Các nguồn phóng xạ kín có thời gian phân ra dài thường được sử dụng để hiệu chuẩn năng lượng và xác định mức hiệu quả của các hệ thống đo lường trong lĩnh vực hạt nhân. Một số đồng vị đặc trưng còn được sử dụng để nghiên cứu sự hấp thụ, chuyển vị, phân phối của thực vật nhằm phục vụ lĩnh vực trồng trọt, hay sử dụng để dự đoán hành vi của các thành phần kim loại nặng trong xử lý nước thải,…Đồng vị Mn-54 là nguồn phóng xạ được sử dụng phổ biến cho những mục đích như vậy.
Mangan là nguyên tố hóa học có ký hiệu Mn và số nguyên tử là 25. Nó được tìm thấy ở dạng tự do trong tự nhiên và trong một số loại khoáng vật. Ở dạng nguyên tố tự do, mangan là một trong những thành phần quan trọng trong các hợp kim công nghiệp, đặc biệt là thép không rỉ. Tùy theo trạng thái oxy hóa của nó, các ion mangan có nhiều màu khác nhau và được dùng làm thuốc nhuộm trong công nghiệp. Mangan dioxide được dùng làm vật liệu catốt trong các pin và pin khô kiềm và tiêu chuẩn. Bên cạnh đó, các ion mangan (II) có chức năng làm yếu tố cốt lõi trong một số enzyme ở sinh vật bậc cao, có vai trò quan trọng giải độc của các gốc peroxide tự do. Nguyên tố này cần thiết trong các sinh vật sống. Khi hít phải lượng lớn mangan có thể gây hội chứng nhiễm độc, gây tổn thương thần kinh mà đôi khi không thể phục hồi được.
Mangan và hợp kim
Mangan là kim loại màu trắng xám, giống sắt. Nó là kim loại cứng và rất giòn, khó nóng chảy, nhưng dễ bị oxy hóa. Mangan chỉ có từ tính sau khi đã qua xử lý đặc biệt. Mangan có vai trò quan trọng trong sản xuất sắt thép vì có tác dụng khử lưu huỳnh, khử oxy và mang đặc tính của hợp kim. Mangan là thành phần chủ yếu trong việc sản xuất thép không rỉ với chi phí thấp và có trong hợp kim nhôm. Nó còn được thêm vào dầu hỏa để giảm tiếng nổ lọc xọc cho động cơ. Mangan đioxít được sử dụng trong pin khô, hoặc làm chất xúc tác. Mangan được dùng để tẩy màu thủy tinh (loại bỏ màu xanh lục do sắt tạo ra) hoặc tạo màu tím. Mangan oxide là một chất nhuộm màu nâu, dùng để chế tạo sơn và là thành phần của màu nâu đen tự nhiên. Hiện nay, mangan không có chất liệu thay thế thỏa mãn trong những ứng dụng quan trọng.
Phân rã Mn-54
Mangan tự nhiên bao gồm đồng vị bền Mn-55 và 18 đồng vị phóng xạ, trong đó đồng vị phóng xạ ổn định nhất là Mn-53 có chu kì bán rã 3,7 triệu năm, Mn-54 có chu kì bán rã 312,3 ngày và Mn-52 là 5,591 ngày. Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kì bán rã nhỏ hơn 3 giờ và phần lớn trong số này có chu kì bán rã nhỏ hơn 1 phút. Các thành phần đồng vị mangan đặc biệt kết hợp với các hợp phần đồng vị crom đã có những ứng dụng trong địa chất và định tuổi đồng vị phóng xạ. Tỉ số đồng vị Mn–Cr cùng với Al-26 và Pd-107 mang lại thông tin về lịch sử ban đầu của Hệ Mặt Trời. Sự biến động về tỉ số 53Cr/52Cr và Mn/Cr trong một số thiên thạch tương ứng tỉ số 53Mn/55Mn là kết quả của việc phân rã Mn-53 trong các thiên thể phân dị. Do đó, Mn-53 cung cấp bằng chứng bổ sung cho quá trình tổng hợp hạt nhân tức thì trước sự hóa hợp của Hệ Mặt Trời.
Năm 1938, Livingood và Seaborg đã công bố phát hiện của họ về Mn-54 trong bài báo “Đồng vị phóng xạ Mangan”. Phản ứng tạo ra đồng vị này đã sử dụng deuteron ở năng lượng 5,5 và 7,6 MeV, và các ion heli ở năng lượng 16 MeV từ máy gia tốc Berkeley Cyclotron. Mn-54 được sản xuất thông qua quá trình kích hoạt sắt với deuteron, crom với deuteron và vanadi với các ion helium. Mn-54 là đồng vị phóng xạ của Mn với số nguyên tử 25, chu kỳ bán rã là 312,5 ngày và phát ra một tia gamma duy nhất 834,8 keV.
Phổ năng lượng của Mn-54
Đối với lĩnh vực khoa học: Mn-54 được sử dụng như “đồng hồ” để đo thời gian tồn tại của các tia vũ trụ nặng, có chu kỳ bán rã (phân rã beta) ít được biết đến, ước tính nằm trong khoảng từ 10e5 đến 10e7 năm. Vài năm trước, Koch et al. đã kết luận từ các phép đo tỷ lệ Mn/Fe rằng một phần đáng kể Mn-54 năng lượng thấp được tạo ra bởi sự phân mảnh Fe bị phân rã. Bằng cách sử dụng mã lan truyền bao gồm các mặt cắt phân mảnh được cải thiện và dữ liệu gần đây một số tàu vũ trụ khác, bằng chứng về sự phân rã của Mn-54 trong các tia vũ trụ đã được kiểm tra lại. Người ta kết luận rằng dữ liệu tia vũ trụ hiện tại không thể thiết lập mức độ phân rã của Mn-54, nhưng chỉ ra rằng câu hỏi này có ý nghĩa quan trọng đối với các nghiên cứu về sự phong phú của Fe-54 trong vật liệu nguồn tia vũ trụ, cũng như đối với nghiên cứu lan truyền tia vũ trụ.
Đối với lĩnh vực môi trường: Mn-54 được sử dụng làm chất đánh dấu phóng xạ để mô tả mức độ và động lực học của các quá trình trao đổi nguyên tử Mn giữa dung dịch nước Mn(II) và vernaxit (δ-Mn(IV)O2) ở pH 7,5 trong điều kiện thiếu khí. Các phương pháp sử dụng Mn-54 hỗ trợ hiệu quả trong nghiên cứu về động học hình thành của các dạng Mn(III) trên bề mặt không bền và tác động của chúng đối với cấu trúc và khả năng phản ứng của Mn-oxide trong một loạt các điều kiện địa hóa liên quan đến môi trường. Ngoài ra, Mn-54 còn được sử dụng để theo dõi sự thay đổi các kim loại nặng trong nước thải nhằm phục vụ quản lý nước thải.
Đối với lĩnh vực công nghiệp, đo lường: Mn-54 được sử dụng cho các hệ thiết bị đánh dấu phóng xạ linh hoạt với nhiều ứng dụng khác nhau. Các hệ thống đếm gamma như máy dò nhấp nháy NaI (Tl)) và máy quang phổ HPGe được sử dụng rộng rãi để nhận dạng và xác định hàm lượng Mn-54 trong mẫu. Ngoài việc sử dụng như một chất đánh dấu phóng xạ, do chu kỳ bán rã dài và vạch phát xạ gamma đơn và cường độ cao, Mn-54 là một nguồn hiệu chuẩn rất tốt cho các hệ thống đo bức xạ được sử dụng trong phép đo phổ gamma. Các dòng tia X của nó cũng được sử dụng để hiệu chuẩn hiệu suất năng lượng thấp (5–60 keV) ở các máy dò Si (Li) và HPGe năng lượng thấp.
Các nguồn phóng xạ kín chứa các đồng vị phóng xạ tồn tại với thời gian sống dài thường được sử dụng để hiệu chuẩn năng lượng và tăng hiệu quả của các hệ thống đo lường, quang phổ gamma cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp, y học và nghiên cứu. Các kỹ thuật như tẩm chất phóng xạ vào gốm sứ, mạ điện kim loại lên các chất nền kim loại khác dưới dạng màng mỏng hoặc lắng đọng, anốt hóa kiêm hấp phụ trên chất nền kim loại, quay điện, thủy tinh hóa, tạo phức với phối tử và hình thành polyme phóng xạ, v.v. được sử dụng để chế tạo các hệ thiết bị như trên. Trong khi thiết kế các nguồn phóng xạ cho một ứng dụng mong muốn với dạng hình học, hóa học và vật lý nhất định, thì các đặc tính phân rã của hạt nhân phóng xạ lại đóng một vai trò chủ chốt.
Eu-152 thường được sử dụng để hiệu chuẩn năng lượng và xác định hiệu quả của các hệ thống đếm gamma. Tuy nhiên, do năng suất thấp đối với quá trình phân hạch và việc sản xuất cần thông qua các lò phản ứng hạt nhân đòi hỏi mục tiêu Eu-151 được làm giàu cao (<98% tinh khiết), việc chuẩn bị các nguồn Eu-152 lại phức tạp và tốn kém. Trong khi đó, Mn-54 tương đối dễ sản xuất và là nguồn kết hợp, rất hữu ích để mô tả đặc tính của máy dò gamma trong dải năng lượng rộng. Ưu điểm của việc sử dụng tập hợp các nguồn nằm ở chỗ chúng có thể được sử dụng riêng lẻ trong các cửa sổ năng lượng khác nhau của các thiết bị do đó làm giảm nhiễu tín hiệu nền. Để chuẩn bị các nguồn Mn-54 ổn định và bám dính nhằm mô tả đặc tính của các hệ thống đếm gamma, phương pháp điện hóa đã được sử dụng thường quy để lắng đọng Mn-54 trên đế thép không gỉ.
Từ khóa: Manganese; đồng vị phóng xạ; Mn-54; đánh dấu phóng xạ; hiệu chuẩn; thiết bị đo phóng xạ;
– CMD&DND –
