Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2

Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2 Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2

LỜI MỞ ĐẦU

Sau một trăm năm, kể từ khi Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ, các tia bức xạ phát ra từ hiện tượng phóng xạ ngày nay đã có ý nghĩa lớn đến nhiều ngành và người làm việc trong các lĩnh vực như y học hạt nhân, chẩn đoán lâm sàng, vật lý y khoa, sinh học, bảo quản thực phẩm, công nghiệp, giám sát môi trường, năng lượng hạt nhân… Việc xác định chính xác hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ là vấn đề cần phải được thực hiện để việc ứng dụng các đồng vị phóng xạ cũng như kiểm soát môi trường có hiệu quả

Kể từ khi Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế được thành lập vào năm 1957, hợp tác toàn cầu trong việc sử dụng năng lượng hạt nhân vào mục đích hòa bình thông qua sản xuất điện hạt nhân và sử dụng các hạt nhân phóng xạ và các nguồn bức xạ đã đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển trên thế giới

Trong các nguyên tố phóng xạ, chúng tôi quan tâm đến các nguyên tố phát alpha, đặc biệt là Thorium Trong môi trường, Thorium tồn tại trong không khí, đất, đá, nước, thực vật và động vật Hơn 99% Thorium tồn tại trong tự nhiên là đồng vị 232Th Thorium có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu, công nghiệp cũng như trong đời sống hằng ngày

Do Thorium tồn tại trong tự nhiên nên dễ dàng bị rửa trôi vào sông, hồ… Ngoài ra, bụi, lốc xoáy và núi lửa phun trào cũng là một nguồn thải Thorium đáng kể trong không khí Bên cạnh đó, việc khai thác các quặng hoặc sản xuất các sản phẩm có chứa Thorium cũng có thể giải phóng Thorium vào môi trường Các nghiên cứu trên những người làm việc thường xuyên với Thorium hoặc bị nhiễm Thorium ở mức cao chỉ ra rằng: khi hít thở một lượng cao bụi Thorium, nguy cơ mắc các bệnh về phổi, về gan hoặc máu sẽ gia tăng

Ở Việt Nam, hiện nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu về Thorium Hầu hết các nghiên cứu đồng vị Thorium được thực hiện trên hệ phổ kế Gamma

vì tính đơn giản trong khâu chuẩn bị mẫu Tuy nhiên, để góp phần đánh giá chính xác hàm lượng của Thorium trong môi trường thì cần thiết phải nghiên cứu các đối tượng trên bằng hệ phổ kế Alpha Với mong muốn có được “QUY TRÌNH TÁCH CHIẾT VÀ TẠO NGUỒN ALPHA-THORIUM CHO HỆ PHỔ KẾ ALPHA TỪ MẪU ThO2”, chúng tôi thực hiện đề tài này nhằm xây dựng một quy trình có tính đơn giản cho việc tách chiết và tạo nguồn Alpha-Thorium với hy vọng góp một phần nhỏ trong việc hạn chế sự phức tạp trong quy trình tạo mẫu cho hệ phổ kế Alpha

Quy trình thực hiện trong luận văn này đơn giản, phù hợp với điều kiện thiếu thốn trang thiết bị hiện đại nói chung, các phòng thí nghiệm ở nước ta nói riêng và có thể được thực hiện dễ dàng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn và kính trọng sâu sắc đến:

 PGS TS Châu Văn Tạo đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi học tập, nghiên cứu và tận tình hướng dẫn giúp tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sỹ này

 ThS Lê Công Hảo đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết giúp tôi trong quá trình thực nghiệm và xử lý số liệu

 Quý Thầy, Cô phản biện và hội đồng chấm luận văn đã đóng góp ý kiến để luận văn tốt hơn

 Quý Thầy, Cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân đã nhiệt tình giảng dạy giúp tôi hoàn thành chương trình học

Ngoài ra tôi cũng xin cảm ơn những người thân trong gia đình và các bạn đã chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Thành phố Hồ Chí Minh, 2011

Hồ Nhã Nghi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter Biến đổi tương tự thành số

AECL Atomic Energy of Canada Chuẩn giới hạn năng lượng

DJ Diffused Junction Đầu dò tiếp xúc khuếch tán

FWHM Full Width Half Maximum Độ rộng cực đại một nửa chiều cao

MCA Multi Channel Analyzer Máy phân tích biên độ đa kênh MCB Multi Channel Buffer Bộ đệm đa kênh

PIPS Passivated Implanted Plannar Đầu dò Si planar nuôi cấy ion

RES Reticuloendothelial System Hệ thống lưới nội mô

SSB Silicon Surface Barrier Đầu dò hàng rào mặt

TOPO Tri-octyl-phosphine oxit

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1: Ước tính tài nguyên Thorium trên thế giới 14

Bảng 2.1: Một số detector Alpha PIPS của hãng CANBERRA sản xuất 27

Bảng 2.2: Đặc tính của bộ tiền khuếch đại 2004 28

Bảng 3.1: Thể tích dung dịch HNO3 cần dùng để làm tan mẫu 37

Bảng 3.2: Số đếm đo dược theo điện áp nguồn 41

Bảng 3.3: Các thông số không đổi trong quá trình khảo sát cường độ dòng điện 42

Bảng 3.4: Số liệu hiệu suất điện phân theo cường độ dòng điện 43

Bảng 3.5: Các thông số không đổi trong quá trình khảo sát thời gian 44

Bảng 3.6: Số liệu hiệu suất điện phân theo thời gian 45

Bảng 3.7: Các thông số tối ưu khi tạo nguồn Alpha-Thorium 46

Bảng 3.8: So sánh hoạt độ riêng của 230Th trong mẫu IAEA-434 theo quy trình trong luận văn này và theo IAEA 47

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Phân rã alpha 2

Hình 1.2: Hàng rào thế tương tác giữa hạt nhân và hạt alpha 5

Hình 1.3: Đồ thị biểu diễn hố thế với năng lượng E << U0 trong hiệu ứng đường ngầm của hạt alpha 6

Hình 1.4: Chuỗi phân rã của 232Th 9

Hình 1.5: Thorium 9

Hình 1.6: Cấu trúc lập phương tâm mặt 10

Hình 1.7: Cấu trúc lập phương tâm khối 10

Hình 2.1: Hệ phổ kế Alpha ở Bộ môn Vật lý hạt nhân 23

Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ phổ kế Alpha Analyst 24

Hình 2.3: Bơm hút chân không 25

Hình 2.4: Buồng đo alpha 25

Hình 2.5: Detector PIPS 26

Hình 3.1: Máy quay li tâm 33

Hình 3.2: Cân điện tử 33

Hình 3.3: Bút đo pH 33

Hình 3.4: Phễu chiết 33

Hình 3.5: Pipet điện tử (ml) 33

Hình 3.6: Pipet Glassco (µl) 33

Hình 3.7: Mô hình bộ điện phân 34

Hình 3.8: Bộ điện phân dạng lát cắt 35

Hình 3.9: Tủa Th(OH)4 trắng 38

Hình 3.10: Hai pha sau khi sốc tủa Th(OH)4 với HCl 7M và TOPO 0,1M 38

Hình 3.11: Sơ đồ các bước tách hóa Thorium 39 Hình 3.12: Cách mắc bình điện phân với bộ nguồn 40 Hình 3.13: Mối liên hệ giữa điện áp của nguồn và số đếm ghi nhận 41 Hình 3.14: Sự phụ thuộc của hiệu suất điện phân theo cường độ dòng điện 43 Hình 3.15: Hiệu suất điện phân theo thời gian khi điện phân 25µl và 50µl

dung dịch hữu cơ chứa Thorium 45 Hình 3.16: Phổ Alpha của nguồn Alpha-Thorium khi điện phân 50µl

dung dịch chứa Thorium trong 60 phút 48 Hình 3.17: Phổ Alpha của nguồn Alpha-Thorium khi điện phân 25µl

dung dịch chứa Thorium trong 10 phút 48 Hình 3.18: Phổ Alpha của 230Th khi tách hóa 0,5g mẫu IAEA-434 và

điện phân 49

MỤC LỤC

Trang

Danh mục các chữ viết tắt

Danh mục các bảng biểu

Danh mục các hình vẽ

Lời mở đầu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THORIUM 9

1.1 Tổng quan về phân rã alpha 1

1.1.1 Hạt alpha 1

1.1.2 Phân rã alpha 2

1.1.2.1 Vùng phân rã alpha 3

1.1.2.2 Chu kỳ bán rã và năng lượng 4

1.2 Tổng quan về Thorium 8

1.2.1 Các tính chất của Thorium 8

1.2.1.1 Tính chất vật lý 8

1.2.1.2 Tính chất hóa học 11

1.2.1.3 Tác dụng sinh lý của Thorium 11

1.2.2 Sự tồn tại của Thorium 12

1.2.3 Thorium được dùng làm nhiên liệu hạt nhân 13

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHUẨN BỊ MẪU, TẠO NGUỒN ALPHA-THORIUM VÀ PHÂN TÍCH PHỔ ALPHA SỬ DỤNG HỆ PHỔ KẾ ALPHA ANALYST 16

2.1 Lý thuyết về phương pháp tách chiết hóa học 16

2.1.1 Pha dung dịch 16

2.1.2 Pha chất tan 16

2.2 Lý thuyết về mạ điện phân 16

2.2.1 Những khái niệm cơ bản về điện hóa học 16

2.2.2 Sự hình thành lớp mạ 17

2.2.2.1 Điều kiện hình thành lớp mạ 17

2.2.2.2 Điều kiện xuất hiện tinh thể 18

2.2.2.3 Thành phần chất điện giải 18

2.2.3 Gia công bề mặt kim loại trước khi mạ 19

2.2.3.1 Gia công cơ học 19

2.2.3.2 Tẩy dầu mỡ 19

2.2.3.3 Tẩy gỉ 20

2.2.3.4 Tẩy bóng điện hóa và hóa học 21

2.2.3.5 Tẩy nhẹ 21

2.2.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến một phản ứng điện hóa 21

2.2.4.1 Dung dịch khảo sát 21

2.2.4.2 Điện cực 21

2.2.4.3 Sản phẩm tạo thành 22

2.2.5 Định luật Faraday về điện phân 22

2.2.5.1 Phát biểu định luật 22

2.2.5.2 Biểu thức định luật 22

2.3 Lý thuyết về phân tích phổ Alpha sử dụng hệ phổ kế Alpha Analyst 23

2.3.1 Tiện ích 23

2.3.2 Buồng chân không 24

2.3.3 Detector PIPS 25

2.3.4 Detector Alpha PIPS 26

2.3.5 Bộ tiền khuếch đại 28

2.3.6 Bộ khuếch đại 29

2.3.7 Bộ ADC (Biến đổi tương tự thành số) 29

2.3.8 Máy phân tích biên độ đa kênh MCA 30

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 31

3.1 Hóa chất 31

3.2 Dụng cụ và thiết bị 32

3.3 Quy trình tách chiết và điện phân tạo nguồn Alpha-Thorium 35

3.3.1 Pha hóa chất 35

3.3.2 Quy trình tách chiết Thorium từ mẫu ThO2 35

3.3.3 Quy trình điện phân 39

3.3.3.1 Khảo sát điện áp tối ưu 41

3.3.3.2 Khảo sát dòng điện tối ưu 42

3.3.3.3 Khảo sát thời gian tối ưu 44

3.3.4 Phổ Alpha của nguồn Alpha-Thorium 46

Kết luận 50

Kiến nghị 52

Danh mục công trình 53

Tài liệu tham khảo 54

Phụ lục 57

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THORIUM

Năm 1896, nhà bác học người Anh là Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là Uranium và con cháu của nó Đến nay, người ta biết ba họ phóng xạ tự nhiên là Thorium (232Th), Uranium (238U), Actinium (235U) và họ phóng xạ nhân tạo Neptunium (237Np) Đồng vị 232Th là thành viên đầu tiên của họ Thorium và nó phát ra tia phóng xạ alpha

1.1 Tổng quan về phân rã alpha [3], [4]

1.1.1 Hạt alpha

Hạt alpha là hạt nhân nguyên tử Heli, kí hiệu 42He, bao gồm 2 nơtron và 2 proton, nó mang điện tích dương bằng +2e và khối lượng bằng 4,0015u (1u=1,66055.10-27kg)

Hạt alpha là một loại bức xạ ion hóa, khi đi qua môi trường vật chất, chúng tương tác với các electron trong môi trường, gây ra sự ion hóa mạnh và dễ dàng dừng lại khi đi được vài centimet trong không khí, hoặc bị chặn bởi một tờ giấy hay da người

Thông thường hạt alpha không gây nguy hiểm đối với chiếu ngoài, nhưng chúng trở nên cực kỳ nguy hiểm khi chúng thâm nhập vào cơ thể bằng đường ăn uống hoặc hít thở Người ta ước tính sự nguy hiểm của nó lớn hơn gấp nhiều lần

so với liều tương đương của các bức xạ gamma Đồng vị con cháu của 232Th là

210Po có thể là nguyên nhân gây ra ung thư phổi và ung thư bàng quang Các nhà nghiên cứu hiện đang cố gắng nghiên cứu đưa chất phóng xạ alpha vào các vị trí khối u để tiêu diệt hoặc ngăn chặn sự phát triển của khối u, liệu pháp này gọi là xạ trị trong

Phản ứng hạt nhân gây bởi hạt alpha:

+ Loại (, p): α N 17O p

8 14

Nhờ phản ứng này mà Chadwick đã tìm ra nơtron

1.1.2 Phân rã alpha

Hình 1.1: Phân rã alpha

Khi phân rã alpha, hạt nhân mẹ ban đầu AZX chuyển thành hạt nhân con Y

Z α

He4

Ví dụ: Th23290 α

He4

Điều kiện để xảy ra phân rã alpha là khối lượng của hạt nhân mẹ AZXphải lớn hơn tổâng khối lượng của hạt nhân con AZ42Y và hạt alpha:

Hạt nhân mẹ

Hạt nhân con

Hạt alpha

m(X) > m(Y) + m() (1.5)

 m(X) > m(A-4, Z-2) + m() (1.6) Giả sử khi phân rã hạt nhân mẹ AX

Z và hạt nhân con A 4Y

2 Z

TTc]m(

m(Y)[m(X)

Theo định luật bảo toàn động lượng:

0pp

m(1TTTΔE

Y

α α

Y α

mm

mΔE

T



Y α α

m

m1

1ΔE

Vậy hạt alpha mang phần lớn năng lượng tỏa ra khi phân rã

1.1.2.1 Vùng phân rã alpha

Hiện nay người ta đã biết được hơn 200 hạt nhân phân rã alpha Phân rã

alpha chủ yếu xảy ra với các hạt nhân nặng ở cuối bảng tuần hoàn Mendeleev

với Z83, tức là các hạt nhân có điện tích Z lớn hơn từ hai đơn vị trở lên so với số magic Z=82

1.1.2.2 Chu kỳ bán rã và năng lượng

Chu kỳ bán rã của các nhân phân rã alpha thay đổi trong một khoảng rất rộng nhưng năng lượng alpha phát ra chỉ thay đổi trong khoảng hẹp

Ví dụ: Chì Pb204

82 có chu kỳ bán rã T1/2=1,4.1017năm, còn Radon Rn215

86 có chu kỳ bán rã T1/2=2,3.10-6giây Đối với các nhân nặng thì năng lượng các hạt alpha thay đổi từ 4MeV đến 9MeV, đối với nhóm đất hiếm thì từ 2MeV đến 4,5MeV

Tính chất quan trọng nhất của hạt nhân phân rã alpha là sự phụ thuộc rất mạnh của chu kỳ bán rã vào năng lượng của những hạt bay ra Định luật Geiger-Nuttal trình bày sự phụ thuộc của chu kỳ bán rã T1/2 theo hàm mũ vào năng lượng hạt alpha bay ra E Định luật này cho thấy rằng các đồng vị sống ngắn phát ra những hạt alpha năng lượng cao hơn các đồng vị sống lâu Điều này có nghĩa rằng các hạt nhân phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn thì hạt alpha phát ra có năng lượng nhỏ

E

DC

2ZekU

Giả sử ta chọn thế hạt nhân có dạng vuông góc với thành thẳng đứng, và trong lòng nó thế năng được coi như là hằng số suốt cả chiều dài bán kính nhân

R (đoạn AB)

Hình 1.2: Hàng rào thế tương tác giữa hạt nhân và hạt alpha

Nếu xét một cách chặt chẽ thì hạt alpha không tồn tại như là một hạt độc lập trong lòng hạt nhân mà nó được tạo thành từ sự tập hợp các nuclon riêng rẽ Giả thiết rằng hạt alpha tồn tại trong lòng hạt nhân Đối với hạt nhân có Z=90 và

r=R=10 cm thì chiều cao thế tương tác Coulomb do hạt nhân tác dụng lên hạt alpha là:



R

2ZekU

2

Nhưng thực nghiệm cho rằng hạt alpha phân rã từ các nhân nặng có năng lượng từ 4MeV đến 9MeV, nhỏ hơn rất nhiều so với chiều cao rào thế Theo cơ học cổ điển thì hạt alpha không thể thoát ra ngoài được nghĩa là không thể xảy

ra phân rã alpha, tuy nhiên cơ học lượng tử giải thích được hiện tượng này theo hiệu ứng đường ngầm

Để giải bài toán về hiệu ứng đường ngầm của hạt alpha, ta khảo sát chuyển động của hạt alpha trong trường thế một chiều với hàng rào thế hình chữ nhật có bề rộng d:

(1.19)

Hình 1.3: Đồ thị biểu diễn hố thế với năng lượng E << U0 trong hiệu ứng đường

ngầm của hạt alpha

2 3

A

A

D

)B(Ak)B(A

ik1 1 1  2 2 2

3 d k 2 d k

2 2 1

3 1 d k 2 d k 2

EU

Ek

kn

0 2

2

i.n1

r k 2 r k 2

r ik 1 r ik 1

1

2 2

1 1

eA

eBe

A

eBeAψ(r)

Trạng thái của hạt lượng tử được mô tả bởi hàm sóng (r) thỏa phương trình Schrodinger:

0U(r)Ψ(r)dr

Ψ(r)d

2 2

(1.25) (1.26) Từ (1.24) và (1.26) ta có:

2

i.n1

r ≤ 0

r ≥ d

0 < r < d

nie2n

nie2

i.n1e2

i.n1(A

3 1

2 2

d k

4

)n

ii.n)(1(1

Ae4n

ii.n2

2 d

2k 2 2

2

2 1

2

e)n(1

16ne

i)(n.i.n)(1

4nA

0

eU

E)16E(U

1.2 Tổng quan về Thorium

Thorium là một nguyên tố hóa học, kí hiệu Th và bậc số nguyên tử 90 trong bảng hệ thống tuần hoàn Thorium được phát hiện bởi nhà hóa học Thụy Điển Juns Jakob Berzelius, và cũng được xem là một nguyên liệu hạt nhân thay thế cho Uranium

1.2.1 Các tính chất của Thorium

1.2.1.1 Tính chất vật lý [16]

Thorium nguyên chất là một kim loại có ánh bạc, bền trong không khí vàø giữ được ánh của nó trong vài tháng Thorium nguyên chất mềm, dễ uốn và có thể cuộn tròn ở trạng thái lạnh (không cần gia nhiệt), rập nóng và kéo dài

Hình 1.4: Chuỗi phân rã của 232Th [17]

Hình 1.5: Thorium

Các tính chất vật lý của Thorium chịu ảnh hưởng lớn bởi mức độ lẫn oxit Khi lẫn với oxit, Thorium bị mờ đi từ từ trong không khí và chuyển sang màu xám, cuối cùng là màu đen Các loại tinh khiết nhất thường chứa khoảng 10% oxit

Thorium có hai kiểu cấu trúc và chúng biến đổi ở 14000C từ lập phương tâm mặt sang lập phương tâm khối

Hình 1.6: Cấu trúc lập phương tâm mặt [14]

Hình 1.7: Cấu trúc lập phương tâm khối [14]

Bột Thorium thường tự bốc cháy nên cẩn thận khi dùng chúng Khi nung nóng trong không khí, kim loại Thorium phát cháy và có ngọn lửa sáng trắng

Năng lượng có sẵn trong vỏ Trái đất từ Thorium chưa được khai thác nhiều như các hỗn hợp Uranium, các nguồn nguyên liệu hóa thạch và phần lớn nội nhiệt Trái đất được cho là từ Thorium và Uranium

1.2.1.2 Tính chất hóa học [16]

Thorium phản ứng chậm với nước và không phải lúc nào cũng tan trong axit thường trừ axit clohidrit Nó hòa tan trong axit nitric đậm đặc với một ít chất xúc tác là ion flo Các hợp chất của Thorium thường bền ở trạng thái oxi hóa +4

Thorium (IV) nitrat và Thorium (IV) florua thường ở dưới các dạng hydrat như: Th(NO3)4.4H2O và ThF4.4H2O Tâm Thorium nằm trong mặt phẳng phân tử hình vuông Thorium (IV) cacbonat, Th(CO3)2 cũng tương tự

Khi xử lý với natri florua, Th4+ tạo thành ion phức ThF62+, và có thể kết tủa ở dạng muối không tan Thorium (IV) hydroxit, Th(OH)4, không tan trong nước, không là chất lưỡng tính Peroxit của Thorium thì rất hiếm, thường ở dạng chất rắn không tan, nhờ tính chất này có thể dùng để tách Thorium ra khỏi các ion khác trong dung dịch Nếu có mặt các ion photphat, Th4+ sẽ kết tủa thành nhiều hợp chất khác nhau, đó là các hợp chất không tan trong nước và các dung dịch axit

1.2.1.3 Tác dụng sinh lý của Thorium [22]

Vì Thorium là đồng vị tự nhiên, nên dân chúng có khả năng tiếp xúc hằng ngày với Thorium và hợp chất Thorium qua da hay các tiếp xúc khác Quá trình ăn uống, hít thở hoặc hấp thụ qua da gọi là quá trình thâm nhập phóng xạ

Khi Thorium bị hấp thụ vào cơ thể một lượng rất thấp vào phổi và đường tiêu hóa, 70% Thorium trong máu chuyển đến xương, 4% đến gan, 16% ở các mô và cơ quan khác và 10% sẽ đi trực tiếp ra ngoài Thorium tồn tại trong xương

dưới dạng liên kết xương và gluco-protein Thorium tích tụ trong lá lách, gan, hạch bạch huyết, và tủy xương dẫn đến chiếu xạ lâu dài ở cơ quan tương ứng Thorium được giữ lại lâu nhất khi nó thâm nhập vào cơ thể dưới dạng một hợp chất không hòa tan Transferrin -trong huyết tương có khả năng kết hợp với sắt- đóng một vai trò quan trọng trong việc vận chuyển Thorium Hầu hết Thorium thâm nhập vào hệ thống lưới nội mô (RES), gan, lá lách, và tủy xương Thorium được bài tiết chậm và chủ yếu qua mật Thorium cũng có thể được phát ra ngoài bằng cách thở ra khí phóng xạ con cháu Thoron

1.2.2 Sự tồn tại của Thorium [18], [24]

Thorium là nguyên tố tự nhiên có trên Trái đất, Mặt Trăng, Hỏa Tinh… và hầu như khắp mọi nơi - chẳng hạn như trong đất, đá, nước, động vật, thực vật,…

Chuỗi Thorium với hạt nhân đầu tiên là Th232 có thời gian bán rã bằng 1,4.1010 năm, nên hầu như Thorium không giảm trong quá trình tồn tại của Trái đất Đồng vị 232Th phân rã rất chậm, chu kỳ bán rã của nó gấp ba lần tuổi của Trái đất, nhưng các đồng vị con cháu xuất hiện trong chuỗi phân rã của nó thì hầu hết có thời gian sống ngắn

Trong vỏ Trái Đất, Thorium có nhiều hơn Uranium khoảng bốn lần Thorium tồn tại trong Thoriumte, Thoriumanite, orangite, and yttrocrasite, và cát monazite Chất chủ yếu trong quặng monazite là Thorium, lanthanide, đồng vị phosphate Khoáng sản cát ở Úc, đặc biệt là ở tiểu bang Victoria và Tây Úc chứa lượng Thorium đáng kể

Thorium có mặt trong một số khoáng sản, phổ biến nhất là Thorium-đất hiếm, monazit, chứa khoảng 12% Thorium oxit, nhưng trung bình khoảng 6-7% Monazit được tìm thấy trong đá măc-ma và các đá khác, nhưng hàm lượng của nó cao nhất trong sa khoáng trầm tích Nguồn tài nguyên monazit

phosphate-trên thế giới được ước tính là khoảng 12 triệu tấn, hai phần ba trong số đó là khoáng sản cát nặng lắng trên bờ biển phía nam và phía đông của Ấn Độ Khoáng sản nặng cũng có ở một số nước khác Một mỏ dạng mạch lớn chứa Thorium và đất hiếm có ở Idaho

Zircon được biết đến như những khoáng vật quý, được sử dụng trên các đồ trang sức với nhiều màu sắc khác nhau, từ không màu tới màu vàng đỏ, da cam và nâu, lục nâu, lục sáng tới màu xanh da trời Zircon chứa kim loại Uranium và Thorium (từ 10ppm đến 1% khối lượng) Cùng với kim cương nó có tầm quan trọng đáng kể trong ngành trang sức hoặc được sử dụng cho mục đích làm chất mài mòn và cách điện

Ngoài ngành công nghiệp hạt nhân, việc sử dụng hợp kim có Thorium trong lĩnh vực hàng không và vật liệu chịu lửa dẫn đến việc sản xuất hàng trăm tấn Thorium mỗi năm và có thể được đẩy lên khoảng 20000 tấn/năm do quặng monazit có sẵn Nguồn sản xuất Thorium chính là từ Úc với 14500 tấn/năm

1.2.3 Thorium được dùng làm nhiên liệu hạt nhân [19], [21]

Tại sao Thorium được chọn trong khi chúng ta đã có nhiên liệu Uranium? Một lò phản ứng hạt nhân nhiên liệu Thorium tạo ra năng lượng tương đương một nhà máy điện Uranium hoặc than đá, nhưng chất thải ra rất thấp Các nhà máy điện Thorium sẽ sản xuất ít hơn 1% chất thải so với một nhà máy điện Uranium cùng quy mô, và tất nhiên là cũng không có khí carbon dioxide Quan trọng hơn, trong khi các chất thải của một nhà máy điện hạt nhân Uranium có độ độc kéo dài hơn 10.000 năm thì một nhà máy Thorium lại có độ độc dưới 200 năm Hơn nữa, trong nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiên liệu Thorium lõi lò rất khó nóng chảy dù ở nhiệt độ cao

Bảng 1.1: Ước tính tài nguyên Thorium trên thế giới [24]

Tổng thế giới 2.608.000

Chu trình Thorium: những lò phản ứng chu trình Thorium giống như những lò phản ứng hạt nhân nơtron nhanh mà trong đó vật liệu phân hạch không cần phải làm giàu Đồng vị 232Th sẽ hấp thụ những nơtron để tạo ra 233U tự phân hạch một cách gián tiếp: các 232Th hấp thụ một nơtron để trở thành 233Th, phân rã thành 233Pa và sau đó 233U Công nghệ này được quan tâm vì tránh được việc sản xuất Plutonium, lượng Thorium khá phong phú được dùng làm nhiên liệu với hiệu suất gần bằng với lò phản ứng nơtron nhanh Những năm qua đã có sự quan tâm lớn về việc sử dụng Thorium như là một nhiên liệu hạt nhân vì nó có rất

nhiều trong lớp vỏ Trái đất hơn Uranium Ngoài ra, tất cả các mỏ Thorium là tiềm năng để khai thác Thorium dùng trong một lò phản ứng hạt nhân

Ấn Độ là nước đi tiên phong trong việc nghiên cứu và sử dụng Thorium trong lò phản ứng điện hạt nhân Ngoài ra, còn có sự phát triển ý tưởng lò phản ứng Thorium Radkowsky đang được thực hiện bởi công ty Thorium Power (nay là tổng công ty Lightbridge) với sự hợp tác của Nga Giữa năm 2009, AECL đã ký thỏa thuận với ba đối tác Trung Quốc để phát triển và chứng minh việc sử dụng nhiên liệu Thorium trong các lò phản ứng CANDU ở Qinshan-Trung Quốc Thorium cũng có thể được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân thế hệ IV và hệ thống chu trình nhiên liệu hạt nhân cao cấp khác

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP CHUẨN BỊ MẪU, TẠO NGUỒN ALPHA-THORIUM VÀ PHÂN TÍCH PHỔ ALPHA SỬ DỤNG HỆ PHỔ KẾ ALPHA ANALYST 2.1 Lý thuyết về phương pháp tách chiết hóa học

Với d là khối lượng riêng (g/l)

M: khối lượng mol (g/mol)

P% là nồng độ phần trăm của dung dịch

 Công thức tính thể tích dung dịch ban đầu cần dùng:

0

dd Mdd 0

C

.VC

Với CMdd, Vdd là nồng độ mol (mol/l) và thể tích (l) dung dịch cần pha

C0, V0 là nồng độ mol (mol/l) và thể tích dung dịch ban đầu (l)

2.1.2 Pha chất tan

 Công thức tính số mol theo nồng độ mol/l:

Trong đó V là thể tích dung dịch cần pha; CM là nồng độ mol/l

 Công thức tính khối lượng chất tan cần lấy:

2.2 Lý thuyết về mạ điện phân

2.2.1 Những khái niệm cơ bản về điện hóa học [12]

Những quá trình hóa học xảy ra dưới tác dụng của dòng điện một chiều gọi là quá trình điện hóa Dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện li tạo nên

hiện tượng điện phân phân hủy các chất điện li và tạo ở điện cực những chất mới

 Bộ thiết bị chủ yếu của quá trình điện phân:

 Những ứng dụng thực tế của quá trình điện phân như:

+ Điều chế H2, O2, NaOH, Cl2 để tổng hợp các chất vô cơ và muối

+ Tổng hợp các chất hữu cơ

+ Thủy luyện các kim loại: Cu, Ni, Zn, Co, Cd, Na, K…các kim loại quí và đất hiếm

+ Sản xuất các nguồn điện hóa học (pin, acquy…) và mạ điện

 Những ưu điểm của phương pháp điện phân:

+ Công nghệ đơn giản

+ Sử dụng nguyên liệu và năng lượng toàn diện

+ Tạo được nhiều sản phẩm có giá trị và có độ sạch cao

2.2.2 Sự hình thành lớp mạ [13]

2.2.2.1 Điều kiện hình thành lớp mạ

Mạ điện là một công nghệ điện phân Quá trình tổng quát là:

- Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot:

- Trên catot xảy ra quá trình cation phóng điện trở thành kim loại mạ:

M + ne  M (2.6) Thực ra quá trình trên xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau như: quá trình cation hidrat hóa di chuyển từ dung dịch vào bề mặt catot (quá trình khuếch tán); cation mất lớp vỏ hidrat, vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catot (quá trình hấp phụ); electron chuyển từ catot vào vành hóa trị của cation, biến nó thành nguyên tử kim loại trung hòa (quá trình phóng điện); các nguyên tử kim loại này sẽ tạo thành mầm tinh thể mới, hoặc tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã hình thành trước đó

2.2.2.2 Điều kiện xuất hiện tinh thể

Mọi yếu tố làm tăng phân cực catot đều cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, và ngược lại Nếu kim loại nền và kim loại kết tủa có cấu trúc mạng khá giống nhau về hình thái, kích thước thì cấu trúc của kim loại nền được bảo tồn và kim loại kết tủa sẽ phát triển theo cấu trúc đó (cấu trúc lai ghép-epitaxy), xảy ra ở những lớp nguyên tử đầu tiên Sau đó sẽ dần chuyển về cấu trúc vốn có của nó ở những lớp kết tủa tiếp theo Trường hợp này cho lớp kim loại mạ có độ gắn bám rất tốt, xấp xỉ với độ bền liên kết của kim loại nền Nếu thông số mạng của chúng khác khá xa nhau, hoặc bề mặt chúng có tạp chất hay chất hấp phụ, thì sự lai ghép sẽ không xảy ra Đấy là một trong những nguyên nhân gây nên ứng suất nội và làm lớp mạ dễ bong

2.2.2.3 Thành phần chất điện giải

Chất điện giải dùng trong mạ điện thường là dung dịch muối đơn hoặc muối phức Thành phần chính của dung dịch muối đơn là muối của các axit vô cơ hòa tan nhiều trong nước và phân ly hoàn toàn trong dung dịch thành các ion tự

do Ở dung dịch này, phân cực nồng độ và phân cực hóa học không lớn lắm nên lớp mạ thu được thô, to, dày mỏng không đều Mặt khác, dung dịch muối đơn

cho hiệu suất dòng điện cao, và càng cao khi mật độ dòng lớn Thường được dùng để mạ những chi tiết có hình thù đơn giản như dạng tấm, dạng hộp…

Dung dịch muối phức được tạo thành khi pha chế dung dịch từ các thành phần ban đầu, ion kim loại mạ sẽ tạo phức, hoạt độ của ion kim loại tự do giảm

đi rất nhiều Do đó điện thế tiêu chuẩn dịch về phía âm rất nhiều, điều này giúp cho lớp mạ mịn, phủ kín, dày đều… được dùng để mạ các chi tiết có hình thù phức tạp

Để tăng độ dẫn điện cho dung dịch, người ta thường pha thêm các chất điện giải trơ Các chất này không tham gia vào quá trình catot và anot mà chỉ đóng vai trò chuyển điện tích trong dung dịch, làm giảm điện thế bể mạ Các chất điện giải thường dùng là Na2SO4, H2SO4, Na2CO3…

Để ổn định độ pH cho dung dịch mạ, người ta cần phải thêm vào dung dịch chất đệm pH thích hợp để tạo môi trường thích hợp nhất làm cho lớp mạ thu được có chất lượng tốt hơn

2.2.3 Gia công bề mặt kim loại trước khi mạ [13]

2.2.3.1 Gia công cơ học

Gia công cơ học là quá trình giúp cho bề mặt vật mạ có độ đồng đều và độ nhẵn cao, giúp cho lớp mạ bám chắc và đẹp Người ta có thể thực hiện gia công cơ học bằng nhiều cách: mài, đánh bóng (là quá trình mài tinh), quay xóc đối với các vật nhỏ, chải, phun tia cát hoặc tia nước dưới áp suất cao Quá trình gia công cơ học làm lớp kim loại bề mặt có thể bị biến dạng, làm giảm độ gắn bám của lớp mạ sau này Vì vậy trước khi mạ cần phải hoạt hóa bề mặt trong axit loãng rồi đem mạ ngay

2.2.3.2 Tẩy dầu mỡ

Bề mặt kim loại sau nhiều công đoạn sản xuất cơ khí, thường dính dầu mỡ, dù rất mỏng cũng đủ để làm cho bề mặt trở nên kị nước, không tiếp xúc

được với dung dịch tẩy, dung dịch mạ… Có thể tiến hành tẩy dầu mỡ bằng các cách sau:

+ Tẩy trong dung môi hữu cơ như tricloetylen (C2HCl3), cacbontetraclorua (CCl4)… chúng có đặc điểm là hòa tan tốt nhiều loại chất béo, không ăn mòn kim loại, không bắt lửa Tuy nhiên, sau khi dung môi bay hơi, trên bề mặt kim loại vẫn còn dính lại lớp màng dầu mỡ rất mỏng nên không sạch, cần phải tẩy tiếp trong dung dịch kiềm

+ Tẩy trong dung dịch kiềm nóng NaOH có bổ sung thêm một số chất nhũ tương hóa như Na2SiO3, Na3PO4… Với các chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật sẽ tham gia phản ứng xà phòng hóa với NaOH và bị tách ra khỏi bề mặt Với những loại dầu mỡ khoáng vật thì sẽ bị tách ra dưới tác dụng nhũ tương hóa của

Na2SiO3

+ Tẩy trong dung dịch kiềm bằng phương pháp điện hóa, dưới tác dụng của dòng điện, oxy và hidro thoát ra có tác dụng cuốn theo các hạt mỡ bám vào bề mặt, tẩy bằng phương pháp này dung dịch kiềm chỉ cần pha loãng hơn so với tẩy hóa học đã đạt hiệu quả

+ Tẩy dầu mỡ siêu âm là dùng sóng siêu âm với tần số dao động lớn tác dụng lên bề mặt kim loại, những rung động mạnh sẽ giúp lớp dầu mỡ tách ra dễ dàng hơn

2.2.3.3 Tẩy gỉ

Bề mặt kim loại nền thường phủ một lớp oxit dày, gọi là gỉ Tẩy gỉ hóa học cho kim loại đen thường dùng axit loãng H2SO4 hay HCl hoặc hỗn hợp của chúng Khi tẩy thường diễn ra đồng thời 2 quá trình: hòa tan oxit và kim loại nền

Tẩy gỉ điện hóa là tẩy gỉ hóa học đồng thời có sự tham gia của dòng điện Có thể tiến hành tẩy gỉ catot hoặc tẩy gỉ anot Tẩy gỉ anot lớp bề mặt sẽ rất sạch

và hơi nhám nên lớp mạ sẽ gắn bám rất tốt Tẩy gỉ catot sẽ sinh ra H, có tác dụng khử một phần oxit Hidro sinh ra còn góp phần làm tơi cơ học màng oxit và nó sẽ bị bong ra

2.2.3.4 Tẩy bóng điện hóa và hóa học

Tẩy bóng điện hóa cho độ bóng cao hơn gia công cơ học, lớp mạ gắn bám tốt, tinh thể nhỏ, ít lỗ thủng Do tốc độ hòa tan của phần lồi lớn hơn của phần lõm nên bề mặt được san bằng và trở nên nhẵn bóng Cơ chế tẩy bóng hóa học cũng giống tẩy bóng điện hóa Khi tẩy bóng hóa học cũng xuất hiện lớp màng mỏng cản trở hoặc kìm hãm tác dụng xâm thực của dung dịch lên kim loại tại chỗ lõm

2.2.3.5 Tẩy nhẹ

Tẩy nhẹ hay còn gọi là hoạt hóa bề mặt, nhằm lấy đi lớp oxit rất mỏng, không nhìn thấy được, tẩy nhẹ được thực hiện ngay trước khi mạ Khi tẩy nhẹ xong, cấu trúc tinh thể của nền bị lộ ra, độ gắn bám sẽ tăng lên

2.2.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến một phản ứng điện hóa [15]

Phản ứng điện hóa xảy ra nhanh, chậm, dễ hay khó phụ thuộc vào:

2.2.4.1 Dung dịch khảo sát

- Bản chất, nồng độ, dạng chất khảo sát (tự do hay phức)

- Bản chất, nồng độ của các thành phần khác cùng tồn tại (khả năng điện

li, hoạt động bề mặt)

- Hiện tượng đối lưu trong dung dịch phụ thuộc nhiệt độ

- Hiện tượng điện di phụ thuộc điện trường

- Hiện tượng khuếch tán do sự phân cực nồng độ

2.2.4.2 Điện cực

- Bản chất kim loại làm điện cực (Pt, Au, Ag, Cu, C…)

- Hình dạng: phẳng hoặc lưới, thanh

- Điều kiện làm việc (hiệu điện thế, mật độ dòng…)

2.2.4.3 Sản phẩm tạo thành

- Bản chất sản phẩm

- Dạng sản phẩm (rắn, lỏng, khí)

- Mức độ tạo thành sản phẩm từ dễ đến khó

2.2.5 Định luật Faraday về điện phân

Định luật Faraday về điện phân nói về mối quan hệ định lượng dựa trên các nghiên cứu điện hóa học được công bố bởi Faraday

2.2.5.1 Phát biểu định luật

- Định luật 1: Khối lượng của chất được giải phóng ra ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ với điện lượng chạy qua bình đó

- Định luật 2: Đương lượng điện hóa của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam của nguyên tố đó

2.2.5.2 Biểu thức định luật

(2.7) Trong đó:

+ m là khối lượng chất giải phóng ở một điện cực (g)

+ I là cường dộ dòng điện (A)

+ t là thời gian điện phân (s)

+ F = 96500 C/mol là hằng số Faraday

+A là nguyên tử lượng của chất được giải phóng ở một điện cực (g/mol) + n là hóa trị của các ion trong khối chất

Trong biểu thức A, F, n là các hằng số

n

ItFA

m

2.3 Lý thuyết về phân tích phổ Alpha sử dụng hệ phổ kế Alpha Analyst [1], [2], [5], [20]

Hình 2.1: Hệ phổ kế Alpha ở Bộ môn Vật lý hạt nhân

2.3.1 Tiện ích

Hệ đo Alpha Analyst là thiết bị đo hiện đại do hãng CANBERRA sản xuất, giúp ta khảo sát các mẫu phóng xạ alpha dễ dàng, tiết kiệm thời gian nhưng cho kết quả chính xác Hình ảnh ghi nhận được của hệ đo cho ta lời giải thích đơn giản, đầy đủ và ngắn gọn để giải thích các lý thuyết phức tạp về phổ Alpha Tính chất của hệ Alpha Analyst là đo hạt alpha trong miền năng lượng thấp nên nó phù hợp với các mẫu môi trường phát alpha

Các thao tác của quá trình đo, phân tích và xử lý chủ yếu thực hiện trên máy tính thông qua phần mềm ứng dụng Genie-2000 Alpha Acquisition & Analysis Với điều kiện mẫu đo phóng xạ alpha đã được chuẩn bị tốt trước khi đưa vào hệ đo Alpha Analyst, mẫu được bảo vệ an toàn trong buồng chân không, đảm bảo số hạt alpha phát ra từ mẫu bằng với số hạt alpha detector thu nhận được Hệ đo Alpha Analyst là thiết bị ghi nhận alpha với hiệu suất cao