Tìm hiểu và thiết lập đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt

Phương pháp nhấp nháy lỏng được áp dụng rộng rãi để định tính và định lượng trong khoa học đời sống nói chung và nghiên cứu môi trường nói riêng. Đồng vị phóng xạ 3H và 14C trong môi trường thường có nồng độ rất thấp, vì vậy nhấp nháy lỏng là một trong những phương pháp tối ưu có thể áp dụng đo nồng độ của hai đồng vị này. Phương pháp nhấp nháy lỏng ghi đo bức xạ dựa vào tính chất đặc trưng của các chất nhấp nháy, chúng có khả năng tiếp nhận năng lượng bức xạ từ mẫu môi trường và phát ra photon, sau đó photon sinh ra có thể được ghi nhận thông qua ống nhân quang (Photomultiplier Tube, hay PMT). Do đó, chúng ta có thể xác định được nồng độ của 3H và 14C trong các đối tượng mẫu môi trường khác nhau.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC HÌNH ẢNH 10

MỞ ĐẦU 11

Phần I Tổng quan 13

1 Nguồn gốc, hàm lượng của H và 3 14 C 13

1.1 Nguồn gốc và hàm lượng của 3 H trong tự nhiên 13

1.1.1 Nguồn gốc 13

1.1.2 Hàm lượng 3 H trong môi trường và trong nước ngầm 13

1.2 Nguồn gốc và hàm lượng của 14 C trong tự nhiên 15

1.2.1 Nguồn gốc 15

1.2.2 Hàm lượng của 14 C trong các thành phần môi trường 16

1.2.3 Hàm lượng 14 C trong rượu làm từ gạo 18

2 Phương pháp nhấp nháy rắn và nhấp nháy lỏng 18

3 Dung môi và chất hòa tan 21

4 Cơ chế sinh β và phổ β 23

5 Các quá trình diễn ra bên trong dung dịch nhấp nháy 24

5.1 Sự kích thích của phân tử dung môi 26

5.2 Sự truyền năng lượng giữa các phân tử dung môi 26

5.3 Sự truyền năng lượng từ dung môi sang chất hòa tan 27

5.4 Sự truyền năng lượng giữa chất hòa tan và chất hòa tan 28

5.5 Sự phát quang của chất hòa tan 28

6 Cơ chế hình thành xung đầu ra và lọc nhiễu của ống PMT 29

6.1 Ống PMT và quá trình hình thành xung đầu ra 29

6.2 Cơ chế lọc nhiễu và cộng xung 31

7 Hiệu ứng dập tắt trong LSC 32

7.1 Hiệu ứng dập tắt và ảnh hưởng 32

7.2 Các dạng hiệu ứng dập tắt và cơ chế 35

8 Phông trong LSC 37

8.1 Phông phóng xạ 37

8.2 Phông trùng phùng 38

8.3 Phông do ghi chéo 38

9 Các phương pháp đo đạc 3 H và 14 C sử dụng đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt 38

9.1 Phương pháp tỷ số kênh là hằng số (SCCR) 39

9.2 Phương pháp tỷ số kênh dựa vào chuẩn ngoại (ESCR) 41

Phần II Thực nghiệm 45

1 Hệ máy ALOKA LSC 6100 Hoạt động của hệ máy 45

2 Các thực nghiệm 47

2.1 Xây dựng đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt cho 3 H và 14 C 47

2.2 Pha loãng các mẫu 3 H nồng độ khác nhau để kiểm nghiệm sự ảnh hưởng của nồng độ tới độ chính xác của kết quả đo 3 H theo hai phương pháp ESCR và SCCR 48 2.3 Đo hai mẫu 3 H biết trước nồng độ để đánh giá các ngưỡng giới hạn cho việc đo đạc 3 H bằng hệ máy ALOKA LSC 6100 49

2.4 Pha loãng các mẫu 14 C nồng độ khác nhau để kiểm nghiệm sự ảnh hưởng của nồng độ tới độ chính xác của kết quả đo 14 C theo hai phương pháp ESCR và SCCR 49 2.5 Đo hai mẫu 14 C biết trước nồng độ để đánh giá ngưỡng giới hạn cho việc đo đạc C bằng hệ máy ALOKA LSC 6100 14 50 2.6 Đo nồng độ của 3 H trong mẫu nước ngầm 50

2.6.1 Mẫu nước ngầm được làm giàu 51

2.6.2 Chuẩn bị mẫu đo đạc 52

2.7 Đo nồng độ của 14 C trong mẫu rượu Nếp mới 53

Phần III Kết quả xử lý số liệu và thảo luận 54

1 Kết quả xây dựng đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt cho 3 H và 14 C 54

1.1 Đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt cho H 3 54 1.2 Đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt cho C 14 56 2. Kết quả đo đạc các mẫu 3 H được pha loãng với nồng độ khác nhau để kiểm nghiệm sự ảnh hưởng của nồng độ tới độ chính xác của kết quả đo 3 H theo hai phương pháp ESCR và SCCR 58

3. Kết quả đo hai mẫu 3 H biết trước nồng độ để đánh giá các ngưỡng giới hạn cho việc đo đạc 3 H bằng hệ máy ALOKA LSC 6100 61

4. Kết quả đo đạc các mẫu 14 C được pha loãng với nồng độ khác nhau để kiểm nghiệm sự ảnh hưởng của nồng độ tới độ chính xác của kết quả đo 14 C theo hai phương pháp ESCR và SCCR 63

5. Kết quả đo hai mẫu 14 C biết trước nồng độ để đánh giá ngưỡng giới hạn cho việc đo đạc 14 C bằng hệ máy ALOKA LSC 6100 66

6 Kết quả đo nồng độ của 3 H trong mẫu nước ngầm 67

7 Kết quả đo nồng độ của 14 C trong mẫu rượu Nếp mới 69

KẾT LUẬN 72

Tài liệu tham khảo 75

MỞ ĐẦU

Trong nghiên cứu môi trường, mẫu cần phân tích thường chứa các thành phầnkhác nhau Cụ thể hơn, mẫu môi trường nước nói riêng và chất lỏng nói chung luôn tồntại các đồng vị phóng xạ với hoạt độ thấp Những đồng vị phát phóng xạ ß năng lượngthấp mà chúng ta nên quan tâm là 3H và 14C, vì việc xác định nồng độ (theo đơn vịBq/ml) của hai đồng vị này trong môi trường chất lỏng đã được ứng dụng cho các lĩnhvực như an toàn sử dụng đồng vị phóng xạ trong y tế, nghiên cứu môi trường, khảo cổhay nghiên cứu địa chất Khóa luận này sẽ trình bày quá trình xác định nồng độ 3Htrong mẫu nước ngầm và 14C trong mẫu rượu Nếp mới bằng phương pháp nhấp nháylỏng (Liquid scintillation counting, hay LSC)

Phương pháp nhấp nháy lỏng được áp dụng rộng rãi để định tính và định lượngtrong khoa học đời sống nói chung và nghiên cứu môi trường nói riêng Đồng vị phóng

xạ 3H và 14C trong môi trường thường có nồng độ rất thấp, vì vậy nhấp nháy lỏng làmột trong những phương pháp tối ưu có thể áp dụng đo nồng độ của hai đồng vị này.Phương pháp nhấp nháy lỏng ghi đo bức xạ dựa vào tính chất đặc trưng của các chấtnhấp nháy, chúng có khả năng tiếp nhận năng lượng bức xạ từ mẫu môi trường và phát

ra photon, sau đó photon sinh ra có thể được ghi nhận thông qua ống nhân quang(Photomultiplier Tube, hay PMT) Do đó, chúng ta có thể xác định được nồng độ của3

H và 14C trong các đối tượng mẫu môi trường khác nhau

Ưu điểm của kỹ thuật này là hiệu suất ghi cao và thường được sử dụng để xácđịnh nồng độ các đồng vị phát ß trong tự nhiên, như 3H và 14C Tuy nhiên, “hiệu ứngdập tắt” được quan tâm đặc biệt trong kỹ thuật này vì nó ảnh hưởng tới hiệu suất ghinhận tín hiệu xung và kết quả phân tích Vì vậy, khóa luận này sẽ đo đạc các bộ chuẩndập tắt của 3H và 14C để xây dựng đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt, làm cơ sở

để xác định mối quan hệ giữa mức độ dập tắt và hiệu suất ghi nhận tín hiệu, từ đó xácđịnh được nồng độ của hai đồng vị phóng xạ cần quan tâm có trong mẫu chất lỏng

Việc xác định nồng độ của đồng vị phóng xạ quan tâm dựa vào 2 phương pháp

là ESCR và SCCR Về bản chất, khác với phương pháp ESCR, phương pháp SCCRcho kết quả chính xác khi nồng độ của các đồng vị cần xác định tương đối cao Do đó,

11

thực nghiệm đã tiến hành đo các mẫu 3H và 14C có nồng độ khác nhau để tìm rangưỡng giới hạn nồng độ mà phương pháp SCCR trở nên thiếu chính xác hơn so vớiphương pháp ESCR trong với việc đo 3H và 14C Từ đó, có thể lựa chọn được phươngpháp phù hợp nhất cho việc xác định nồng độ của 3H trong mẫu nước ngầm và 14Ctrong mẫu rượu Nếp mới.

Phần I Tổng quan

1 Nguồn gốc, hàm lượng của 3 H và 14 C

1.1 Nguồn gốc và hàm lượng của 3 H trong tự nhiên

1.1.1 Nguồn gốc

3

H (hay Tritium) là một đồng vị phóng xạ tự nhiên của Hydro 3H được sinh ratrong tự nhiên ở tầng trên của khí quyển (phần trên tầng đối lưu và phần dưới tầng bìnhlưu) khi các neutron nhanh (được sản sinh bởi các phản ứng từ tia vũ trụ sơ cấp) tươngtác với nitơ:

14

N + n → 3H + 12C14

N + n → 3 4He + 3H3

H là đồng vị phát β thuần túy với thời gian bán rã 12,32 năm, tia β phát ra cónăng lượng cực đại là 18 keV và năng lượng trung bình là 5,7 keV 3H phân rã theo sơ

đồ sau để tạo thành 3He và phát ra β cùng với một phản neutrino

3H → 3He + β +

3

H cũng được sinh ra từ các vụ thử vũ khí hạt nhân và các lò phản ứng hạt nhânthương mại Nguồn 3H từ các hoạt động của con người bao gồm phóng xạ từ các vụthử nghiệm vũ khí hạt nhân, lò phản ứng hạt nhân, quá trình tái sinh nhiên liệu trong lòphản ứng, cơ sở sản xuất nước nặng và sản phẩm thương mại dùng 3H để chẩn đoántrong y tế, dược phẩm phóng xạ…

Trong nghiên cứu và đo đạc 3H, nồng độ của 3H thường được đo theo đơn vị TU(Tritium Unit) Trong đó, 1 TU bằng khoảng 0,119 Bq/L, hay 1 Bq/L = 8,47 TU

1.1.2 Hàm lượng 3 H trong môi trường và trong nước ngầm

Dạng thường gặp nhất của 3H trong tự nhiên là nước 3HHO (hay còn gọi làHTO), vì cả 3H phóng xạ và nguyên tử hydro bình thường đều có tương tác tương tựnhư nhau với oxy để tạo thành nước 3H thay thế một nguyên tử hydro ổn định trongphân tử nước, để tạo thành HTO, không màu và không mùi HTO sau đó sẽ tham giavào chu trình nước tự nhiên của Trái Đất

3

H được xem là đồng vị phóng xạ quan trọng nhất trong việc nghiên cứu hồ, đại

dương và nước ngầm Trước khi có lượng 3H cực lớn phát tán vào khí quyển từ cáchoạt động thử nghiệm vũ khí hạt nhân của con người, các nhà khoa học đo đạc và ướctính phông tự nhiên của 3H trước các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân là vào khoảng 5

TU tại trung tâm Châu Âu (S Kaufman & W F Libby, 1954; H Craig & D Lal, 1961;

D Lal & B Peters, 1962; W Roether, 1967) Trong những năm đầu thập niên 60, khiảnh hưởng từ các vũ thử vũ khí hạt nhân đã đạt tới đỉnh điểm, nồng độ 3H cao nhấttrong nước mưa đo được tại Ottawa vào khoảng 5000 TU (600 Bq/L) vào năm 1963(R D Mutch Jr & J D Mahony, 2008) Do các vụ thử vũ khí chủ yếu ở bán cầu Bắc,nên tới tận ngày nay, vẫn có sự bất đối xứng trong sự phân bố 3H giữa hai bán cầu.Phông 3H trong nước mưa tự nhiên ở Bắc bán cầu sau khi kết thúc chiến tranh lạnhnằm trong khoảng vài trăm tới vài ngàn TU (G T Cook, Ch J Passo, & B Carter,1995)., tùy thuộc vào địa điểm ở Bắc bán cầu và thường gia tăng theo vĩ độ

Phông nền tự nhiên của 3H trong nước ngầm phụ thuộc vào độ sâu nơi nướcngầm được lấy mẫu, vì tritium được đưa vào khí quyển trong thời hiện đại sẽ cao hơn

so với thời xưa Mức 3H toàn cầu và sự tạo thành HTO bắt đầu gia tăng từ những năm

1950 và đạt đỉnh vào năm 1963 do hậu quả từ các vũ thử nghiệm hạt nhân

Hình 1 Sự thâm nhập của 3H trong nước mưa vào nước ngầm

Vì nồng độ 3H trong nước ngầm thường liên quan trực tiếp tới nồng độ 3H trongnước mưa, nên nồng độ của 3H trong nước ngầm thường có giá trị cao nhất ở những độsâu tương ứng với thời điểm năm 1963 Ví dụ như trong nghiên cứu của K.Miyamoto,

K.-I Kimura, & S Hongo (1995) về nồng độ 3H thời kì chiến tranh Lạnh cho thấy, ởNhật Bản, nồng độ 3H cao nhất trong nước mưa là 847 TU (100 Bq/L) vào năm 1963

và tương ứng với nó, nồng độ 3H cao nhất trong nước ngầm là 508 TU (60 Bq/L) vàonăm 1964 Một nghiên cứu khác, được thực hiện bởi R Lin & K Wei (2006) cho thấy

ở Trung Quốc, nồng độ 3H trong mẫu nước ngầm lấy từ năm 1968 có giá trị cao nhất,vào khoảng 560 TU (66 Bq/L) ở độ sâu 6-7 m, cho thấy dấu hiệu của phóng xạ từ các

vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân thời chiến tranh lạnh Nhìn chung, nồng độ 3H trongnước ngầm sau khi chiến tranh lạnh kết thúc thường nằm trong khoảng từ 20 cho tớivài trăm TU (G T Cook, Ch J Passo, & B Carter, 1995) Theo khuyến cáo

của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) vào năm 2011, mức an toàn của 3H trong nước uốngkhông được vượt quá ngưỡng 10000 Bq/L

1.2 Nguồn gốc và hàm lượng của 14 C trong tự nhiên

1.2.1 Nguồn gốc

Carbon 14 (14C) là một đồng vị phóng xạ của carbon có mặt với một lượng cựcnhỏ trong khí quyển 14C được tạo thành trong tự nhiên thông qua phản ứng hạt nhânsau:

14

N + n → 14C + pNeutron nhiệt trong tương tác này (với năng lượng nằm trong khoảng từ 0,4 tới1,6 MeV) được sản sinh bởi các phản ứng giữa tia vũ trụ sơ cấp và các phân tử trongkhí quyển 14C sau khi được tạo thành sẽ tương tác với oxy trong khí quyển để hìnhthành 14CO2, và hòa trộn vào với các phân tử CO2 không chứa 14C trong khí quyển.Thông qua sự trao đổi với đại dương (hòa tan thành dạng HCO3 2-

và CO3

là chủ yếu),hầu hết phân tử 14CO2 đi vào trong đại dương và trong cơ thể các sinh vật sống dướiđại dương 14CO2 cũng đồng thời đi vào các loại thực vật trên cạn trong quá trìnhquang hợp, do đó toàn bộ các sinh vật sống, cả thực vật lẫn động vật, đều có 14C trong

cơ thể Sự hình thành và phân bố của 14C trong tự nhiên diễn ra thông qua một chuỗicác tiến trình hóa học và sinh học cố định trong suốt chiều dài lịch sử địa chất của TráiĐất Do đó, hoạt độ riêng của carbon trong khí quyển và trong các vật chất hữu cơ sẽđạt tới mức cân bằng và được giữ ổn định bởi chu trình carbon

14

C phân rã thông qua phương trình:

1.2.2 Hàm lượng của 14 C trong các thành phần môi trường

Trong môi trường khô, hoạt độ riêng của 14C trong các thành phần môi trườngcân bằng với hoạt độ riêng của CO2 trong môi trường Hoạt độ riêng của 14C trong cácthành phần sinh học của môi trường trên cạn đạt tới giá trị tối đa (khoảng hơn 400Bq/kg carbon) (theo Roussel-Debet & Claval, 2010) trong những năm giữa thập niên

1960, do tác động từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân

Hình 2 Hoạt độ 14C (Bq/kg carbon) trong môi trường trên cạn

Hoạt độ riêng của 14C từ sau thập niên 60 dần dần giảm xuống (khoảng 0,5%mỗi năm) do các vụ thử vũ khí hạt nhân ít xảy ra hơn và sự gia tăng liên tục của CO2

không chứa 14C từ nhiên liệu hóa thạch (dầu, than, khí gas) Ngày nay, hoạt độ riêngcủa 14C trong các thành tố sinh học trên cạn vào khoảng 248 Bq/kg carbon (năm 2009),rất gần với giá trị năm 1950 (226 Bq/kg carbon), thời điểm trước khi các vụ thửnghiệm hạt nhân diễn ra (theo Roussel-Debet & Claval, 2010)

Trong đất và môi trường trên cạn, carbon có thể tồn tại ở các dạng CO2, CO3

2-,HCO3 -

, phụ thuộc vào độ pH và lượng ion Ca2+ Carbon thâm nhập vào thực vật trêncạn thông qua hai con đường chính là sự hấp thụ các ion có chứa carbon của rễ và quátrình quang hợp của lá Sự hấp thụ các ion CO3 2-

của rễ cây chỉ chiếm khoảng 5% tổngcarbon được cây hấp thụ Do vậy, hầu hết carbon được hấp thụ vào cây bởi lá thôngqua quá trình quang hợp Với động vật trên cạn, khoảng 99% carbon được đưa vào cơthể thông qua quá trình tiêu hóa thực vật Carbon từ việc thở hay từ nước uống chiếmmột lượng không đáng kể

Dựa vào hoạt độ riêng và % của carbon trong các môi trường (không khí, câycối, động vật và các sản phẩm thức ăn), hoạt độ của 14C trong một số loại thực phẩm cóthể được ước chừng như trong hình 3 (theo P Renaud, 2010) Sản phẩm chứa nhiềucarbon (đường, dầu, lúa mạch…), hoạt độ 14C sẽ càng cao Theo khuyến cáo của Tổchức Y tế Thế giới (WHO) vào năm 2011, mức an toàn của 14C trong nước uống khôngđược vượt quá ngưỡng 100 Bq/L

Hình 3 Hàm lượng 14C trên 1 kg khối lượng các loại thực phẩm thông dụng

1.2.3 Hàm lượng 14 C trong rượu làm từ gạo

Các loại rượu có nguồn gốc từ gạo, sẽ có chứa một hàm lượng 14C nhất định.Lượng 14C này là do ethanol tự nhiên có mặt trong các loại gạo dùng để làm rượu.Thông thường, ethanol tự nhiên sẽ được tạo ra từ quá trình chuyển đổi sinh học các loạiđường (như glucose, fructose, sucrose) thành năng lượng dạng ATP cho các tế bào hoạtđộng ở thực vật, và tạo ra sản phẩm phụ là ethanol và CO2 Các loại rượu từ gạothường có chứa ethanol và sẽ có hàm lượng 14C nhất định, vào khoảng 0,27 Bq/gcarbon (theo P Majerová, B Fišer, & L Lešetický, 2002) Tùy vào tỷ lệ ethanol tựnhiên có trong từng loại rượu làm từ gạo mà hàm lượng 14C sẽ khác nhau Dưới đây làbảng so sánh hàm lượng 14C trong một số loại rượu có chứa ethanol tự nhiên sản xuấttại Nga

Bảng 1: Hàm lượng 14C trong một số loại rượu sản xuất ở Nga (Bq/g carbon)

Tên loại rượu và nhà sản xuất ethanol (%) Hàm lượng Hàm lượng (Bq/g carbon) 14 C

2 Phương pháp nhấp nháy rắn và nhấp nháy lỏng

Chất nhấp nháy là một dạng vật chất có khả năng chuyển đổi năng lượng từ cácdạng phóng xạ (như phóng xạ β do 3H và 14C phát ra) thành năng lượng ánh sáng hayphoton Trong phép đo đạc phóng xạ β, có hai loại chất nhấp nháy thường được sửdụng, đó là:

 Chất nhấp nháy rắn: chất chuyển đổi năng lượng là một tinh thể, ví dụ như NaI(Tl)

 Chất nhấp nháy lỏng: chất chuyển đổi năng lượng là phân tử của một hợp chấthữu cơ được hòa tan vào trong dung dịch, hoặc là các phân tử của chất nhấpnháy ở dạng dung dịch

Với trường hợp của chất nhấp nháy rắn, mẫu (chứa nguồn phát phóng xạ) đượcđặt tách biệt so với chất nhấp nháy Phóng xạ khi đập vào chất nhấp nháy sẽ đượcchuyển đổi thành ánh sáng hay các photon Các photon này sẽ được ghi nhận bởi thiết

bị gọi là ống nhân quang (PMT), và được chuyển đổi thành xung điện (cơ chế sẽ đượcgiải thích ở các phần sau) Một khái niệm cần lưu ý trong quá trình ghi nhận phóng xạ,

là khái niệm về hiệu suất ghi E Hiệu suất ghi được mô tả theo công thức sau:

=

Tốc độ đếm

× 100%

Hoạt độ

Trong đó, E tính theo %, tốc độ đếm được tính theo cpm (count per minute, hay

số đếm trên phút), và hoạt độ được tính theo dpm (disintegration per minute, hay sốphân rã trên phút) Trong phương pháp nhấp nháy rắn, do nguồn phát phóng xạ và chấtnhấp nháy được đặt tách biệt với nhau, nên chỉ có một phần nhỏ phóng xạ phát ra từnguồn đi tới được chất nhấp nháy, còn lại đa phần phóng xạ sẽ phát tán đi khắp cáchướng Vì vậy, hiệu suất ghi E trong trường hợp đo hoạt độ bằng nhấp nháy rắn sẽ rấtthấp (khoảng 10%) Hình 4 mô tả hệ đo phóng xạ sử dụng nhấp nháy rắn

Hình 4 Hệ đo phóng xạ sử dụng nhấp nháy rắnVới phương pháp đo nhấp nháy lỏng, mẫu (chứa phóng xạ) sẽ được hòa tanchung với dung dịch nhấp nháy lỏng để tạo thành một dung dịch đồng nhất trong lọbằng thủy tinh hay nhựa polyethylen Thế nên, mỗi nhân phát phóng xạ sẽ được baoquanh bởi các phân tử dung môi và phân tử nhấp nháy Vì vậy hầu hết các phóng xạphát ra từ nguồn sẽ trực tiếp tới được các phân tử nhấp nháy hoặc gián tiếp thông quaphân tử dung môi, lượng photon sinh ra từ việc chuyển hóa năng lượng bức xạ thànhnăng lượng ánh sáng (hay photon) sẽ tăng lên Các photon được sinh ra từ chất nhấp

nháy sẽ vượt ra khỏi lọ mẫu và đến hai ống PMT được đặt ở hai bên lọ.

Hình 5 Hệ đo phóng xạ sử dụng dung dịch nhấp nháy lỏng

Vì nhân phóng xạ và chất nhấp nháy được trộn với nhau trong một hỗn hợpđồng nhất, nên hiệu suất ghi của nhấp nháy lỏng sẽ cao hơn nhiều so với trường hợpnhấp nháy rắn Trong thực nghiệm, hiệu suất ghi của nhấp nháy lỏng với 3H có thể lêntới gần 60%, và 14C có thể lên tới trên 90%

Hình 6 cho thấy mối quan hệ giữa năng lượng cực đại của tia β và hiệu suất ghitrong trường hợp đo bằng hệ nhấp nháy lỏng Với các đồng vị phóng xạ phát β nănglượng cao hơn 14C, hiệu suất ghi của chúng hầu như giống nhau Tuy vậy, kể cả vớiđồng vị phát β có năng lượng cao như 32P, hiệu suất ghi cũng không thể nào đạt đượctới 100%

Hình 6 Quan hệ giữa năng lượng cực đại của tia β và hiệu suất ghi của một số đồng vị

phóng xạ phát β trong trường hợp đo bằng hệ nhấp nháy lỏng

Tuy nhiên, điểm bất lợi của phương pháp đo bằng nhấp nháy lỏng (LSC) là hiệuứng dập tắt Hiệu ứng này sẽ làm suy giảm lượng ánh sáng (hay photon) phát ra từ chấtnhấp nháy do nhiều nguyên nhân khác nhau Vì vậy, khi sử dụng phương pháp LSC, tacần phải tìm cách xử lý hoặc hạn chế hiệu ứng dập tắt để có thể thu được kết quả đođạc chính xác nhất.

3 Dung môi và chất hòa tan

Dung dịch chứa chất nhấp nháy có tác dụng chuyển đổi năng lượng phóng xạ βthành ánh sáng (hay photon) Chất nhấp nháy dùng cho dung dịch này bao gồm chấtnhấp nháy sơ cấp (PPO) và chất nhấp nháy thứ cấp (POPOP), và phải được hòa tan vàotrong dung môi phù hợp Do chất nhấp nháy được hòa tan vào trong dung môi, nó đượcgọi là “chất hòa tan” Vì thế, một dung dịch mẫu trong LSC thường bao gồm mẫu chứahạt nhân phóng xạ, chất hòa tan (chất nhấp nháy) và dung môi Điều quan trọng nhất làcác chất này phải tạo nên một dung dịch đồng nhất

Trong suốt chiều dài lịch sử, đã có nhiều chất hóa học được thử nghiệm để làmdung môi và chất nhấp nháy trong LSC, nhưng hiện tại chỉ có một vài chất thích hợp

để làm dung môi và chất nhấp nháy Tính chất của các dung môi điển hình (toluene vàxylene) và chất nhấp nháy (PPO và POPOP) được mô tả trong bảng dưới:

Bảng 2 Phổ hấp thụ và phát xạ của một số dung môi và chất nhấp nháy thường dùng

(nm), λ max* λ max * λ mean **

 Phổ hấp thụ của dung môi không bao giờ được trùng lấp với phổ phát xạ củachất hòa tan (chất nhấp nháy) Nếu phổ của chúng trùng lên nhau, photon phát

ra từ chất hòa tan sẽ bị hấp thụ một phần bởi dung môi, làm giảm hiệu suất ghi.Hình 7 cho thấy một ví dụ điển hình, trong đó phổ hấp thụ của dung môi toluene

và xylene nằm tách biệt với phổ phát xạ của chất hòa tan PPO

 Cả đồng vị phóng xạ và chất hòa tan cần phải hòa tan được trong dung môi đểtạo nên dung dịch đồng nhất Việc lựa chọn chất hòa tan và dung môi phù hợp

sẽ góp phần làm tăng hiệu suất ghi

 Dung môi phải có độ tinh khiết cao

Hình 7 So sánh phổ hấp thụ của 2 dung môi toluene và xylene và phổ phát xạ của chất

nhấp nháy PPOMặt khác, chất hòa tan (chất nhấp nháy) phải thỏa mãn một số điều kiện sau

 Hiệu suất phát huỳnh quang phải lớn Hiệu suất phát huỳnh quang được định nghĩa theo công thức sau:

Hiệu suất phát huỳnh quang = Số phân tử phát huỳnh quang

Số phân tử ở trang thái kích thích

 Thời gian kích thích phát huỳnh quang ngắn

 Sự dịch chuyển Stokes (sự khác biệt trong bước sóng giữa phổ hấp thụ và phổ phát xạ của chất hòa tan để tránh sự trùng lấp phổ) phải lớn

 Độ hòa tan trong dung môi phải lớn

4 Cơ chế sinh β và phổ β

Nguyên tử của một nguyên tố trung hòa về điện khi số electron bằng số proton

Sự chênh lệch giữa số proton và neutron trong hạt nhân làm cho nguyên tử chuyểnsang trạng thái không bền và tự động sắp xếp lại thông qua quá trình phân rã phóng xạhay giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt Một trong những phân rã phóng xạ thườnggặp là phân rã β Trong phân rã β, neutron (n) biến đổi thành proton (p), đồng thời một

cặp β (e - ) và phản neutrino ( ) được tạo ra:

n → p + e - +

Tổng năng lượng E được giải phóng thông qua sự phân rã sẽ là một hằng số vàđặc trưng cho từng hạt nhân Tổng năng lượng E này sẽ được chia ra cho tia β và phảnneutrino

E = năng lượng β + năng lượng

Tuy nhiên, phản neutrino sẽ không gây ảnh hưởng gì trong LSC Do vậy, ta chỉcần quan tâm tới phóng xạ β Xét trường hợp hạt nhân phóng xạ 3H, tổng năng lượngcủa quá trình phân rã β là 18,6 keV sẽ được phân bổ cho tia β và phản neutrino Nếu β

có năng lượng 18,6 keV, năng lượng của phản neutrino sẽ bằng 0 Nếu β có năng lượng

0, năng lượng của phản neutrino sẽ là 18,6 keV Vì vậy, tia β có năng lượng nằm giữakhoảng 0 tới 18,6 keV, nên phân bố năng lượng của β sẽ là liên tục như trong hình 8

Tuy vậy, trong LSC, vùng năng lượng thấp của phổ β chắc chắn sẽ bị cắt đi vàkhông được ghi nhận Điều này xảy ra do 2 nguyên nhân:

 Ngưỡng năng lượng: để một tia β có thể sản sinh ra photon trong dung dịchnhấp nháy, các phân tử dung môi và chất nhấp nháy cần được kích thích lênmức năng lượng cao hơn, vì vậy năng lượng tia β cần phải đạt tới một giá trịnhất định để làm được điều này Giá trị ngưỡng năng lượng cần thiết của tia β đểsản sinh ra photon trong dung dịch nhấp nháy vào khoảng 100eV hay 0,1 keV

Do đó, phần phổ β có năng lượng thấp hơn giá trị này sẽ không được ghi nhậntrong LSC

 Mạch lọc nhiễu: mạch lọc nhiễu sẽ được đặt bên trong hệ thống LSC để loại bỏnhiễu trong quá trình ghi nhận xung Những xung điện nào bắt nguồn từ tia βnhưng nhỏ hơn ngưỡng nhạy của mạch sẽ không được ghi nhận và qua đó, bị

23

loại bỏ.

Việc phần phổ có năng lượng năng lượng thấp của tia β bị loại bỏ và khôngđược ghi nhận có ý nghĩa quan trọng đối với hiệu ứng dập tắt Vấn đề này sẽ được đềcập lại một lần nữa ở các phần sau

Hình 8 Phổ năng lượng β trên lý thuyết và trong

LSC 5 Các quá trình diễn ra bên trong dung dịch nhấp nháy

Trong dung dịch mẫu, nhân phóng xạ được bao quanh bởi các phân tử dung môi

và chất hòa tan (chất nhấp nháy) Hiện tượng phát quang của chất nhấp nháy, bắt đầu từviệc dung môi hấp thụ năng lượng của tia β từ nhân phóng xạ, sẽ trải qua các quá trìnhsau:

 Sự kích thích của các phân tử dung môi do hấp thụ năng lượng phóng xạ.

 Sự truyền năng lượng giữa các phân tử dung môi với nhau

 Năng lượng truyền từ các phân tử dung môi ở trạng thái kích thích sang các phân tử chất hòa tan

 Sự truyền năng lượng giữa chất hòa tan sơ cấp với chất hòa tan thứ cấp

 Sự phát quang của các phân tử chất hòa tan bị kích thích

Hình 9 Qúa trình hấp thụ β của dung môi và phát quang của chất nhấp nháy

Ta có thể sơ đồ hóa các quá trình diễn ra trong dung dịch nhấp nháy như sau:

Sự kích thích các Sự truyền năng Năng lượng phóng

phân tử dung môi lượng giữa các phân

xạ β

tử dung môi

do hấp thụ tia β

Sự kích thích của Sự kích thích của Sự phát quang của

phân tử chất hòa phân tử chất hòa chất hòa tan (chất

Hình 10 Sơ đồ hóa các quá trình diễn ra trong dung dịch nhấp nháy

Vì số lượng phân tử dung môi lớn hơn rất nhiều so với số lượng phân tử chấthòa tan (ví dụ 4g chất nhấp nháy trên 1000ml dung môi), nên phóng xạ β thường sẽtương tác với phân tử dung môi trước và kích thích nó lên trạng thái năng lượng caohơn Năng lượng kích thích được truyền đi giữa các phân tử dung môi với nhau, cho tớikhi phần năng lượng này được truyền tới phân tử chất nhấp nháy, và chất nhấp nháy sẽphát photon Các photon này sẽ vượt ra khỏi lọ mẫu và đi vào ống PMT.

Khi tia β có năng lượng thấp, nó sẽ biến mất sau khoảng một hoặc hai va chạmvới phân tử dung môi, nên sẽ có ít photon được sản sinh ra Khi năng lượng của tia βlớn hơn, quãng chạy của nó sẽ lớn hơn, vì vậy nó sẽ va chạm với nhiều phân tử dungmôi hơn trước khi năng lượng của nó bị phân tán hết qua các lần qua chạm Do đó,năng lượng của tia β sẽ tỷ lệ thuận với số photon được sản sinh, năng lượng càng cao

sẽ càng có nhiều photon

5.1 Sự kích thích của phân tử dung môi

Trong dung dịch nhấp nháy, tia β chỉ đi được một quãng đường rất ngắn, tươngđương với khoảng thời gian 5 ns, trước khi toàn bộ động năng của nó bị tiêu tán Nănglượng của nó sẽ bị vật chất xung quanh hấp thụ dưới 3 dạng: nhiệt, ion hóa và kíchthích Một phần năng lượng của tia β sẽ bị phân tử dung môi hấp thụ và dung môi sẽchuyển lên trạng thái kích thích Trong chất nhấp nháy lỏng, xác suất mà năng lượngphóng xạ được hấp thụ trực tiếp bởi phân tử chất hòa tan (chất nhấp nháy) để pháthuỳnh quang là rất nhỏ, vì số lượng phân tử dung môi trong dung dịch nhấp nháy lỏngthông thường sẽ gấp khoảng 1000 lần so với số phân tử chất hòa tan Do đó, các phân

tử dung môi thường sẽ là các vật chất đầu tiên nhận năng lượng của tia β để chuyển lêntrạng thái kích thích

5.2 Sự truyền năng lượng giữa các phân tử dung môi

Sự truyền năng lượng giữa các phân tử dung môi xảy ra trong thời gian dưới 1

ns, và có rất nhiều phân tử dung môi tham gia vào quá trình này Có hai giả thuyếtđược đưa ra để mô tả sự truyền năng lượng giữa các phân tử dung môi, là giả thuyết vềquá trình va chạm và giả thuyết về quá trình hình thành excimer

Qúa trình va chạm, còn được gọi là “quá trình xảy ra trong khoảng cách ngắn”,

là quá trình “cho và nhận” năng lượng thông qua sự va chạm giữa các phân tử dungmôi bị kích thích Gọi M1, M2, M3 là các phân tử dung môi và ký hiệu * là trạng thái

kích thích, sự truyền năng lượng có thể được biểu thị thông qua mối quan hệ sau:

M1* + M2 → M1 + M2*,

M2* + M3 → M2 + M3*

Trong va chạm giữa các phân tử, các electron quỹ đạo của cả hai phân tử sẽ vachạm khẽ với nhau, và truyền năng lượng thông qua tương tác trao đổi Qúa trìnhtruyền năng lượng theo cách này bị giới hạn bởi sự khuếch tán, nên hiệu suất của nó cóliên quan tới độ nhớt của dung môi và nhiệt độ; độ nhớt thấp và nhiệt độ cao là trạngthái lý tưởng nhất

Trong khi đó, giả thuyết về quá trình hình thành excimer sẽ dựa vào sự hìnhthành và sự phân ly của một excimer Excimer được hình thành bởi sự liên kết của mộtphân tử dung môi ở trạng thái bị kích thích với một phân tử dung môi ở trạng thái cơbản, và tổ hợp excimer chỉ bền vững trong trạng thái kích thích Trong tổ hợp này, nănglượng kích thích từ phân tử dung môi ở trạng thái kích thích sẽ bị lấy đi và truyền sangcho phân tử dung môi ở trạng thái cơ bản Sự hiện diện của excimer đã được xác nhận

có trong dung môi toluene và các dung môi hữu cơ thơm khác

Sự hình thành và phân ly của excimer của phân tử dung môi xảy ra luân phiên

và thường xuyên, dẫn tới việc năng lượng được truyền đi một khoảng cách xa trongmột khoảng thời gian tương đối ngắn, nếu so sánh với thời gian cần thiết cho sự phátquang diễn ra Sự hình thành và phân ly excimer, dẫn tới quá trình truyền năng lượngđược minh họa bên dưới:

M1* + M2 → (M 1・ M 2 )* → M1 + M2*

Excimer

M2* + M3 → (M 2 ・M 3 )* → M2 + M3*

Excimer

5.3 Sự truyền năng lượng từ dung môi sang chất hòa tan

Năng lượng kích thích được truyền tới phân tử chất hòa tan từ các phân tử dungmôi Để mô tả sự truyền năng lượng giữa dung môi và chất hòa tan, có hai giả thuyếtđược đưa ra, là giả thuyết giả thuyết va chạm (như ta vừa đề cập tới giữa các phân tửdung môi với nhau) và giả thuyết về tương tác lưỡng cực - lưỡng cực

Khi xét tới tương tác giữa các phân tử ở trạng thái trung hòa điện như dung môi

và chất hòa tan trong LSC, tương tác lưỡng cực - lưỡng cực giữa các phân tử đóng vaitrò rất quan trọng Tương tác trực tiếp giữa các lưỡng cực điện của một phân tử bị kíchthích và một phân tử không bị kích thích khiến cho năng lượng kích thích được truyền

từ chất này sang chất kia trong một khoảng cách lớn mà không thông qua sự phát xạ.Trong sự truyền năng lượng giữa dung môi và chất hòa tan trong nhấp nháy lỏng,tương tác lưỡng cực - lưỡng cực trở thành quá trình chiếm ưu thế vì khoảng cách lớn.Trong khi đó, sự đóng góp của tương tác tứ cực-tứ cực và các tương tác đa cực - đa cựckhác là không đáng kể trong quá trình truyền năng lượng giữa dung môi và chất hòatan

5.4 Sự truyền năng lượng giữa chất hòa tan và chất hòa tan

Trong dung dịch nhấp nháy, ngoài chất hòa tan sơ cấp (chất nhấp nháy sơ cấp),thường ta sẽ cho thêm một chất hòa tan thứ cấp (chất nhấp nháy thứ cấp) để làm chấtchuyển đổi bước sóng Dung dịch lúc này sẽ bao gồm dung môi và hai chất hòa tan(hai chất nhấp nháy), do đó sẽ xuất hiện thêm sự truyền năng lượng từ chất hòa tan sơcấp sang chất hòa tan thứ cấp Tất nhiên, sự truyền năng lượng trực tiếp giữa dung môi

và chất hòa tan thứ cấp hoàn toàn có thể xảy ra, tương tự như giữa dung môi và chấthòa tan sơ cấp Tuy nhiên, vì nồng độ của chất hòa tan thứ cấp chỉ khoảng 1/10 lần sovới chất hòa tan sơ cấp, nên xác xuất của sự truyền năng lượng trực tiếp giữa dung môi

và chất hòa tan thứ cấp là cực kì nhỏ

5.5 Sự phát quang của chất hòa tan

Sau khi hấp thụ năng lượng kích thích từ dung môi, phân tử chất hòa tan (chấtnhấp nháy) sẽ được đưa lên mức kích thích điện tử của nó Qúa trình phát ra ánh sáng(hay photon) có thể thông qua huỳnh quang (fluorescence) hoặc lân quang(phosphorous) Trong hai quá trình trên, huỳnh quang là quá trình quan trọng nhất vàchiếm ưu thế trong LSC Thời gian phát huỳnh quang vào khoảng 10-8・10-9 s

Năng lượng mà phân tử chất hòa tan nhận được từ dung môi sẽ gây nhiễu loạntrong cấu trúc đám mây obitan của phân tử chất hòa tan, và đưa các electron quỹ đạocủa chất hòa tan lên trạng thái kích thích Khi các electron bị kích thích này trở vềtrạng thái cơ bản, sẽ có một phóng xạ phát ra ở dạng các photon; đa phần các photonnày nằm trong vùng cận tử ngoại và một phần nhỏ nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy;

đây gọi là quá trình phát quang Với mỗi keV năng lượng ban đầu của bức xạ β có thểtạo ra khoảng 10 photon Tổng photon từ các quá trình phát quang sẽ tạo nên hiệntượng nhấp nháy, và cường độ của ánh sáng phát ra sẽ tỷ lệ thuận với năng lượng banđầu của tia β.

Vì một lượng lớn photon phát ra từ chất nhấp nháy sơ cấp sẽ nằm trong vùngcận tử ngoại, nên ta thường có thêm chất nhấp nháy thứ cấp để thực hiện nhiệm vụchuyển đổi bước sóng cho các photon từ vùng cận tử ngoại sang vùng khả kiến (trongtrường hợp của khóa luận này, chất nhấp nháy thứ cấp là POPOP) Chất nhấp nháy thứcấp có thể hấp thụ các photon ở vùng cận tử ngoại phát ra từ chất nhấp nháy sơ cấp,sau đó nó cũng sẽ trải qua quá trình huỳnh quang tương tự như chất nhấp nháy sơ cấp,

và kết quả là nó sẽ phát ra thêm nhiều photon hơn nữa nằm trong vùng khả kiến

6 Cơ chế hình thành xung đầu ra và lọc nhiễu của ống PMT

6.1 Ống PMT và quá trình hình thành xung đầu ra

Để có thể ghi nhận một cách hiệu quả các photon phát ra từ chất nhấp nháy, cần

sử dụng một thiết bị nhạy với ánh sáng để chuyển đổi các photon ghi nhận được sangdạng dữ liệu có thể dễ dàng xử lý Thiết bị này được gọi là ống nhân quang (PMT), cókhả năng chuyển đổi photon thành xung điện Hình 11 cho thấy cấu trúc của ống PMT

Nguyên lý hoạt động của ống PMT: Photon phát ra từ dung dịch mẫu đi tới haiống PMT Mặt trong của ống PMT, gọi là photocathode, được phủ một lớp cảm quang

có thể chuyển đổi các photon hấp thụ được thành năng lượng điện thông qua sự sảnsinh các photoelectron Các photoelectron được thu hút tới dynode (điện cực dương)bên trong ống, từ đó sẽ có thêm nhiều electron hơn nữa sản sinh ra Các electron đượcsinh ra từ dynode được gọi là “electron thứ cấp” Các electron thứ cấp sẽ tiếp tục đượcthu hút tới dynode thứ hai và quá trình tương tự lại diễn ra Trong ống PMT thường cókhoảng 12 dynode Các quá trình nhân electron liên tục thông qua các dynode này sẽtạo ra dòng thác lũ các electron ở dynode cuối cùng Điều này sẽ tạo ra một xung điện

đủ lớn ở lối ra của ống PMT, kết thúc quá trình chuyển đổi photon thành xung điệntrong ống PMT Độ cao của xung đầu ra sẽ tỷ lệ thuận với số lượng photon đi tớiphotocathode, và do đó, tỷ lệ thuận với năng lượng của tia β Xung ghi nhận được sẽ làđại lượng chỉ thị cho số sự kiện phát photon xảy ra trong chất nhấp nháy

Hình 11 Ống PMT và nguyên lý hoạt độngHai xung đầu ra từ hai ống PMT sẽ đi qua mạch trùng phùng để lọc nhiễu và quamạch cộng xung để gộp hai xung lại Xung tổng sau đó sẽ được phân tích bởi máy PHA(thiết bị phân tích độ cao xung) Máy này bao gồm một bộ chuyển đổi tương tự sang số(ADC) và một bộ nhớ Bộ ADC sẽ chuyển tín hiệu tương tự ở dạng xung có biên độnhất định sang dạng số Các xung sau khi được số hóa sẽ được phân loại theo độ lớnhoặc theo chiều cao xung, và sẽ được ghi nhận vào một kênh cụ thể trong bộ nhớ Cuốicùng chúng sẽ được truyền vào bộ xử lý dữ liệu trong màn hình hiển thị Số đếm đượchiển thị trên màn hình sẽ tương ứng với xung được ghi nhận vào.

Mối liên hệ giữa năng lượng tia β và số kênh được mô tả trong hình 12 Tia βban đầu có năng lượng cao sẽ khiến cho chất nhấp nháy phát ra nhiều photon hơn, dẫntới sự sản sinh xung có độ cao lớn hơn trong ống PMT Xung điện cao hơn sẽ được ghinhận vào một kênh có số đếm cao hơn trên màn hình hiển thị Do vậy, tia β ban đầu cónăng lượng cao sẽ có số đếm cao trên màn hình hiển thị và ngược lại

Hình 12 Mối quan hệ giữa số photon, độ cao xung và số đếm

6.2 Cơ chế lọc nhiễu và cộng xung

Hình 13 Giản đồ của hệ LSCTrong hệ thống mạch điện tử của LSC, sẽ có sự hiện diện của mạch trùng phùng

và mạch cộng xung Mạch trùng phùng là thiết bị dùng để loại bỏ nhiễu ra khỏi hệ

thống Trong khi đó mạch cộng xung sẽ phát ra xung tổng kết hợp từ hai xung lối racủa hai ống PMT, và xung tổng này sẽ được ghi nhận vào máy PHA.

Hai xung điện phát ra từ từ hai ống PMT sẽ đồng thời đi vào mạch trùng phùng.Mạch trùng phùng chỉ phát tín hiệu ở đầu ra trong trường hợp cả hai xung từ hai ốngPMT đi vào trong mạch cùng một lúc Trong khi đó, do sự sản sinh của các xung nhiễukhông phụ thuộc vào hai ống PMT, nên xác suất để cả hai xung nhiễu đi vào mạchtrùng phùng cùng một lúc là rất thấp, nên cổng sẽ không mở để nhiễu đi vào Vì thế, đaphần nhiễu sẽ được loại bỏ nhờ vào mạch trùng phùng

Sau khi ra khỏi mạch trùng phùng, hai xung trùng phùng sẽ đi tới mạch cộngxung Mạch này sẽ đảm nhận hai vai trò Thứ nhất là sắp xếp lại hai xung trùng phùngthành một xung với cường độ là tổng cường độ của hai xung riêng lẻ Điều này giúp tối

ưu tỷ số tín hiệu/nhiễu của máy Chức năng thứ hai là triệt tiêu sự thăng giáng cường

độ ánh sáng do vị trí các nhân phóng xạ trong lọ chứa mẫu không đồng nhất Nếu ta chỉdùng một ống PMT thì chiều cao xung sẽ phụ thuộc rất nhiều vào vị trí phát ra ánhsáng; ánh sáng ở vùng sát với ống PMT thì cường độ sáng sẽ mạnh hơn ở vị trí xaPMT Vì vậy, sử dụng kết hợp hai ống PMT và mạch cộng xung, cường độ sáng sẽđược bù trừ và giải quyết được hiện tượng này

7 Hiệu ứng dập tắt trong LSC

7.1 Hiệu ứng dập tắt và ảnh hưởng

Khi sử dụng LSC, cần phải hiểu rõ một khái niệm quan trọng gọi là dập tắt Khidung dịch trong suốt, ánh sáng (hay photon) được sản sinh ra bởi chất nhấp nháy bêntrong dung dịch sẽ thoát ra khỏi lọ mà không bị giảm cường độ, hay nói cách khác sẽkhông bị mất bớt photon Ngược lại, nếu dung dịch bị đục hay có chứa tạp chất, sốlượng photon sẽ bị giảm đi do sự hấp thụ Đây chính là hiệu ứng dập tắt

Khi không có hiệu ứng dập tắt, nếu năng lượng của phóng xạ β tăng lên, sốphoton được sinh ra cũng tăng lên và theo đó độ cao của xung cũng sẽ cao hơn, như đã

đề cập ở các phần trước Xung cao hơn sẽ được ghi vào một kênh có số đếm cao hơn.Ngược lại, khi hiệu ứng dập tắt xảy ra trong dung dịch mẫu, dù năng lượng của tia βkhông bị ảnh hưởng bởi dập tắt, nhưng ánh sáng sinh ra từ chất nhấp nháy sẽ trở nênyếu hơn Nói cách khác, số lượng photon sẽ giảm xuống, và độ cao xung điện cũng trởnên thấp hơn Do đó, với cùng một tia β có năng lượng xác định, tùy vào độ mạnh của

hiệu ứng dập tắt mà số kênh được ghi nhận cho tia β đó sẽ chuyển đổi sang các kênhkhác nhau, và sự chuyển đổi này tỷ lệ thuận với độ lớn của hiệu ứng dập tắt Nhìnchung, phổ của tia β (hay sự phân bố độ cao xung) sẽ dịch chuyển về vùng năng lượngthấp hơn khi hiệu ứng dập tắt trở nên mạnh hơn.

Hình 14 Ảnh hưởng của độ mạnh hiệu ứng dập tắt lên phổ β

Hình 14 minh họa ảnh hưởng của hiệu ứng dập tắt lên phổ tia β ghi nhận được.Trong đó, trục hoành cho biết năng lượng của tia β hay sự phân bố chiều cao xung, vàtrục tung hiển thị tốc độ đếm Trong cả 3 trường hợp trên, hoạt độ của các mẫu đềutương đương nhau Khi hiệu tượng dập tắt yếu, phổ có thể kéo dài tới vùng năng lượnggần 200 keV Hiệu ứng dập tắt càng mạnh, sự phân bố năng lượng sẽ dịch chuyển vềvùng có năng lượng thấp hơn, và tốc độ đếm ghi nhận được cũng giảm xuống Vì thế,với cùng một mẫu có hoạt độ xác định, tốc độ đếm ghi nhận được sẽ khác nhau phụthuộc vào độ mạnh của hiệu ứng dập tắt trong dung dịch mẫu Nguyên nhân của việctốc độ đếm giảm bởi hiệu ứng dập tắt là do trong LSC, như đã trình bày trong phần vềphổ của tia β, phần cuối có năng lượng thấp của phổ β sẽ tự động bị cắt đi và khôngđược ghi nhận Vì lý do này, nên khi phổ β dịch chuyển về vùng phổ có năng lượngquá thấp bởi hiệu ứng dập tắt, phần phổ này sẽ tự động bị cắt đi và không được ghinhận Do đó, khi hiệu ứng dập tắt mạnh lên, tốc độ đếm cũng sẽ giảm đi Việc tốc độđếm giảm, sẽ đồng nghĩa với việc hiệu suất ghi sẽ giảm xuống, do mối quan hệ giữatốc độ đếm và hiệu suất ghi trong phương trình (1).

Các vật chất gây ra hiện tượng này gọi là “chất dập tắt” Hiệu ứng dập tắt thayđổi tùy thuộc vào thành phần và tình trạng của dung dịch mẫu Một vật chất bất kì, nếuchiếm số lượng lớn trong dung dịch, hoàn toàn có thể trở thành chất dập tắt, vậy nêntrong quá trình chuẩn bị mẫu cần thiết phải pha với lượng phù hợp, hoặc làm cho dungdịch mẫu không chứa các vật chất không cần thiết Dù vậy, sự xuất hiện của chất dậptắt trong mẫu, dù ít hay nhiều, vẫn không thể tránh khỏi

Ta có thể tóm tắt hiệu ứng dập tắt như sau:

 Sự mất năng lượng diễn ra trong các quá trình truyền năng lượng trong dung dịch nhấp nháy (trước hoặc sau khi quá trình phát quang diễn ra)

 Số lượng photon phát ra từ chất hòa tan (chất nhấp nháy) sẽ giảm do năng lượng

mà chất nhấp nháy nhận được giảm; hoặc một phần photon phát ra sẽ bị hấp thụtrong chính dung dịch nhấp nháy trước khi tới được ống PMT Do đó, lượngphoton tới được ống PMT sẽ giảm khi có hiệu ứng dập tắt

 Độ cao xung điện từ ống PMT sẽ thấp hơn, vì độ cao xung tỷ lệ thuận với sốphoton đầu vào Sự phân bố độ cao xung sẽ chuyển dịch về vùng năng lượngthấp hơn (hay vùng có số kênh thấp hơn)

 Vì phổ của tia β là phổ liên tục, nên phần phổ ở vùng năng lượng thấp sẽ bị cắt

đi, khiến cho tốc độ đếm ghi nhận được giảm Do vậy, hiệu suất ghi của LSC sẽ

bị giảm bởi hiệu ứng dập tắt

7.2 Các dạng hiệu ứng dập tắt và cơ chế

Trong LSC, hiệu ứng dập tắt xảy ra theo nhiều cách khác nhau và được gây rabởi nhiều nhân tố Trong dung dịch nhấp nháy lỏng, năng lượng phóng xạ kích thíchcác phân tử dung môi, sau đó phần năng lượng kích thích này sẽ được chuyển tới chấthòa tan hay phân tử chất nhấp nháy Các phân tử nhấp nháy bị kích thích này sẽ phát raphoton, và ống PMT sẽ chuyển đổi chúng thành xung điện Các qúa trình xảy ra trongLSC có thể chia ra làm 2 giai đoạn, trước và sau khi chất nhấp nháy phát ra ánh sáng.Hình 15 sẽ mô tả các dạng dập tắt có thể xảy ra trong 2 giai đoạn này

Hình 15 Các loại dập tắt và thời điểm xảy raTrước khi phát ra ánh sáng (hay photon), hay trong quá trình truyền năng lượngkích thích tới chất nhấp nháy, hiệu ứng dập tắt hóa học và dập tắt do oxy có thể sẽ xảy

ra Dập tắt hóa học gây ra bởi một hoặc nhiều tạp chất tồn tại bên trong dung dịch mẫu.Năng lượng kích thích đáng ra được truyền cho phân tử nhấp nháy, thay vào đó sẽ bịhấp thụ bởi các tạp chất này, khiến cho cường độ ánh sáng trở nên yếu đi Dập tắt dooxy cũng là một dạng của dập tắt hóa học gây ra bởi phân tử oxy được hòa tan trongchất nhấp nháy lỏng

Sau khi phát ra ánh sáng (hay photon), dập tắt màu và dập tắt nồng độ là hai loạihiệu ứng chủ đạo Dập tắt màu xảy ra khi dung dịch mẫu chứa các loại vật chất có phổhấp thụ trùng với phổ phát xạ của chất hòa tan (chất nhấp nháy) Vì thế, ánh sáng hayhuỳnh quang phát ra từ chất nhấp nháy sẽ bị hấp thụ một phần bởi các vật chất này vàyếu đi Hình 16 cho thấy một ví dụ về mối quan hệ giữa phổ hấp thụ của chất dập tắt vàphổ phát xạ của chất nhấp nháy PPO Trong phần đậm màu hơn của 2 phổ, sự hấp thụánh sáng (hay photon) xảy ra.

Hình 16 Sự trùng lấp trong phổ hấp thụ của chất dập tắt và phổ phát xạ của PPOTrong khi đó, dập tắt nồng độ cũng là hiện tượng tương tự như dập tắt màu,nhưng lại gây ra bởi chính bản thân chất hòa tan (chất nhấp nháy) Phổ hấp thụ và phổphát photon của chất hòa tan không trùng lấp lên nhau ở nồng độ thấp, tuy nhiên ởnồng độ cao, chúng sẽ trùng lấp và làm giảm cường độ ánh sáng (hay photon) Vì vậy,

để có thể đo đạc một cách hiệu quả, việc chọn nồng độ phù hợp cho chất hòa tan trongdung dịch nhấp nháy là rất quan trọng, ví dụ như 4g – PPO (chất nhấp nháy)/1000 ml –xylen (dung môi)

Qua đó, các hiệu ứng dập tắt có thể được tóm tắt lại như sau:

 Dập tắt hóa học: đây là hiệu ứng dập tắt xảy ra trước khi phát photon, nănglượng truyền đi giữa dung môi và chất hòa tan sẽ bị mất bớt Các tạp chất là

nguyên nhân gây ra hiện tượng này Năng lượng kích thích của dung môi bị hấp thụ bởi các tạp chất trước khi chúng được truyển tới chất hòa tan.

 Dập tắt màu: hiện tượng này xảy ra sau khi chất hòa tan phát ra photon Khi mộtvật chất trong dung dịch mẫu có phổ hấp thụ trùng với phổ phát xạ của chất hòatan, ánh sáng (hay photon) phát ra từ chất hòa tan sẽ bị hấp thụ một phần bởi vậtchất này và bị yếu đi

 Dập tắt oxy: chính là dập tắt hóa học với tạp chất gây dập tắt là oxy bị hòa tan vào trong dung dịch nhấp nháy lỏng

 Dập tắt nồng độ: chất hòa tan ở nồng độ quá cao trong dung môi sẽ gây ra hiệu ứng dập tắt thông qua quá trình tự dập tắt hay tự hấp thụ

Mọi vật chất đều có thể là chất dập tắt Kể cả nước cũng là một chất dập tắt, nêntrong thực nghiệm hiệu suất ghi không bao giờ đạt tới 100% Tuy nhiên, độ mạnh củahiệu ứng dập tắt sẽ khác nhau đối với nhiều vật liệu khác nhau Các chất dập tắt đượcphân loại như sau, phụ thuộc vào độ mạnh dập tắt của chúng:

từ tương tác giữa các tia vũ trụ với vật liệu xung quanh bộ phận ghi nhận của LSC Mộtnguyên nhân khác gây ra phông phóng xạ là sự hiện diện của các nhân phát phóng xạtrong tự nhiên, ví dụ như 40K có trong các lọ chứa thủy tinh Khi tiến hành đo đạc,ngoài mẫu và các bộ chuẩn dập tắt ra, sẽ có các lọ đựng khác dùng cho việc đo phôngcủa bộ chuẩn dập tắt và phông của mẫu Tốc độ đếm phông theo cpm sẽ được trừ đi

sau khi đo đạc để có được tốc độ đếm của đồng vị phóng xạ cần đo đạc:

Trong đó CPMđồng vị là tốc độ đếm của riêng đồng vị phóng xạ cần đo, CPMmẫu

là tốc độ đếm của mẫu bao gồm đồng vị và phông, CPMBG là tốc độ đếm phông

8.2 Phông trùng phùng

Trong LSC, mạch trùng phùng thường được lắp đặt để tận dụng cơ chế chỉ phát

ra tín hiệu trong trường hợp cả hai xung đầu vào (từ hai ống PMT) đi vào trong mạchcùng một lúc Vì các xung nhiễu thường không tới từ ống PMT, do đó xác suất để cảhai xung nhiễu đi vào mạch trùng phùng cùng một lúc là rất thấp, nên cổng của mạch

sẽ không mở để nhiễu đi vào Vì thế, phần lớn các xung nhiễu từ môi trường sẽ đượcloại bỏ nhờ vào mạch trùng phùng Tuy nhiên, việc hoàn toàn loại bỏ được hết cácxung nhiễu là rất khó, dù cho có sử dụng mạch trùng phùng đi nữa Vì vậy, các nhiễutrong trường hợp này sẽ được tính là “phông trùng phùng”

8.3 Phông do ghi chéo

Khi hai ống PMT được đặt đối diện nhau, hoàn toàn có khả năng ánh sáng phát

ra từ một trong hai ống PMT được ghi nhận bởi ống đối diện Hiện tượng này gọi là

“ghi chéo” Dù giữa hai ống PMT có đặt lọ chứa dung dịch mẫu, hiện tượng ghi chéovẫn có thể xảy ra, và tín hiệu gây ra bởi hiện tượng này được gọi là phông do ghi chéo

9 Các phương pháp đo đạc 3 H và 14 C sử dụng đường cong hiệu chỉnh hiệu

ứng dập tắt

Để tính toán hoạt độ của mẫu cần đo đạc, ta phải biết hiệu suất ghi E của dungdịch mẫu được đo, do mối liên giữa giữa tốc độ đếm, hiệu suất ghi E và hoạt độ ởphương trình (1) Vì mục đích này, đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt thườngđược chuẩn bị sẵn, nhằm mô tả mối quan hệ giữa hiệu suất ghi E và độ mạnh của hiệuứng dập tắt Ta có thể tìm được các đường cong này thông qua việc đo đạc các bộchuẩn dập tắt của từng đồng vị Bộ chuẩn dập tắt là một chuỗi các dung dịch của cùngmột loại đồng vị, có cùng hoạt độ nhưng độ mạnh của hiệu ứng dập tắt trong từng dungdịch sẽ khác nhau Hai phương pháp xác định hoạt độ của mẫu cần đo đạc thông quaviệc xác định đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt được sử dụng trong hệ máyALOKA LSC 6100 bao gồm phương pháp tỷ số kênh là hằng số (SCCR) và phương

pháp tỷ số kênh dựa vào chuẩn ngoại (ESCR)

9.1 Phương pháp tỷ số kênh là hằng số (SCCR)

Hệ máy ALOKA LSC 6100 sử dụng phương pháp SCCR để tạo ra mối tươngquan giữa sự dịch chuyển của phổ β bởi hiệu ứng dập tắt với độ mạnh của hiệu ứng dậptắt Khi mẫu được đo bằng phương pháp SCCR, một kênh ‘R’ sẽ được tự động ghinhận nhằm chia phổ ra thành hai vùng với tỷ lệ 3:1

Hình 17 Sự thay đổi của số kênh R theo độ mạnh của hiệu ứng dập tắt

Hình 17 cho thấy phổ β của một hạt nhân phóng xạ với cùng một hoạt độ nhưngtrải qua hiệu ứng dập tắt với độ mạnh khác nhau Khi phổ β dịch chuyển bởi hiệu ứngdập tắt, vị trí hay số kênh R sẽ thay đổi, do đó vị trí hay số kênh R có thể dùng để làmthước đo chỉ thị độ mạnh của hiệu ứng dập tắt

Trong hệ máy “ALOKA LSC 6100”, giá trị của SCCR (cũng như giá trị của

ESCR được đề tập tới bên dưới) được định nghĩa như sau:

SCCR (và ESCR) = 100

Khi số kênh của ‘R’ là 1000, giá trị của SCCR (hay ESCR) sẽ là 10

Phương pháp xác định đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt và hoạt độ của mẫu cần đo được mô tả như sau:

 Chuẩn bị dung dịch mẫu: một lượng chất nhấp nháy lỏng (khoảng 10 ml) phùhợp với mẫu phóng xạ cần đo đạc (dạng lỏng hay hữu cơ) được đưa vào trong lọthủy tinh hay nhựa polyethylene có nắp đậy (dung tích khoảng 20ml) Sau đó,một lượng mẫu phóng xạ (ví dụ 1 ml) được đưa vào trong đó Lắc lọ để hòa cácchất với nhau

 Cho bộ chuẩn dập tắt của 3H (hoặc 14C) và dung dịch mẫu vào các khay

 Đo đạc tốc độ đếm và giá trị SCCR của mẫu và các chuẩn dập tắt Sau đó tínhtoán tỷ số giữa tốc độ đếm ghi nhận được của các chuẩn dập tắt với hoạt độ của

bộ chuẩn dập tắt để có được hiệu suất ghi E của từng chuẩn dập tắt Với bộ

đo đạc

 Đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt sẽ được thiết lập sau khi đã đo đạc mộtloạt các dung dịch chuẩn dập tắt Trên đồ thị của đường cong hiệu chỉnh hiệuứng dập tắt, trục hoành là giá trị của SCCR, và trục tung là giá trị của hiệu suấtghi E

 Tìm giá trị SCCR của mẫu cần phân tích đã đo trên trục hoành, giá trị đó sẽtương ứng với một giá trị E’ trên trục tung Hoặc ta có thể đưa giá trị SCCR củamẫu đo được vào trong phương trình của đường cong hiệu chỉnh để đạt được giátrị E’ tương ứng

 Tính toán ra hoạt độ của mẫu bằng cách chia tốc độ đếm của mẫu cho giá trị E’ vừa tìm đươc

Phương trình phù hợp nhất cho đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt trong trường hợp SCCR sẽ có dạng như sau:

y = Ax 3 + Bx 2 + Cx + D

Với y là giá trị hiệu suất ghi E, và x là giá trị SCCR tương ứng.

9.2 Phương pháp tỷ số kênh dựa vào chuẩn ngoại (ESCR)

Hình 19 Quy trình của phương pháp ESCR

Phương pháp SCCR sử dụng sự dịch chuyển của phổ β để thiết lập đường conghiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt, nhưng đó không phải là cách duy nhất để đạt được đườngcong này Đường cong hiệu chỉnh hiệu ứng dập tắt còn có thể được thiết lập bằng cáchtận dụng sự dịch chuyển của phổ Compton, và phương pháp này gọi là phương pháp tỷ

số kênh dựa vào chuẩn ngoại, hay ESCR Phổ Compton được tạo ra bởi nguồn phát tiagamma (137Cs) được lắp đặt bên trong máy ALOKA LSC 6100 và được vận hành tựđộng Hình 19 cho thấy quy trình của phương pháp này

Khi phương pháp ESCR được lựa chọn cho việc đo đạc, trước tiên, máy sẽ đotốc độ đếm của từng chuẩn dập tắt khi chưa có nguồn gamma đặt sát mẫu Sau đó,nguồn gamma được bỏ che chắn và đưa tới gần lọ chứa chuẩn dập tắt để chiếu xạ trongmột thời gian ngắn, khoảng 0,4 phút Tia gamma đi xuyên qua thành lọ, và sản sinh raelectron Compton (từ hiệu ứng Compton) trong dung dịch mẫu Các electron Comptonnày kích thích phân tử dung môi và chất hòa tan, và tạo nên phổ Compton của dungdịch mẫu Năng lượng của electron Compton được phân bổ liên tục trong khoảng từ 0tới giá trị cực đại