MỞ ĐẦU
Trái Đất cũng như các hành tinh khác trong hệ Mặt trời được hình thành cách đây khoảng 4,5 tỷ năm, chứa nhiều nguyên tố sắt, carbon, oxygen, silicon, các nguyên tố trung bình và nguyên tố nặng. Các nguyên tố này được hình thành từ hydrogen và helium do kết quả của các vụ nổ Big Bang cách đây 13,77 tỷ năm [20]. Trong khoảng 10 tỷ năm từ các vụ nổ Big Bang cho đến khi hình thành hệ Mặt trời, hydro và heli được tổng hợp thành các nguyên tố nặng hơn. Các nguyên tố được hình thành do quá trình phản ứng và phân rã phóng xạ cho đến khi tạo thành hạt nhân bền. Có 4 đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn đó là 238U, 237Np, 235U và 232 Th. Các hạt nhân này trải qua chuỗi phân rã alpha và beta liên tiếp để trở thành 4 đồng vị chì bền là 206Pb, 207Pb, 208Pb, và 209Bi. Do chu kỳ bán rã của 237Np nhỏ, nên dãy này đã phân rã hết ngay sau khi Trái đất hình thành. Sự phân bố của các nguyên tố trong vỏ Trái đất không đồng đều, dẫn tới có những nơi hàm lượng của các nguyên tố khác nhau. Những nơi hàm lượng của nguyên tố đất hiếm chẳng hạn lớn hơn nhiều so với hàm lượng trung bình của chúng trong vỏ Trái đất gọi là mỏ đất hiếm. Cũng như vậy, tại những nơi hàm lượng nguyên tố Kalium, Uranium, Thorium cao hơn so với hàm lượng trung bình trong vỏ Trái đất thì nơi đó được gọi là mỏ Kalium, Uranium hoặc Thorium tương ứng. Nếu đất đá cũng như các mỏ phóng xạ, không chịu tác động mạnh từ bên ngoài, hoặc biến động địa chất thì các nguyên tố phóng xạ trong 3 dãy phóng xạ 238U, 235U và 232 Th đã xác lập trạng thái cân bằng phóng xạ [8]. Trong 2 dãy phóng xạ 235U và 238U chỉ có dãy phóng xạ 238U có chứa 234U. Như vậy, Uranium tự nhiên, tức Uranium chưa bị chiếu xạ bởi neutron, chỉ chứa 3 đồng vị phóng xạ 234U, 235U, 238U. Do chu kỳ bán rã của 234U, 235U và 238U xác định, nên độ giàu của 3 đồng vị trên trong Uranium tự nhiên có giá trị xác định. Do bốn đồng vị phóng xạ đầu dãy của 238U có tính chất hóa học giống nhau nên chúng luôn cân bằng phóng xạ với nhau. Nhưng nếu có quá trình biến đổi địa chất xảy ra, hoặc do phong hóa sẽ dẫn tới sự mất cân bằng phóng xạ giữa 238U và 226Ra, ngoài ra do hiệu ứng fraction xảy ra [7], dẫn tới độ giàu đồng vị của các đồng vị 234U, 235U, 238U trong Uranium tự nhiên bị thay đổi. Gần đây, một trong những nguyên nhân đáng kể dẫn tới thay đổi độ giàu đồng vị Uranium trong lớp đất gần bề mặt thay đổi là do các vụ thử vũ khí hạt nhân. Kết quả làm cho độ giàu đồng vị của các đồng vị 234U, 235U và 238U thay đổi, thường độ giàu của 235U nhỏ hơn so với đất đá thông thường. Để xác định thành phần Uranium hay độ giàu đồng vị của các đồng vị 234U, 235U và 238U thông thường người ta sử dụng phương pháp phổ alpha, hoặc phương pháp khối phổ kế. Tuy hai phương pháp này có độ chính xác cao, nhưng cả hai đều là phương pháp phá mẫu [23,25].
Để xác định độ giàu các đồng vị đồng vị Uranium trong đất và mẫu địa chất cần phải xác định tỷ số 3 đồng vị 234U, 235U và 238U. Trong [13,24,25] đưa ra phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi cho phép xác định tỷ số hoạt độ của các đồng vị 234U/235U, 214Bi /234U và tỷ số 235U/238U phục vụ bài toán xác định đồ giàu đồng vị và xác định tuổi các nhiên liệu Uranium. Tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, kỹ thuật phổ kế gamma kết hợp với phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi đã được sử dụng giải quyết các bài toán xác định tuổi của các mẫu nhiên liệu hạt nhân. Một số khóa luận tốt nghiệp của sinh viên cũng như các luận văn cao học của Nguyễn Hoàng Anh (khóa 2010-2012) và của Phí Công Hưng (khóa 2011-2013) đã sử dụng phương pháp phổ gamma kết hợp với chuẩn nội hiệu suất ghi xác định độ giàu đồng vị Uranium và tuổi của nhiên liệu Uranium có độ giàu khác nhau, từ Uranium nghèo đến nhiên liệu Uranium có độ giàu lên tới 92%. Luận văn cao học của Đinh Văn Thìn (khóa 2012-2014) đã sử dụng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi để xác định độ cháy của thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Các kết quả thu được từ các khóa luận và luận văn trên đều phù hợp với các số liệu khuyến cáo. Tuy nhiên việc phân tích thành phần Uranium trong mẫu đất và mẫu địa chất chưa được tiến hành. Bản Luận văn này, với tên gọi: “Sử dụng kỹ thuật phổ kế gamma kết hợp phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi phân tích thành phần đồng vị Uranium trong mẫu địa chất và mẫu môi trường” có 3 mục tiêu sau:
Thứ nhất, xác định thành phần Uranium trong đất đá trong mẫu địa chất và mẫu môi trường bằng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi.
Thứ hai, áp dụng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi xác định trạng thái và hệ số cân bằng giữa 238U và 226Ra trong các mẫu đất, địa chất.
Thứ ba, áp dụng đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi được xây dựng dựa vào các vạch gamma phát ra từ các đồng vị phóng xạ của dãy 232 Th nhằm kiểm tra số liệu về hệ số phân nhánh của các bức xạ gamma của đồng vị 208T1.
Bản luận văn dài 58 trang với 26 tài liệu tham khảo, ngoài phần mở đầu kết luận được chia thành 3 chương:
Chương 1: Tìm hiểu khái quát về phân rã phóng xạ, chuỗi phóng xạ, tính chất phóng xạ của đất đá và hiện tượng cân bằng phóng xạ.
Chương 2: Trình bày phương pháp thực nghiệm xác định tỷ số hoạt độ của các đồng vị phóng xạ để phân tích thành phần Uranium và trạng thái cân bằng phóng xạ của dãy 238U trong mẫu địa chất và đất đá.
Chương 3: Trình bày các kết quả thực nghiệm áp dụng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi xác định tỷ số hoạt độ 235U/238U và trạng thái cân bằng trong dãy phóng xạ 238U của một số mẫu địa chất, đất; và đánh giá hệ số phân nhánh của các bức xạ gamma của 208T1 trong dãy phóng xạ 232 Th.
