rã Năng lượng Bêta (mev) Cách xác định tốc độ phân rã 22Na 24Na 46Sc 60C 95Nb 131I 198Au 203Hg 208Tl 241Am 2,6 năm 15 giờ 85 ngày 5,27 năm 35 ngày 8,14 ngày 2,69 ngày 47 ngày 3,1 500 năm 1,277 0,511 1,38 2,76 0,89 1,12 1,332 1,172 0,745 0,364 0,412 0,279 2,62 0,0596 1,11b 2,00b 1,00 1,00 0,995 1,00 1,00 1,00 1,00 0,80 0,957 0,81 1,00 1,357 0,542 1,39 0,36 0,306 0,160 0,815 0,963 0,208 1,79 a Đếm 4p Trùng phùng β-g Đếm 4p Trùng phùng β-g Đếm 4p Trùng phùng β-g Đếm 4p Trùng phùng β-g 4p, Trùng phùng β-g 4p 4p 4p, Trùng phùng β-g Đếm a Đếm a Đường cong hiệu suất của đỉnh phổ, đó là đường đặc trưng của ống đếm tia gamma nai (Tl) và các điều kiện đếm, có thể được làm từ các hạt nhân phóng xạ tia gamma phát, được liệt kê trong bảng 6.7. Hiệu suất đếm của các nguồn mà không có sẵn có thể được ước tính bằng nội suy. Máy phân tích đa kênh Máy phân tích đa kênh được sử dụng để xác định phổ (năng lượng và cường độ của các tia gamma phát ra từ một hỗn hợp của hạt nhân phóng xạ). Mỗi hạt nhân phóng xạ phát ra tia gamma tạo thành một phổ gamma đặc trưng trong một hệ thống detector nhấp nháy. Việc đo phóng xạ một bao gồm việc xác định các phổ đặc trưng và xác định định lượng cường độ phổ. Các phép đo như vậy của của hỗn hợp các hạt nhân phóng xạ không phải là đơn giản, sự đa dạng trong tương tác của các tia gamma với vật liệu tổng hợp detector dẫn đến phổ tia gamma phức tạp. Phổ đặc trưng. Một số quá trình tương tác dẫn đến các photon giảm sau khi năng lượng tia gamma vào máy dò. Bảng 6.8 liệt kê một số của các quá trình dẫn đến sự giảm photon và nguồn gốc của năng lượng đỉnh không toàn phần quan sát được trong phổ tia gamma. Bảng 6.8: Độ giảm photon và nguồn gốc của đỉnh trong phổ xung cao. Độ giảm năng lượng của photon Nguồn gốc Năng lượng đỉnh Tên đỉnh 0 Hấp thụ toàn phần E Đỉnh phổ 0,51 mev Quá trình tạo cặp và giảm một photon E – 0,51 Đỉnh tạo cặp đầu tiên 1.02 mev Quá trình tạo cặp và giảm hai photon E – 1,02 Đỉnh tạo cặp thứ hai E’ = E/(1+2a) Tán xạ Compton (1800) Ece = E/(1+1/2a) Giới hạn Compton E’ tới E Tán xạ Compton một lần Ece tới 0 Một phân bố Compton 0 tới E Tán xạ Compton nhiều lần E tới 0 Nhiều phân bố Compton Ek = 29 kev Tia X vạch K của Iot E – Ek Đỉnh giảm của Iot E, với E’ giật lùi Tán xạ Compton ngoài (1800) E’ = E/(1+2a) Đỉnh tán xạ ngược Hình 6.9: Phổ Gamma của 24Na thời gian bán rã 15 giờ Hình 6.9 biểu diễn đỉnh phổ gamma của 24Na quan sát được với năng lượng gamma là 2,75 mev và 1,37 MeV. Phần có ích nhất của phổ tia gamma là đỉnh phổ, cái mà đại diện cho sự hấp thu năng lượng tia gamma toàn phần theo các quy trình của hiệu ứng quang điện và nhiều tán xạ Compton. Trọng lượng tương đối của các đỉnh đối với các quá trình khác phụ thuộc vào không chỉ năng lượng tia gamma và vật liệu nhấp nháy mà còn phụ thuộc vào các đặc tính vật lý của môi trường hệ thống phát hiện: hình dạng và kích thước của detector, hình dạng mẫu, mật độ và khoảng cách với các tinh thể. Phổ có thể bị nhiễu loạn bởi các hiệu ứng từ môi trường phát hiện. Hiệu ứng này bao gồm sự mất mát của tia X đặc trưng, tán xạ từ detector và vật liệu che chắn, sự hấp thụ bức xạ beta, sự hủy của quá trình tạo cặp positron, và hiệu ứng trùng phùng của các tương tác Đỉnh giảm năng lượng tia X vạch K của Iot: Hình 5.7 cho thấy các tia gamma với năng lượng khoảng dưới 150 keV tương tác với nai(Tl) chủ yếu là hiệu ứng quang điện. Xác suất tăng tương tác tăng theo Z5, electron thoát ra từ vạch K của nguyên tử Iốt trong nai là nguyên nhân chính của hiệu ứng quang điện. Tia X đặc trưng vạch K của Iốt với năng lượng 29 keV. Nếu tương tác xảy ra gần bề mặt của tinh thể, các tia X có thể thoát ra ngoài mà không có tương tác trong tinh thể. Kết quả, tia gamma bị hấp thụ, nhưng năng lượng còn lại trong detector là (Eγ -29) kev. Do đó, kết quả đỉnh giảm năng lượng tia Gamma trong phổ Gamma của hạt nhân phóng xạ có năng lượng là 29 keV ít hơn so với năng lượng đỉnh phổ. Hiệu ứng này được minh họa trong phổ của 61Co (thờ gian bán ra 99 phút) (Eγ = 0,068 MeV) trong hình 6.10. Hình 6.10: Tia X vạch K của Iot trong phổ xung cao của 61Co (thời gian bán rã 99 phút). Tán xạ ngược: tia gamma phát ra đẳng hướng từ một nguồn phóng xạ, nguồn được tán xạ bởi vật liệu quanh nguồn. Ví dụ: màn chắn detector như là môi trường tán xạ của tia gamma. Một số tia gamma được tán xạ trong detector nhấp nháy. Tán xạ Compton trong tinh thể có liên quan đến số nguyên tử của vật liệu che chắn và hình dạng của đầu dò. Cường độ tia X giảm nếu như màn che chắn lớn hơn hoặc màn che chắn nhỏ (nếu màn có số lượng nguyên tử giảm). Hình 6.11: Hiệu ứng che chắn detector của thành phần tán xạ trong phổ xung cao với tia Gamma thu được có năng lượng 0.835 MeV. Miền liên tục của tia Bêta: Trong thành phần phổ Bêta có các đỉnh của phổ gamma bị che khuất. Trong hình 6.12, đường thứ nhất biểu diễn đỉnh tia gamma của 92Y (chu kỳ bán rã 3.6 giờ) bị che khuất hoàn toàn bởi dải năng lượng của tia Bêta (3,6 MeV). Đường thứ hai biểu diễn kết quả nhận được khi đưa vào vật liệu hấp thụ bằng Be giữa nguồn và detector. Đường thứ ba biểu diễn đỉnh tia gamma thu được có năng lượng 1.4 MeV khi xung quanh detector được bao bọc bởi chì (Pb). Be được sử dụng như vật hấp thụ tia Bêta để việc tạo ra bức xạ hãm là nhỏ nhất. Nắp Po không cho tia Bêta tán xạ vào không khí và vật liệu ở xung quanh detector. Bề dày nhỏ nhất của vật hấp thụ được sử dụng để làm giảm năng lượng tia gamma đến giá trị nhỏ nhất. Hình 6.12: Phổ xung cao của 92Y (thời gian bán rã 3,6 giờ). (1): Phổ Beta thu được không có vật hấp thụ. (2): Kết quả nhận được khi có vật hấp thụ là Be (mật độ 1,18 g/cm2). (3): Kết quả thu được khi có nắp Po (mật độ 0,7 g/cm2) để hấp thụ hạt Beta tán xạ. Bức xạ hủy: ở phần 4.3.3 đã mô tả quá trình hủy positron theo quá trình ghép cặp. Tại năng lượng 0,511 mev sự hủy tia gamma xuất hiện trong phổ của những hạt nhân phóng xạ mà phát ra positron hoặc tia gamma phát ra với năng lượng ở trên ngưỡng của việc ghép cặp. Kết quả cuối cùng từ việc ghép cặp trong màn của detector hay vùng lân cận của detector. Hình 6.13 biểu diễn đỉnh của sự hủy phóng xạ ở năng lượng 0,511 MeV trong phổ của 45Ti (có chu kỳ bán rã 3,08 giờ). Hình 6.13: Tổng trùng phùng của sự hủy bức xạ với góc tán xạ photon từ sự hủy lượng tủ khác được quan sát trong phổ xung cao của 45Ti (thời gian bán rã 3,08 giờ) Hiệu ứng chồng chất: Một số đỉnh được quan sát trong phổ tia gamma bởi phép lấy tổng năng lượng trong mỗi detector của hỗn hợp hay sự trùng phùng tia gamma trong suất thời gian phân giải của hệ thống hoặc sự trùng phùng trong phân rã của hạt nhân phóng xạ. Một phổ với nhiều hiện tượng trùng phùng được biểu diễn trong hình 6.14. Thời gian phân giải khoảng 1 ms đối với detector nhấp nháy (nai). Tốc độ đếm của đỉnh tổng hợp Ns được xác định bởi công thức: n (55) Trong đó: N là tổng tốc độ đếm của đỉnh phổ. Hình 6.14 cũng biểu diễn hiệu ứng của việc tăng cường nguồn trong đỉnh tổng hợp. Hình 6.14: Tác dụng của tốc độ đếm trong sự tăng cường của đỉnh hỗn hợp Một số hạt nhân phóng xạ phát ra hai hay nhiều tia gamma trong từng quan sát phân rã Bêta. Nếu các tia gamma phát ra đồng thời, toàn bộ năng lượng của chúng sẽ xuất hiện như một đỉnh tổng hợp trong phổ. Tốc độ đếm của đỉnh tổng hợp được xác định bởi công thức sau: (56) Trong đó: N0 là tốc độ đếm tia gamma phát ra từ nguồn. e1 và e2 là hiệu suất phát hiện tương đối của hai tia gamma. W là hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào góc. Hình 6.15: Phổ của nhiều hiện tượng trùng phùng thu được trong phổ xung cao của 94Nb (thời gian bán rã 2.104 năm). Hình 6.15 biểu diễn phổ của 94Nb (chu kỳ bán rã là 2.104 năm) phân rã và phát ra tia gamma có năng lượng là 0.703 MeV và 0.870 MeV. Tác dụng của hình dạng nguồn - detector trong độ lớn của đỉnh phổ tổng hợp cũng được biểu diễn. Trong trường hợp khác của sự tổng hợp hiệu ứng trùng phùng xảy ra cho phân rã hạt nhân phóng xạ bởi quá trình phát positron. Nếu một hoặc hai photon hủy đi vào detector, được phát ra theo hướng ngược lại, có thể tán xạ ngược trong detector. Hình 6.13 biểu diễn đỉnh tổng hợp cho biến cố như vậy. Xác định định lượng phổ gamma: Sự chia độ của hệ thống phát hiện NaI cho việc đếm nhiều hay đơn kênh được biết đến tương tự của ống đếm tỷ lệ. Hiệu suất đếm được xác định bởi công thức: (57) Trong đó: A là tốc độ đếm tại ngưỡng cực đại của hiệu điện thế. Dg là tốc độ phát tia gamma của nguồn. Hệ nguồn - detector có hiệu suất đếm là một hằng số; nó phụ thuộc vào năng lượng tia gamma, hiệu điện thế đặt vào. Với máy phân tích đa kênh, việc xác định định lượng phổ gamma cho nhiều kết quả với hiệu suất khác nhau. Hiệu suất phát hiện T(E) được xác định là thương số của tia gamma phát ra từ nguồn (cái mà tương tác với detector) và giá trị đã biết của tiết diện hấp thụ tia gamma của detector nhấp nháy (nai). Ví dụ, một nguồn điểm phóng xạ nằm trên trục của detector, hiệu suất của detector là: (58) Các đại lượng của phương trình này được biểu diễn ở hình 6.16. Hình 6.16: Hiệu suất của detector được tính cho một nguồn điểm và một nguồn đĩa của bức xạ và một detector hình trụ. Hiệu suất của detector T(E) được sử dụng tổng quát cho hạt nhân phóng xạ tinh khiết bởi vì phổ gamma phụ thuộc vào bức xạ tán xạ đi vào detector với năng lượng giảm. Phân tích và đo phổ của nhiều phóng xạ gamma là thích hợp và chính xác hơn để số đo duy nhất đóng góp vào kết quả phổ từ việc hấp thụ năng lượng đủ. Hiệu suất của đỉnh phổ ep được xác định là xác suất mà năng lượng E của tia gamma phát ra từ nguồn sẽ xuất hiện trong đỉnh phổ của phổ xung cao được quan sát. Khi toàn bộ năng lượng hấp thụ trong nhiều quá trình tán xạ như hiệu ứng quang điện, thì hiệu suất của đỉnh phổ khó có thể đo một cách trực tiếp. Phương pháp gián tiếp để đo hiệu suất của đỉnh phổ dựa vào công thức sau: (59) Trong đó: T(E) là hiệu suất phân giải (tính được) và P là tỷ lượng số đếm của phổ xung cao xuất hiện trong đỉnh phổ. Giá trị của P có thể được xác định bởi công thức: (60) Giá trị đầu của tích phân Np được đánh giá bởi phép ngoại suy đỉnh phổ như đường Gauss. Tốc độ phát của một tia gamma đơn năng N0 được xác định bởi công thức: . Trong đó, Np là diện tích đỉnh; P là hệ số tỷ lệ; A là hệ số hiệu chỉnh cho việc hấp thụ bức xạ Gamma của vật hấp thụ Bêta dùng trong hệ thống. Hình 6.17: Việc xác định NP trong phương pháp tỷ số cho việc đánh giá hiệu suất đỉnh phổ của 54Mn (thời gian bán rã 300 ngày) Các hiệu chỉnh của một hệ thống detector nai yêu cầu các yếu tố ảnh hưởng đến chiều cao và tỷ lệ xung đếm như chức năng của mô hình phóng xạ gamma. Một mô hình ba chiều của các phản ứng của một 3*3 dò Nai nhập để monoenergetic bức xạ gamma được biểu diễn trong hình 6,18. Hình 6.18: Không gian ba chiều của đường đặc trưng của bức xạ Gamma đơn năng khi dùng detector NaI 3 x 3 in. Không gian này minh họa sơ đồ nội suy dùng để thu năng lượng đặc trưng của một detector cho trước. Bảng 6.7 liệt kê một số các hạt nhân phóng xạ thích hợp cho việc hiệu chuẩn của máy phân tích đa kênh phổ kế gamma- Nai (Tl) nhấp nháy. Electron biến hoán chất bán dẫn (semiconductor conversion-electron) và phổ tia Gamma Thành phần sử dụng đầu tiên trong vùng nghèo của detector bán đẫn là các hạt mang điện nặng như mảnh phân hạch hay hạt alpha có độ ion hóa riêng. Sự phát triển của Li dẫn đến detector với vùng nhạy rộng hơn 1 cm thì được dùng cho electron biến hoán và phổ tia Gamma. Phổ năng lượng liên tục của bức xạ Beta chính là phổ tia Beta, được xác định và đo từ hỗn hợp hạt nhân phát Beta với độ phân giả khác với detector bán dẫn khác. Khả năng phân giải năng lượng của chất bán dẫn cho phép electron biến hoán từ hạt nhân cho trước được phân loại từ sự khác biệt nhỏ trong năng lượng liên kết của eletron trong quỹ đạo của chúng. Hình 6.19 biểu diễn phổ electron biến hoán của 207Bi đo được bắng một ion Li dẫn tới detector nhiệt độ Nitơ lỏng. Electron biến hoán của vạch K, M, L cũng được giải quyết. Hình 6.19: Phổ electron biến hoán của 207Bi, sử dụng detector Ge (Li) p-i-n ở nhiệt độ Nitơ lỏng. Độ phân giải năng lượng từ 0.5 đến 3% đối với electron vạch K, và điện thế từ phương pháp đo phổ electron biến hoán trong hiện tượng phóng xạ lá lớn.hệ thống detector bán dẫn Li (Si) và Li (Ge) sử dụng cho phổ electron. Dụng cụ thể hiện cần detector được làm lạnh ở nhiệt độ dưới 100 0K để giảm rò rỉ dòng điện và công dụng của buồng chân không là để ngăn cản sự ngưng tụ của detector. Ứng với từng phổ Gamma thì detector có nhược điểm riêng. Một detector hoạt động như một buồng ion hóa. Mối quan hệ tuyến tính giữa năng lượng photon tới với phổ xung cao, photon mất hoàn toàn năng lượng trong vùng nghèo. Si với Z =14 và hệ số hấp thụ Gamma thấp. Với detector mỏng, hệ số hấp thụ năng lượng toàn phần để tán xạ Compton nhỏ. Detector Li (Ge) n-i-p được cải tiến lớn. Khi hiệu suất hấp thụ quang điện tăng theo Z5, Ge với Z = 32 hiệu suất khoảng 40 lần của Si. Detector n-i-p có khoảng nhạy lớn nhưng khoảng năng lượng thấp (0,66 ev ở 300 0K) trong khi nhiệt độ cần thiết để hoạt động của Ge thấp (thường dưới 150 0K) để giảm rò rỉ dòng ồn. Tính ổn định của ion Li trong tinh thể ở nhiệt độ phòng cũng là vấn đề. Hình 6.20: Hệ số hấp thụ riêng và hiệu suất hấp thụ toàn phần của tia Gamma trong Ge. Hình 6.20 biểu diễn phổ Gamma ở hai khoảng năng lượng thu được khi sử dụng detector Ge; dưới 2 mev, việc hấp thụ quang điện xác định năng lượng Gamma và trên 2 mev việc hấp thụ bởi sự sinh cặp trở nên quan trọng. Khi năng lượng của nhiều sự chuyển tia Gamma từ hiện tượng phóng xạ hạt nhân nhỏ hơn 2 mev, hiệu ứng quang điện (hấp thụ toàn bộ bởi nhiều tán xạ Compton) đóng góp vào hiệu suất đỉnh cho bức xạ Gamma đo được bởi phép phân tích xung theo biên độ. Một phổ Gamma đặc trưng thu được với detector Ge (Li) có đường kính là 18 mm và độ sâu vùng nghèo là 3,5 mm được biểu diễn trong hình 6.21. Độ phân giải của detector là 3,6 kev cho sự chuyển tia Gamma với năng lượng 662 kev của 137Cs. Độ phân giải này là 0,5 % so với tinh thể Na (Tl) (7 tới 10 %). Hình 6.21: Phổ Gamma của 137Cs khi sử dụng detector bán dẫn Ge (Li) đường kính 2,5 cm và sâu 3,5 mm. Độ phân giải của hệ thống detector cho đỉnh phổ của 137Cs là 0,54 %, trái lại độ phân giải cho máy phát xung là 0,41 %. Hình 6.21 cũng biểu diễn độ rộng của vạch của máy phát xung Hg đi vào đầu vào của tầng khuếch đại sơ bộ. Máy phát xung như là một sự định cỡ của tầng khuếch đại sơ bộ. Hiệu suất của detector là một đặc trưng quan trọng đối với phổ tia Gamma. Hình 6.22 biểu diễn đường hiệu suất đỉnh năng lượng cho detector Ge (Li) với vùng nghèo lớn (2,5 cm2 x 3,5 mm). Đường hiệu suất của một detector gấn giống detector Ge (Li) với vùng nghèo là 5 cm2 x 8 mm cũng được biểu diễn, hiệu suất lớn hơn khoảng 4 lần ở năng lượng 1 mev, hiệu suất lớn hơn 1 % và tăng đến 10 % ở năng lượng 0,3 mev. Hình 6.22: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần cho hai cỡ của detector Ge (Li). Ở năng lượng 1 MeV hiệu suất của detector lớn hơn gấp bốn lần của detector nhỏ hơn. Detector bán dẫn lớn hơn và tốt hơn đã được sản xuất, nó là kỳ vọng rằng phổ electron biến hoán và Gamma sẽ có vai trò lớn trong phân tích hạt nhân phóng xạ. Đặc điểm phổ tia X Đo bức xạ tia X trong phân tích kích hoạt đã làm dấy lên sự quan tâm đến việc thay đổi neutron chậm, positron và tia gamma tức thời đối với những trường hợp mà các bức xạ cụ thể có thể được phát hiện qua sự hiện diện của lượng lớn các bức xạ khác. Tia X đã được ghi nhận như là kết quả của các quá trình bắt điện tử quỹ đạo và biến hoán nội. Cả hai quá trình này đều tạo ra các lỗ trống trong các lớp vỏ điện tử (chủ yếu là lớp vỏ K). Hiệu ứng chuyển tiếp của các lớp vỏ điện tử phía ngoài sẽ phát ra bức xạ tia X đặc trưng của các nguyên tố. Phân tích kích hoạt neutron được chứng minh là khả thi đối với phổ tia X, đặc biệt khi hạt nhân phóng xạ bắt neutron chủ yếu dẫn đến phát β- . Tuy nhiên, bằng cách bắt điện tử thì chỉ có một vài hạt nhân phóng xạ phân rã hoàn toàn, một số khác chỉ phân rã một phần. Một số hạt nhân phóng xạ được liệt kê trong bảng 6.9. Mặt khác, các hạt nhân phóng xạ có hệ số biến hoán nội có ý nghĩa đối với quá trình chuyển đổi đồng phân có tính đa cực cao. Một số hạt nhân đã được liệt kê trong bảng 6.9 Bảng 6.9: Sản phẩm kích hoạt neutron phát ra tia X. Sản phẩm bắt electron. Nguyên tố Sản phẩm EC (%) E (tia X) (keV) Argon 37Ar 35 ngày 100 3 Crom 51Cr 27,8 ngày 100 6 Sắt 55Fe 2,6 năm 100 7 Đồng 64Cu 12,8 giờ 43 8 Germani 71Ge 11,4 ngày 100 10 Selen 75Se 120 ngày 100 11 Brom 80Br 17,6 phút 5 11 Paladi 103Pd 17 ngày 100 20 Thiếc 113Sn 115 ngày 100 24 Atimon 122Sb 2,8 ngày 3 25 Europi 152meu 9,3 giờ 23 40 Ebiri 165Er 10,3 giờ 100 48 Iridi 192Ir 72,4 ngày 4,4 63 Sản phẩm với hệ số biến hoán nội > 1. Nguyên tố Sản phẩm Hệ số (ek/g) E (tia X) (keV) Cobal 60mCo 10,5 phút 41 6 Germani 75mGe 48 giây 1,4 10 Selen 79Se 3,9 phút 81mSe 57 phút 7 9 11 11 Brom 82mBr 6,1 phút 268 11 Niobi 94mNb 6,3 phút 840 16 Camium 111mCd 48,6 phút 1,5 22 Thiếc 117Sn 14 ngày Lớn 24 Telua 129mTe 34 ngày Lớn 26 Xenon 133mXe 2,3 ngày 4 29 Xezi 134mCs 2,9 giờ 2,6 30 Dyprosi 165mDy 1,26 phút 3,4 45 Ebiri 169Er 9,4 ngày 106 48 Tholium 170Tm 130 ngày 1,6 49 Luteti 176mPu 3,7 giờ 1,2 53 Planti 195mPt 4,1 ngày 9 65 Shenberg, Gilat và Finston đã áp dụng phương pháp phân tích kích hoạt để đo phổ tia X. Họ đã gợi ý các máy đo tia X như ống đếm tỉ lệ, các tinh thể nhấp nháy và các chất bán dẫn khi đo tia X trong đó có mặt của bức xạ gamma. Ví dụ như, việc phân tích kích hoạt Brom đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc phát phổ tia X, nó tạo thành các hạt nhân phóng xạ 80Br (thời gian bán rã là 18 phút) và 80mbr (thời gian bán rã là 4,5 giờ) do 80Br phân xã tạo thành. Cả hai hạt nhân phát tia X, trạng thái kích thích phân rã bằng việc phát nối tầng các tia gamma 48 và 36 kev cùng với sự phát tia X khoảng 1.2 lần năng lượng 11.2 kev của tia X ứng với vạch K của Br trên một phân rã và trạng thái cơ bản phân rã bằng việc bắt electron với xác suất 5%, tiếp đó, ứng với vạch K của Xe phát ra tia X với năng lượng 11 kev. Mặt khác, phân tích kích hoạt neutron tạo thành đồng vị phóng xạ 80mbr (thời gian bán rã là 6 phút) cũng phát ra tia gamma với năng lượng 46 kev và một tia X với xác xuất là 0.7 ddối với mỗi phân rã ứng với vạch K của Br. Hình 6.23: Phổ tia X tỷ lệ với thời gian chiếu xạ khoảng 7 đến 10 phút của (a) 0,5 mg Br; (b) 100 mg Na; (c) 100 mg Na + 0,5 mg Br. Đặc điểm phổ tia X đã được áp dụng cho các phân tích Br trong matrices có chứa một lượng lớn các nguyên tố khác giống như natri. Hình 6.23 cho thấy phổ tia X ứng với vạch K của Br với năng lượng 11.6 kev trong 0.5 µm Br có sự hiện diện của 100 µm Natri. Với độ chính xác khoảng 2% đến 5% thì Na/Br hay K/Br có thể đạt tới tỉ lệ 500:1. Phương pháp này đặc biệt thích hợp để phân tích không phá hủy các hợp chất hữu cơ. Tài liệu tham khảo Tham khảo chung Phân tích hóa học I.M.Kolthofff, P.J.Elving, và E.B.Sandell,Treatise on Analytical Chemistry (Inter science, New York, 1959-1968). G. E. F. Lundell và J. I. Hoffman, Outlines of Methods of Chemical Analysis (Wiley, New York, 1958). G. H. Morrison, …, Trace Analysis, Physical Methods (Wiley, New York,1965). C. L. Wilson và D. W. Wilson, Comprehensive Analytical Chemistry (Elsevier, Amsterdam, 1964). J. H. Yoe và H. J. Koch, Trace Analysis (Wiley, New York, 1957). Hóa học phóng xạ E. Bluer và G. J. Goldsmith, Experimental Nucleonics (Prentice-Hall, Englewood Clifs, N.J, 1963). B. Brown, Experimental Nucleonics (Prentice – Hall, Englewood Cliffs,N. J. , 1963). G. D.Chase và J. L. Rabinowitz, Principles of Radioisotope Methodology, 2nd ed. (Burgess, Minncapolis, 1962), Chương 8 và 9. R. A Fairs và B. H. Parks, Radioisotope Laboratory Techniques (Piman, London, 1958). G. Frieđiaer, J. W. Kennedy và J. M. Miller, Nuclear and Radiochemistry, 2nd ed. (Wiley, New York, 1964), Chương 12. N. R.Johnson, E. Eichler và G. D. O’Kelley, Nuclear Chemistry (Wiley – Interscience, New York, 1963), Chương 5 và 7. R. T. Overman và H. M. Clark, Radioisotope Techniques (McGraw – Hill, New York, 1960). Sự phân ly hóa học phóng xạ Chung S. Amiel, Rapid Radiochemical Separation, in L. Yaffe, Ed, Nuclear Chemistry, Vol. H (Academic, New York, 1968), Chương 9. H. L. Finston và J. Miskel, Radiochemical Separation Techniques, Ann. Rev. of Nuclear Sci. 5, 269 – 296 (1955). F. Girardi, Radiochemical Separation for Activation Analysis, in J. R. DeVoe, Ed., Moderm Trends in Activation Analysis, National Bureau of Standards Special Publication 312, 577 – 616 (1969). Y. Kusaka và W.W. Meinke, Rapid RadiochemicalnSeparation, National Academy of Sciences – National Research Council, NAS – NS 3104, 1961. Subcommittee on Radiochemistry, National Academy of Sciences – National Research Council, A Series of Monographs on the Radiochemistry of the Elements, NAS – NS 3001 – 3058. Available from the Office of Technical Services, Department of Commerce, Washington, D. C. T. T. Sugihara, Radiochemical Separation of Low – Level Radioactivity, Analytical Chamistry 3, 1 -23 (Pergamon, Oxford, 1962). Sự trao đổi ion K. A. Kraus và F. Nelson, Radiochemical Separations by on Exchange, Ann. Rev. Nucl. Sci. 7,31 – 46 (1957). R. Kunin, Ion Exchange Resins, 2nd ed. (Wiley, New York, 1958). R. Kunin, Elements of Ion Exchange (Reinhold, New York, 1960). F. C. Nachod và J. Schuert, Ion Exchange Technology (Academic, New York, 1956). J. E. Salmom và D. K. Hale, Ion Exchange: A Laboratory Manual (Butterworth, London, 1959). O. Samuelson, Ion Exchange in Analytical Chemistry (Wiley, New York, 1953). J. Schubert, Ion Exchange, Ann. Rev. Phys. Chem. 5, 413 – 448 (1954). Dung môi chiết H. G. Cassidy và H. Freiser, Solvent Extraction in Analytical Chemistry (Wiley, New York, 1957). H. Frieser và G. H. Morrison, Solvent Extraction in Radiochemical Separations, Amm. Rev. Nucl. Sci. 9, 221 – 224 (1959). Khác H. G. Cassidy, Fundamentals of Chroatography (Interscience, New York, 1957). V. J.Coates, H. J.Noebels và I.S.Fagerson, Gas Chromatography (Academic, New York, 1958). W. D.Cooke, Electroamalytical Methods in Trace Analtsis (Academic, New York, 1956), Vol.III. D. H. Desty, Gas Chromatography (Academic, New York, 1958). J. R. DeVoe, Application of Distullaon Techniques to Radiochemical Separations, National Acsdemy of Sciences – National Research Coucil, NAS – NS – 3108,1962. A. I. M. Keulemans, Gas Chromatography (Reinhold, New York, 1957). M. Lederer và E.Lederer, Chromatography, 2nd ed. (Elsevier, Amsterdam, 1957). J. J. Lingave, Electroanalysis Chemistry (Interscience, New York, 1953). A. J. Lindsey, Electrodepostion, Chapter II, in Comprehesive Analytical Chemistry (Elsevier, Amsteedam, 1964). Thử nghiệm bức xạ kế R. L. Heath, Scintillation Spectrometry: Gamma – Ray Spectrum Catalog, 2nd ed. AEC Report No. IDO – 16880, 2nd ed. August 1964. G. D. O’Kelley, Ed., Application of Computers to Nuclear and Radiochemistry, National Academy of Sciences – National Research Council, NAS – NS – 3107, 1962. K. Siegbahn, Ed., Alpha, Beta, Gamma – Ray Spectrscopy (North – Holland, Amsterdam, 1955), Vol.1, Chapters V and VIIC, D. E. P. Steinberg, Counting Methods for the Assay of Radioactive Samples, Chapter 5 in A. H. Snell, Nuclaer Instruments and Their Uses (Wiley, New York, 1962).