luận án tiến sĩ đánh giá số liệu hạt nhân trong phương pháp k0 naa đối với ba hạt nhân 110ag 116m2in và 183mw có tích phân cộng hưởng lớn hơn tiết diện bắt neutron nhiệt

iv Kí hiệu Chú thích  Thông lượng neutron th Thông lượng neutron nhiệt e Thông lượng neutron trên nhiệt f Thông lượng neutron nhanh f Tỉ số giữa thông lượng neutron nhiệt và thôn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

-

ĐÁNH GIÁ SỐ LIỆU HẠT NHÂN TRONG

PHÂN CỘNG HƯỞNG LỚN HƠN TIẾT

DIỆN BẮT NEUTRON NHIỆT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

-

ĐÁNH GIÁ SỐ LIỆU HẠT NHÂN TRONG PHƯƠNG PHÁP

TÍCH PHÂN CỘNG HƯỞNG LỚN HƠN TIẾT DIỆN BẮT

i

MỤC LỤC

BẢNG CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

ABSTRACT 8

Chương 1 TỔNG QUAN 10

1.1 Tình hình nghiên cứu 10

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 10

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 15

1.2 Đối tượng nghiên cứu 18

1.3 Vấn đề tồn tại 20

1.4 Tóm tắt Chương 1 20

Chương 2 PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON 21

2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích kích hoạt neutron 21

2.1.1 Phương pháp luận của phân tích kích hoạt neutron 21

2.1.2 Ưu điểm của phương pháp NAA 22

2.1.3 Nhược điểm của phương pháp NAA 23

2.1.4 Các phương pháp NAA 24

2.2 Lý thuyết phương pháp phân tích kích hoạt neutron 25

2.2.1 Quá trình kích hoạt mẫu 25

2.2.2 Quá trình phân rã 26

2.2.3 Quá trình đo mẫu 27

2.3 Phương trình kích hoạt 28

2.4 Các phương pháp chuẩn hóa trong NAA 29

2.4.1 Phương pháp chuẩn hóa tuyệt đối 29

2.4.2 Phương pháp chuẩn hóa tương đối 30

2.4.3 Phương pháp chuẩn đơn nguyên tố 33

ii

2.4.4 Phương pháp chuẩn hóa k 0 34

2.5 Giới hạn phát hiện 35

2.6 Phương pháp tính sai số 36

2.7 Độ chính xác của phương pháp k0 -NAA 37

2.8 Phổ neutron trong lò phản ứng hạt nhân 38

2.8.1 Thông lượng neutron 38

2.8.2 Neutron nhiệt 38

2.8.3 Neutron trên nhiệt 40

2.8.4 Neutron nhanh 40

2.9 Phản ứng hạt nhân với neutron trên nhiệt 41

2.9.1 Tích phân cộng hưởng I 0 , hệ số truyền qua cadmium F Cd và giá trị Q 0 41

2.9.2 Các hệ số hiệu chính 43

2.9.3 Các thông số phổ neutron 44

2.10 Một số hiệu chính cần thiết 45

2.10.1 Hiệu chính hình học đo mẫu 45

2.10.2 Hiệu chính tự hấp thụ gamma 46

2.10.3 Hiệu chính do trùng phùng 46

2.10.4 Hiệu chính thời gian chết 47

2.11 Tóm tắt Chương 2 48

Chương 3 THỰC NGHIỆM 49

3.1 Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 49

3.2 Hệ chiếu mẫu nhanh Kênh 13-2 và Cột nhiệt 51

3.3 Xác định các thông số phổ neutron tại Kênh 13-2 và Cột nhiệt 54

3.4 Hiệu chuẩn hiệu suất hệ phổ kế gamma 57

3.5 Thực nghiệm đo mẫu tại Kênh 13-2 và Cột nhiệt 58

3.5.1 Chuẩn bị mẫu chuẩn 58

3.5.2 Chuẩn bị lá dò 60

3.5.3 Chiếu và đo lá dò 61

3.5.4 Xử lý phổ gamma và phân tích hàm lượng 63

iii

3.6 Thực nghiệm sử dụng chương trình k 0-IAEA 63

3.7 Xác định thực nghiệm hệ số k 0,Au 66

3.8 Xác định thực nghiệm hệ số Q 0 68

3.9 Tóm tắt Chương 3 69

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 70

4.1 Kết quả thông số phổ neutron tại vị trí chiếu mẫu Kênh 13-2 và Cột nhiệt 70

4.2 Kết quả hiệu chuẩn hiệu suất ghi của đầu dò GMX-4076 71

4.3 Kết quả xác định hệ số k 0 73

4.4 Ước lượng sai số của phép đo hệ số k0 76

4.5 Kết quả xác định hệ số Q0 77

4.6 Ước lượng sai số của phép đo hệ số Q0 79

4.7 Kết quả xác định hàm lượng nguyên tố sử dụng hệ số k 0,Au mới 80

4.8 Tóm tắt Chương 4 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 98

iv

Kí hiệu Chú thích

 Thông lượng neutron

th Thông lượng neutron nhiệt

e Thông lượng neutron trên nhiệt

f Thông lượng neutron nhanh

f Tỉ số giữa thông lượng neutron nhiệt và thông lượng neutron trên

nhiệt

f F Tỉ số giữa thông lượng neutron nhiệt và thông lượng neutron nhanh

 Hệ số biểu diễn độ lệch phân bố phổ neutron trên nhiệt khỏi quy luật

1/E

T n Nhiệt độ neutron

T 1/2 Chu kỳ bán rã của đồng vị quan tâm

n.cm -2 s -1 Đơn vị thông lượng: số neutron trên một centimet vuông trên giây

A 0 Hoạt độ tạo thành tại thời điểm kết thúc chiếu

A td Hoạt độ tại thời gian rã

N 0 Số nguyên tử của hạt nhân bia có mặt trong mẫu

 Hằng số phân rã

t i Khoảng thời gian kích hoạt mẫu

t d Khoảng thời gian phân rã

t m Khoảng thời gian đo mẫu

S Hệ số bão hòa

 Độ phổ biến hay độ giàu đồng vị

γ Xác suất phát tia gamma

M Khối lượng nguyên tử

N A Hằng số Avogadro

BẢNG CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU

v

σ 0 Tiết diện bắt neutron tại vận tốc 2200 m.s-1

r

 Tiết diện trung bình của phổ neutron phân hạch

I 0 Tích phân cộng hưởng

ECd Năng lượng cắt (ngưỡng) cadmium (0,55 eV)

r

E Năng lượng cộng hưởng hiệu dụng (đối với vùng neutron cộng

hưởng)

G th Hệ số hiệu chính tự che chắn neutron nhiệt

G r Hệ số hiệu chính tự che chắn neutron cộng hưởng

G e Hệ số hiệu chính tự che chắn neutron trên nhiệt

A sp Hoạt độ riêng

ε p Hiệu suất ghi của đầu dò

N p Số đếm của đỉnh năng lượng toàn phần

( )n

g T Hệ số Westcott ứng với nhiệt độ neutron Tn

w Khối lượng của nguyên tố quan tâm

FCd Hệ số truyền qua cadmium

RCd Tỉ số cadmium

HDPE High Density Polyethylene Vật liệu nhựa mật độ cao

HPGe High Purity Germanium Gecmani siêu tinh khiết

IAEA International Atomic

Energy Agency

Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế

ICP-MS Inductively Coupled

Plasma Mass Spectrometry

Quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần kết nối khối phổ

k0-NAA

Neutron Activation Analysis based k-zero method

Phân tích kích hoạt neutron theo phương pháp k-zero

k 0-DALAT k0-DALAT Software Phần mềm k0-DALAT

k 0-IAEA k 0-IAEA Software Phần mềm k 0-IAEA

LTC Live-Time-Clock Đồng hồ đo thời gian sống LOD Limit of Detection Giới hạn phát hiện

DRR Dalat Research Reactor Lò phản ứng nghiên cứu Đà Lạt

NAA Neutron Activation

Analysis

Phân tích kích hoạt neutron

NIST National Institute of

Standards and Technology

Viện quốc gia về chuẩn và công nghệ

vii

PTS Pneumatic Transfer System Hệ chuyển mẫu bằng khí nén

TC Thermal Column Cột nhiệt của lò phản ứng

INAA Instrumental Neutron

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Danh sách các hạt nhân cần xác định lại hệ số k 0 (theo k 0 -ISC 2020)… 14

Bảng 1.2 Các hạt nhân nguyên tố phóng xạ sống ngắn (k 0-ISC - database 2020) 16

Bảng 1.3 Hệ số k 0 của 110 Ag, 116m2 In và 183m W đo được trước đây……… 17

Bảng 1.4 Danh sách các hạt nhân có giá trị Q 0 lớn hơn 1 ……… 18

Bảng 1.5 Danh sách các hạt nhân có giá trị Q 0 lớn hơn 10 ……….……… 18

Bảng 1.6 Danh sách các hạt nhân có giá trị Q 0 lớn hơn 20 ……… 19

Bảng 2.1 Sai số ước lượng của phương pháp k 0-NAA……… 37

Bảng 3.1 Các phản ứng và các tia gamma được dùng để tính toán các thông số phổ……… 55

Bảng 3.2 Các nguồn phóng xạ được dùng để chuẩn hiệu suất 58

Bảng 3.3 Mẫu NIST-1566b để chiếu xạ tại Kênh 13-2 trong DRR……… 59

Bảng 3.4 Mẫu NIST-2711A để chiếu xạ tại Cột nhiệt trong DRR……… 59

Bảng 3.5 Thông tin của lá các dò trong thí nghiệm xác định hệ số k 0,Au và Q 0… 60 Bảng 3.6 Thời gian chiếu xạ, phân rã và đếm cho lá dò……… 62

Bảng 3.7 Các thời gian chiếu xạ, phân rã và đo để xác định hệ số k 0,Au ………… 62

Bảng 3.8 Các thời gian chiếu xạ, phân rã và đo để xác định hệ số Q 0 ………… 63

Bảng 4.1 Kết quả tính thông số phổ Kênh 13-2 và cột nhiệt……… 71

Bảng 4.2 Giá trị hiệu suất thực nghiệm và sai số đối với nguồn điểm tại khoảng cách 5 cm, 10 cm, 15 cm và 18 cm……… 72

Bảng 4.3 Các hệ số làm khớp của đường cong hiệu suất đầu dò GMX-4076… 73

Bảng 4.4 Hệ số k 0,Au của các hạt nhân phóng xạ……… 74

Bảng 4.5 Các thành phần đóng góp sai số của giá trị k 0,Au ……… 77

Bảng 4.6 Các hệ số Q 0 được xác định bằng phương pháp "tỉ lệ Cd" sử dụng kênh 13-2 so với các tác giả khác.……… 78

Bảng 4.7 Các thành phần đóng góp sai số của giá trị Q0……… 79

Bảng 4.8 Kết quả nồng độ của Ag và Sc trong SRM sử dụng giá trị k 0 gần đây và giá trị k 0 thu được từ công trình này……… 80

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quy trình thực nghiệm của phương pháp NAA……… 11

Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron……… ……… 22

Hình 2.2 Các nguyên tố có thể phân tích bằng NAA ……… 23

Hình 2.3 Đồ thị mô tả phổ thông lượng neutron ……… 38

Hình 3.1 Mặt cắt ngang vùng hoạt của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt… 50

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí các kênh thí nghiệm tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt… 51 Hình 3.3 Sơ đồ minh họa hệ PTS dùng cho NAA xác định đồng vị sống ngắn 53 Hình 3.4 Hình học và kích thước của container mang mẫu và lọ đựng mẫu … 54 Hình 3.5 Các mẫu đo đã được chuẩn bị trước khi chiếu trên LPƯĐL.……… 59

Hình 3.6 Hộp Cd và lọ mang mẫu chiếu ……… 61

Hình 3.7 Đồ thị đường cong hiệu suất của đầu dò GMX-4076 tại khoảng cách 10 cm……… 64

Hình 3.8 Các thông số phổ ở Kênh 13-2 được nạp vào chương trình k 0-IAEA 65 Hình 3.9 Các thông số phổ ở Cột nhiệt được nạp vào chương trình k 0-IAEA 65

Hình 3.10 Các thông số hình học của đầu dò được khai báo trong chương trình k 0-IAEA……… 66

Hình 4.1 Đường cong hiệu suất của đầu dò GMX-4076 tại cách khoảng cách 5 cm, 10 cm, 15 cm và 18 cm……… 73

1

MỞ ĐẦU

Vào năm 1936, Hevesy và Levi đã phát hiện ra rằng số lượng đồng vị phóng

xạ được kích hoạt giảm theo thời gian, với một thời gian bán rã cụ thể cho mỗi đồng vị phóng xạ Những quan sát này cho phép họ đề xuất "phân tích bằng phóng xạ" để xác định và định lượng các nguyên tố vết trong các vật liệu [1]

Vì vậy, nền tảng cho một kỹ thuật phân tích mới đã được thiết lập, đó là phân tích kích hoạt neutron (tên tiếng Anh là Neutron Activation Analysis, được viết tắt là NAA) Tuy nhiên, kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron lúc này có độ nhạy chưa cao nên cần các nguồn neutron mạnh hơn Đến năm 1952, Viện nghiên cứu quốc gia Oak Ridge đã cung cấp một "dịch vụ phân tích kích hoạt" cho công chúng và từ đó kỹ thuật này đã thu hút sự quan tâm rộng rãi [2] Phân tích kích hoạt neutron là một trong những phương pháp phân tích hạt nhân không hủy mẫu có độ nhạy và độ chính xác cao giúp giải quyết nhiều bài toán thực tế trong các lĩnh vực nghiên cứu địa chất, khảo cổ, nông – sinh – y, vật liệu, môi trường…[3] Trong NAA, có 3 loại nguồn phát neutron thường được sử dụng gồm nguồn đồng vị, máy gia tốc và lò phản ứng Nguồn neutron

từ lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu có thông lượng neutron cao và không gian kích hoạt mẫu lớn, vì vậy đây là nguồn neutron cho NAA có nhiều ưu điểm nhất trong 3 loại nguồn kể trên NAA cũng sử dụng 4 phương pháp chuẩn hoá khác nhau như chuẩn hoá tuyệt đối, chuẩn hoá tương đối, chuẩn đơn và chuẩn theo k-zero [1] Trong số 4 phương pháp trên, phương pháp chuẩn theo k-zero

của NAA (k 0-NAA) được đánh giá là phương pháp ổn định (về mặt sai số hệ thống), có độ nhạy và độ chính xác cao, đặc biệt khi áp dụng để nghiên cứu một số đối tượng trong các lĩnh vực môi trường, địa chất, khảo cổ,… trong đó mối tương quan giữa các nguyên tố trong nhiều mẫu nghiên cứu cần được phân

tích rõ Chính vì vậy mà phương pháp k 0-NAA đã được chọn và sử dụng phổ

2

biến trên thế giới như một phương pháp chuẩn (tham khảo) dùng để phê chuẩn (validation) cho các mẫu chuẩn – tham khảo (standard reference materials) và cũng là phương pháp chính để nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau [3, 4] Nguyên lý cơ bản của NAA được trình bày như sau Đầu tiên mẫu bị bắn phá bởi dòng neutron, hạt nhân bền trong mẫu tương tác với neutron bởi phản ứng bắt neutron, qua đó hạt nhân phóng xạ được hình thành Mỗi hạt nhân phóng xạ có một thời gian sống khác nhau và đặc trưng bởi sự phân rã Trong quá trình phân rã, đa số các hạt phân phóng xạ thường phát ra một hoặc nhiều tia gamma như là sản phẩm của sự dịch chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái bền hơn Các tia gamma này có thể được xác định bằng đầu dò dưới dạng phổ gamma Trong phổ gamma, năng lượng của một đỉnh đặc trưng cho nguyên

tố hiện diện trong mẫu và diện tích của một đỉnh cho phép định lượng nguyên

tố trong mẫu [5]

Trong NAA, tiết diện bắt neutron và nhiều hằng số hạt nhân khác được lấy

từ các tài liệu mới nhất, nhưng thực tế hiện nay các số liệu này có thăng giáng lớn Một số giá trị báo cáo có độ sai khác kết quả khá cao giữa các tác giả Đôi khi sai số của các kết quả không được công bố Vì vậy, việc đo đạc kiểm chứng thêm là rất cần thiết Công trình của De Corte và đồng nghiệp [6, 7, 8], Simonits

và đồng nghiệp [2, 8] và Moens và đồng nghiệp [9, 34, 84] đã chỉ ra rằng các hằng số phản ứng hạt nhân và hằng số hạt nhân khác được sử dụng trong kỹ

thuật có thể được nhóm lại thành một tổ hợp và gọi là “hệ số k 0" cho mỗi phản

ứng quan tâm và bức xạ phát ra [10, 11] Các hệ số k 0 giải quyết được những

bất tiện của các hằng số cụ thể cho từng phòng thí nghiệm như "hệ số k" đã

được giới thiệu trước đó bởi Girardi et al [12], bằng cách chuẩn hóa chúng độc

lập với điều kiện chiếu và đo [13] Do đó, các hệ số k 0 có thể được xác định

bằng thực nghiệm bởi các phòng thí nghiệm chuyên biệt, với độ không đảm

3

bảo đo (uncertainty) thấp hơn hoặc bằng 5% (tại mức độ tin cậy 95%), và sau

đó được sử dụng bởi các phòng thí nghiệm NAA khác ở nước ngoài bằng cách

áp dụng phương pháp chuẩn hóa k 0 [14, 34, 38, 46]

Phương pháp k 0 là một trong bốn phương pháp tính toán hàm lượng nguyên

tố trong NAA, được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1974 bởi hai tác giả là F

De Corte và A Simonits [7] Từ đó cho đến nay, k 0-NAA luôn được quan tâm phát triển tại nhiều phòng thí nghiệm NAA và đã được hiệp hội phân tích hạt nhân công nhận như một phương pháp phân tích chuẩn hóa [6] Phương

pháp k 0-NAA đã được bắt đầu nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt từ những năm 1980 của thế kỷ trước Đến năm 2002, phương pháp này

được áp dụng một cách chính thức thông qua chương trình k 0-DALAT [15]

Ưu điểm của phương pháp k 0-NAA là đơn giản trong thực nghiệm so với phương pháp tương đối, độ chính xác cao so với phương pháp tuyệt đối và linh hoạt khi thay đổi điều kiện chiếu và đo so với phương pháp chuẩn đơn Đặc biệt là không cần dùng mẫu chuẩn khi phân tích một số lượng lớn mẫu

Các hệ số k 0 đầu tiên được xác định trong khoảng thời gian 1980-1990 chủ yếu bởi 2 viện: Viện Khoa học Hạt nhân (INW) tại Đại học Gent ở Gent (Bỉ)

và Viện Nghiên cứu Nguyên tử Központi Fizakai Kutató Intézet (KFKI) (Hungary; hiện nay là AEKI), ngoài ra có một số hợp tác với Risø tại Viện Quốc gia Năng lượng Bền vững Danmarks Tekniske Universitet (Đan Mạch; giải thể vào năm 2012) [10, 16, 37, 47, 52, 53]

Trong những năm đầu của thập niên 90, việc tiếp nhận và áp dụng phương

pháp chuẩn hóa k 0 trên toàn thế giới đã phát triển vượt bậc trong cộng đồng người dùng kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron [12, 17, 44, 45, 49, 51, 54, 55, 77] Mỗi thập kỷ đều có các bản sửa đổi, xác định lại các giá trị cốt lõi của

phương pháp này bởi hội đồng k 0 quốc tế Tuy nhiên có thể thấy hệ số k 0 của

4

một số hạt nhân chỉ được xác định một lần khoảng vài chục năm trước và đến nay cũng chưa được xác định lại [4] Một số kết quả độc lập [18, 50, 79] đã có sẵn nhưng chưa được đánh giá và đưa vào thư viện Một lý do khác cho thấy

sự cần thiết của việc xác định lại các hệ số k 0 là sau hơn 30 năm kể từ khi

phương pháp k 0 được giới thiệu, còn thiếu một bộ dữ liệu đủ thống kê về dữ

liệu thực nghiệm k 0 độc lập, từ đó cộng đồng k 0 có thể rút ra kết luận về độ chính xác của cơ sở dữ liệu hiện tại [19, 82]

Độ chính xác và khả năng áp dụng của phương pháp k 0-NAA phụ thuộc đáng kể vào độ tin cậy của các số liệu hạt nhân sẵn có Việc đánh giá các số liệu hạt nhân này trong lĩnh vực khoa học và công nghệ hạt nhân nói chung và

trong phương pháp k 0-NAA nói riêng là việc làm quan trọng và cần thiết để từ

đó xem xét lại một số các số liệu hạt nhân có còn phù hợp nữa hay không và

có cần thiết phải xác định lại các số liệu này hay không Kết quả của việc xác

định lại các số liệu hạt nhân trong phương pháp k 0-NAA sẽ góp phần cải thiện

độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp này, mặt khác nó cũng góp phần thiết lập và xây dựng một cơ sở dữ liệu hạt nhân ở cấp phòng thí nghiệm hoặc

cơ sở nghiên cứu, tiến tới đóng góp vào cơ sở dữ liệu hạt nhân của Việt Nam (nếu có) hoặc sẽ xây dựng trong tương lai

Phản ứng hạt nhân trong NAA phụ thuộc vào năng lượng của neutron tới Các neutron này đóng vai trò như là các hạt tới kích thích phản ứng, tạo ra các hạt nhân phóng xạ Các hạt nhân phóng xạ được tạo ra sẽ ở trạng thái không bền và luôn có xu hướng trở về trạng thái bền bằng cách phát ra các tia gamma Tiết diện bắt neutron của hạt nhân nguyên tử trong mẫu cũng phụ thuộc vào năng lượng neutron Ở vùng năng lượng thấp, hay gọi là vùng năng lượng nhiệt, tiết diện bắt neutron (ký hiệu là 0) là xác suất bắt neutron tương ứng ở vận tốc

2200 m/s [10] Ở vùng năng lượng cao hơn, gọi là vùng trên nhiệt hay vùng

5

năng lượng cộng hưởng, xác suất bắt neutron được thể hiện thông qua tích phân

cộng hưởng (ký hiệu là I 0), cũng chính là tiết diện bắt neutron cộng hưởng Tại vùng năng lượng này, hàm phân bố của tiết diện thường không có đỉnh đơn mà bao gồm nhiều đỉnh chồng chập rất phức tạp, thường phải tính bằng tích phân

cả vùng năng lượng theo công thức Breit-Wigner [5, 10] Cơ sở lý thuyết của phương pháp NAA dựa trên phản ứng (n, ) gây bởi các neutron nhiệt hoặc neutron trên nhiệt

Phương pháp k 0-NAA trước đây được hiệu chỉnh để sử dụng rộng rãi với các lò phản ứng, ví dụ như SLOWPOKE tại phòng thí nghiệm Ecole

Polytechnique SLOWPOKE [20] Độ chính xác của k 0-NAA đã được kiểm chứng nhiều lần thông qua nhiều so sánh với các tiêu chuẩn của các nguyên tố khác nhau và kết quả đạt được với sai số trung bình khoảng 3,5% [15, 23] Tuy

nhiên, đối với một vài nguyên tố có giá trị Q 0 cao (Q 0 được tính bằng tỉ số giữa tích phân cộng hưởng và tiết diện bắt neutron nhiệt), được kích hoạt chủ yếu bởi các neutron trên nhiệt tại vị trí chiếu xạ bên trong của lò phản ứng, thì sai

số của kết quả là tương đối cao (khoảng 10%) [10, 30, 31] Do đó, để có thể lý giải cho điều này một cách rõ ràng thì cần có những đánh giá chính xác số liệu

hạt nhân của những nguyên tố có Q 0 lớn này Ngoài ra, các số liệu hạt nhân này cũng có thể dùng để dự đoán được sự ảnh hưởng mạnh của neutron trên nhiệt lên phổ phát xạ và có thể giải thích được tại sao phổ này lại bị lệch khỏi

quy luật 1/E Các hạt nhân có giá trị tích phân cộng hưởng lớn hơn giá trị tiết diện bắt neutron nhiệt (tức là Q 0 > 1) có vai trò đặc biệt trong nghiên cứu vật

lý hạt nhân nói chung và ứng dụng phát triển phương pháp k 0-NAA nói riêng

[15] Vì vậy các số liệu hạt nhân trong phương pháp k 0-NAA của những hạt nhân có tích phân cộng hưởng lớn hơn tiết diện bắt neutron nhiệt cần được xem xét và đánh giá một cách toàn diện

6

Tóm lại việc nghiên cứu phát triển, ứng dụng phương pháp k 0-NAA trong

lò phản ứng hạt nhân là cần thiết trong nghiên cứu về Vật lý hạt nhân Đây cũng là lý do để tôi lựa chọn đề tài “Đánh giá số liệu hạt nhân trong phương

pháp k 0-NAA đối với ba hạt nhân 110Ag, 116m2In, và 183mW có tích phân cộng

hưởng lớn hơn tiết diện bắt neutron nhiệt” nhằm xác định các hệ số k 0 của một

số hạt nhân có giá trị Q 0 > 1 dựa trên phương pháp lá dò chiếu trần tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Mục đích của luận án là đánh giá lại các số liệu hạt nhân được sử dụng

trong phương pháp k 0-NAA cho những hạt nhân sống ngắn có tích phân cộng hưởng lớn hơn tiết diện bắt neutron nhiệt và được trình bày gồm 3 nội dung sau:

❖ Xác định các hệ số k 0,Au và Q 0 của 3 hạt nhân (110Ag, 116m2In, 183mW)

dựa trên phương pháp lá dò chiếu trần tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (k 0,Au

là hệ số k 0 của nguyên tố so với Au)

❖ Đánh giá các số liệu mới đo được qua việc so sánh với công trình khác

và áp dụng các số liệu mới vào phương pháp k 0-NAA để phân tích mẫu chuẩn

❖ Cập nhật các số liệu mới vào chương trình k 0-DALAT

Nội dung chi tiết của luận án: “Đánh giá số liệu hạt nhân trong phương pháp k 0-NAA đối với ba hạt nhân 110Ag, 116m2In, và 183mW có tích phân cộng hưởng lớn hơn tiết diện bắt neutron nhiệt”, bao gồm:

• Khảo sát danh sách các hạt nhân phóng xạ cần xác định lại hệ số k 0,Au

được hội đồng khoa học quốc tế k 0 - ISC đưa ra

• Lựa chọn các hạt nhân có Q 0 > 1 và những hạt nhân này phải có trong các vật liệu có thể tìm được để nghiên cứu tại Việt Nam, bao gồm: 110Ag,

116m2In và 183mW

• Xác định bằng thực nghiệm hệ số k 0,Au và Q 0 của các hạt nhân này và so sánh kết quả với các tác giả trước đây

7

• Áp dụng số liệu k 0,Au mới vào phương pháp k 0-NAA để xác định hàm

lượng nguyên tố trong mẫu chuẩn

Cập nhật số liệu hạt nhân là nhu cầu thường xuyên của các phòng thí nghiệm nghiên cứu thuộc lĩnh vực phân tích kích hoạt neutron, vừa để chính xác hóa các kết quả phân tích nguyên tố của chính phòng thí nghiệm, đồng thời còn đóng góp vào dữ liệu của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế Luận

án sẽ thực hiện đánh giá số liệu hạt nhân cho 3 hạt nhân sống ngắn có tích phân cộng hưởng lớn hơn tiết diện bắt neutron nhiệt là 110Ag, 116m2In và 183mW với thời gian bán rã tương ứng là 24,56 giây; 2,16 giây; và 5,2 giây, nhằm mục

đích cập nhật vào dữ liệu của phần mềm k 0-DALAT để đáp ứng nhu cầu phân tích các hạt nhân được kích hoạt bằng neutron trên nhiệt

Với những nội dung trên thì bố cục của luận án gồm các phần sau:

✓ Mở đầu: Giới thiệu về đối tượng, phạm vi nghiên cứu, mục đích, nội dung

và ý nghĩa thực tiễn của luận án

✓ Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

✓ Chương 2: Giới thiệu tổng quan lý thuyết phân tích kích hoạt neutron

✓ Chương 3: Thực nghiệm đo các thông số phổ neutron; Khảo sát các thông

số của thiết bị chiếu và hệ đo; xác định hệ số k 0,Au và Q 0 của 3 hạt nhân

110Ag, 116m2In và 183mW

✓ Chương 4: Kết quả thông số phổ neutron tại Kênh 13-2 và Cột nhiệt; Kết

quả hiệu chuẩn hiệu suất ghi của đầu dò GMX-4076; Kết quả hệ số k 0,Au và

Q 0 của 3 hạt nhân 110Ag, 116m2In và 183mW và đánh giá hệ số k 0,Au mới từ việc xác định hàm lượng các nguyên tố từ mẫu chuẩn

✓ Kết luận và kiến nghị: Trình bày những kết quả đạt được và những điểm mới của luận án từ đó đề xuất những hướng nghiên cứu tiếp theo trong

tương lai

8

ABSTRACT

Neutron activation analysis (NAA) is a high-sensitivity and precision physical nuclear analysis method that can solve many practical problems in various fields such as geological, archaeological, agricultural, medical, materials, and environmental research In NAA, three types of neutron sources are commonly used, including those from radioactive isotopes, nuclear accelerators, and nuclear reactors Using neutron sources from a nuclear reactor for research provides high neutron flux and large sample activation space, making it the most advantageous neutron source for NAA among the three abovementioned types NAA has different standardization methods such

as absolute, relative, single standard, and k 0 methods Among them, the k 0NAA method is evaluated as a stable method (in terms of systematic error) with high sensitivity and accuracy, especially when it is applied to study some objects of interest, such as environmental, geological, and archaeological issues, demonstrating the superior advantages of this method Therefore, the

-k 0-NAA method has been used worldwide a reference method used to validate standard reference materials and also as the main method in many research objects

The accuracy and applicability of the k 0-NAA method depend significantly on the reliability of the existing nuclear data Evaluating these nuclear data in the field of nuclear science and technology in general and in the

k 0-NAA method in particular, is essential, and it is often requited to reconsider some nuclear data that may no longer be suitable and require re-determination

The results of re-evaluating the nuclear data in the k 0-NAA method will contribute to improving the accuracy and reliability of this method, as well as establishing and building a nuclear data database at the laboratory or research-

9

based level and contributing to the nuclear data database of Vietnam (if any)

or to be built in the future

Nuclear reactions in NAA techniques depend on the energy of neutrons

to induce reactions in samples, acting as an exciting particle, which causes nuclear emissions from unstable states by emitting gamma rays to return stable states The neutron capture cross-section of the sample plays an essential role

in determining the number of neutrons that will be captured and subsequently produce gamma radiations Therefore, evaluating the cross-section data of neutron capture reactions in NAA is necessary to ensure the method's accuracy The goal of the present thesis is to re-evaluate the nuclear data in NAA performed on neutron source at Dalat nuclear reactor, focusing on nuclei whose resonance integral is higher than the thermal neutron cross-section

10

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Phóng xạ là hiện tượng trong tự nhiên, một số hạt nhân tự động phát ra các bức xạ và biến thành hạt nhân khác, nó xuất hiện từ lúc hình thành Trái Đất nhưng loài người không phát hiện ra, cho đến năm 1896 khi Henri Becquerel tình cờ phát hiện ra phóng xạ khi nghiên cứu muối uranium Vào năm 1899, Pierre và Marrie Curie cũng đã phát hiện và phân lập được các chất phóng xạ Cho đến năm 1934, các đồng vị phóng xạ nhân tạo của phospho và nitơ đã được tạo ra khi chiếu nhôm và bo bằng hạt alpha của nguồn polonium bởi Frederic Joliot và Iren Curie Phát minh này đã mở ra kỷ nguyên nghiên cứu ứng dụng của phóng xạ nhân tạo

Những ứng dụng của bức xạ ion hóa được triển khai nhanh chóng trong việc phân tích nguyên tố, chẩn đoán hình ảnh, xử lý các khối u và nhiều ứng dụng khác Một trong những phương pháp phân tích nổi bật, được ứng dụng rộng rãi trên thế giới đó là phương pháp phân tích kích hoạt neutron

Phân tích kích hoạt neutron (NAA) dựa trên phản ứng (n, γ) qua việc chiếu mẫu kích hoạt bởi neutron từ lò phản ứng nên ưu điểm của phương pháp này

là dễ thực hiện và có độ chính xác cao; neutron tương tác với nguyên tố trong mẫu làm cho chúng trở thành hạt nhân phóng xạ phát ra tia gamma đặc trưng, phân tích phổ gamma đặc trưng này sẽ giúp chúng ta phân tích mẫu cả về mặt định tính lẫn định lượng Trong NAA bao gồm các phương pháp sau: PGNAA (đo gamma tức thời); CNAA (đo gamma lăp vòng); INAA (đo gamma trễ); RNAA (có thêm phần hóa học để tách (các) nguyên tố quan tâm khỏi matrix

11

mẫu, nhằm nâng cao giới hạn phát hiện) [3] Trong Hình 1.1 mô tả quy trình thực nghiệm của phương pháp NAA mà hiện nay trên thế giới đang áp dụng

Hình 1.1 Quy trình thực nghiệm của phương pháp NAA

Với việc thực hiện tương đối dễ dàng và có độ chính xác cao nên NAA là một phương pháp phổ biến trong phân tích hàm lượng đa nguyên tố, mối quan hệ giữa hàm lượng nguyên tố và tín hiệu đo gần như độc lập với matrix mẫu, việc chuẩn bị mẫu cũng đơn giản và nhanh chóng do đó giảm thiểu rủi ro mất mát, ô nhiễm [13, 36] Ngoài ra có thể xử lý mẫu sau khi chiếu xạ điều này cho phép thực hiện các thao tác như khắc, hòa tan, tách hóa, bổ sung các chất mang trơ và xác định hiệu suất tách Dễ dàng phân tích các nguyên tố qua việc phân tích phổ gamma đặc trưng, gamma có khả năng đâm xuyên mạnh nên có thể phân tích không phá hủy mẫu Có thể đo phổ gamma bằng hệ phổ kế gamma HPGe siêu tinh khiết có độ phân giải cao

12

Phương pháp NAA có độ nhạy rất cao (đến ppm, ppb hoặc thậm chí đến mức ppt) có thể phân tích mẫu đa nguyên tố, mặc dù không phải tất cả và có nền tảng cơ sở lý thuyết vững chắc [21, 42] Điều này cho phép NAA được xem là một phương pháp phân tích hữu hiệu, trong đó tất cả các nguồn sai số

có hệ thống hoặc ngẫu nhiên đều có thể xác định và dự đoán được [22] Do đó, ngoài các ứng dụng khác, phương pháp này rất phù hợp dùng để phê duyệt các mẫu chuẩn [11, 43, 58]

Tuy nhiên, phương pháp nào cũng có những hạn chế, NAA cũng không ngoại lệ Một số nhược điểm của NAA là sự phụ thuộc vào một cơ sở chiếu xạ (lò phản ứng hạt nhân) và các quy định an toàn trong việc sử dụng vật liệu phóng xạ Một khó khăn nữa là trong các ứng dụng công nghiệp thì quy trình phân tích tương đối dài (Những nhược điểm sẽ được trình bày chi tiết trong

Chương 2 của luận án) Thật vậy, trong phân tích liên quan đến các hạt nhân

phóng xạ tồn tại lâu dài, thời gian chiếu xạ nhiều giờ hoặc thậm chí vài ngày

và thời gian đo hàng chục giờ (mỗi mẫu) Cách duy nhất để khắc phục những bất tiện này là chuyển sang các mẫu lớn hơn, thông lượng neutron cao hơn và các thiết bị đếm hiệu quả hơn (tức là hệ đo HPGe lớn hơn) Việc công nhận những hạn chế của NAA không phải là mới, và đã được đánh giá ở giai đoạn đầu trong quá trình phát triển của nó - vào cuối những năm bốn mươi – đã có rất nhiều những nỗ lực của các nhà khoa học để đơn giản hóa, cải tiến quy trình ứng dụng của NAA

Trên thế giới, các nước đi đầu trong việc nghiên cứu phát triển và áp dụng

phương pháp k0-NAA đầu tiên vào cuối những năm 1970 phải kể đến là Viện INW ở Bỉ và Viện KFKI ở Hungary Sau đó, những năm 1980, một số phòng thí nghiệm như NIST (Hoa Kỳ), Delft (Hà Lan), SACLAY (Pháp), đã tham gia lĩnh vực này [47] Tiếp theo những năm 1990, các nước như Viện KFA (Đức),

13

JAERI (Nhật Bản), Trung Quốc, Việt Nam, Hàn Quốc và Malaysia đã nghiên

cứu áp dụng phương pháp k 0-NAA trong kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron [1, 3, 4, 5,16,17, 51] Năm 1993 trong công trình của Roth đã công bố giá trị

hệ số k 0,Au của hạt nhân 116m2In là 0,0471 với sai số là 0,3% [24] Năm 1999,

Van Lierde và cộng sự đã xác định được giá trị hệ số k 0,Au của 110Ag là 0,0306 với sai số là 0,4% [25] Ngoài ra năm 2006 thì Szentmikiosi và công sự cũng

đã tính được giá trị hệ số k 0,Au cho 110Ag là 0,03627 với sai số 1,7% [26] Năm

2010, trong công trình của Szentmikiosi cũng đã tính được giá trị hệ số k 0,Au

cho 116m2In là 0,0455 [27] Gần đây có công trình của Acharya năm 2012 đã

công bố hệ số k 0,Au cho 183mW là 1,73.10-4 với sai số là 3,81.10-6 và 110Ag là 3,52.10-2 và sai số là 5,98.10-4 [28] Như vậy có thể thấy rằng hiện nay trên thế giới số liệu hạt nhân của các hạt nhân sống ngắn, có tích phân cộng hưởng lớn hơn tiết diện bắt neutron nhiệt đang rất hạn chế, các số liệu được công bố đã

cũ cần phải có nhiều công trình nghiên cứu cập nhật hơn

Hội đồng khoa học k 0 quốc tế (k 0 – ISC) được thành lập năm 2007, ban đầu chủ yếu tham gia vào việc chấp nhận và xem xét các bài báo được trình

bày tại các hội thảo về k 0 Sau này thì thực hiện thêm nhiệm vụ mới là chịu trách nhiệm tiếp tục điều phối tất cả các phát triển mới về phương pháp và dữ

liệu hạt nhân bởi Tiểu ban dữ liệu hạt nhân k 0 Để chia sẻ tất cả kiến thức với

mục đích là cung cấp thông tin và cho phép người dùng k 0 liên hệ với các thành

viên của k 0 -ISC cũng như tiếp cận được với các số liệu hạt nhân mới về k 0

Bảng 1.1 liệt kê danh sách các hạt nhân cần phải xác định lại theo tổ chức k 0 – ISC công bố

15

Cho đến nay những nhân phóng xạ có thời gian sống ngắn, có tỉ số tích phân cộng hưởng và tiết diện bắt neutron nhiệt chưa thật sự được quan tâm một cách đầy đủ việc đánh giá lại các số liệu hạt nhân cho những nhân phóng xạ

này là hết sức cần thiết và cấp bách [29, 65, 71, 83, 84]

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở nước ta, phương pháp k 0-NAA trên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã được nghiên cứu từ những năm cuối của thập niên 1980 và đầu thập niên 1990,

chủ yếu xác định các hệ số k 0,Au của các hạt nhân sống ngắn như trong công

trình của Phạm Duy Hiển và cộng sự năm 1991 đã xác định giá trị hệ số k 0,Au

cho hạt nhân 110Ag là 3,74.10-2 với sai số là 7,48.10-4 [30] Đầu những năm

2000, nhóm nghiên cứu của Hồ Mạnh Dũng đã phát triển phương pháp k 0-NAA trên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [2, 3, 11, 14, 41, 43], từ việc xác định thực nghiệm các thông số phổ neutron tại các vị trí chiếu kích hoạt mẫu trong lò phản ứng hạt nhân cho đến việc hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma, phát triển phần

mềm xử lý số liệu, v.v… Trong đó, đặc biệt nhất là hệ chương trình “k 0

-DALAT” cho phép tính toán tất cả các số liệu của bài toán k 0-NAA và được ứng dụng để phân tích nhiều nguyên tố [20, 40, 43, 56, 57, 69, 70, 78, 85] Gần đây, nhóm nghiên cứu của Hồ Mạnh Dũng cũng đã phát triển thêm

kỹ thuật dùng neutron trên nhiệt (epithermal neutrons) [29, 75, 80, 86] và kỹ

thuật kích hoạt lặp vòng (cyclic NAA) trong phương pháp k 0-NAA [16, 63, 64,

66, 67, 74, 76] Đặc biệt, nhóm nghiên cứu đang tiến hành đánh giá lại các số

liệu hạt nhân trong phương pháp k 0-NAA để cập nhật vào thư viện dữ liệu của

chương trình k 0-DALAT [75] Trong các nghiên cứu này, số liệu hạt nhân trong

phương pháp k 0 -NAA bao gồm: hệ số k 0 – tổ hợp của các hằng số hạt nhân (khối lượng nguyên tử, độ phổ biến đồng vị, hiệu suất phát tia gamma và tiết

diện bắt neutron nhiệt); Q 0 – tỷ số giữa tích phân cộng hưởng (I 0) và tiết diện

16

bắt neutron nhiệt (0); và E r – năng lượng cộng hưởng hiệu dụng Một số trong các số liệu hạt nhân này được đo bằng thực nghiệm, trong khi một số khác thu được bằng tính toán

Trong NAA, phương pháp k 0-NAA đã được áp dụng thành công để phân tích nguyên tố dựa trên khoảng 115 nhân phóng xạ (radionuclides) [18, 39, 46,

48, 59, 60] Tuy nhiên, một số hạt nhân tồn tại rất ngắn với thời gian sống dưới

100 giây (Bảng 1.1) đã chưa được quan tâm tại lò phản ứng nghiên cứu Đà Lạt

Một trong những lý do là giá trị của hệ số k 0,Au và Q 0 của các hạt nhân này khác nhau đáng kể Do đó, trong luận án này chúng tôi tập trung vào việc xác định

lại và đánh giá dữ liệu hạt nhân của một vài hạt nhân sống ngắn có hệ số Q 0

lớn hơn 1 bao gồm: 110Ag (T1/2 = 24 giây), 116m2In (T1/2 = 2,16 giây) và 183mW

(T1/2 = 5,2 giây) [19] Các thông số của 3 hạt nhân này được trình bày trong

nhau Độ chính xác của phương pháp k 0-NAA phụ thuộc trực tiếp vào hệ số

k 0,Au [10, 39] Gần đây, dữ liệu hạt nhân của hệ số k 0,Au đã được cập nhật cho các năm 2003, 2012 và 2015 [36] Tuy nhiên, có một số dữ liệu về các hạt nhân sống ngắn chưa được cập nhật hoặc chỉ được đo bằng một phòng thí nghiệm

Bảng 1.3 Hệ số k 0,Au của 110Ag, 116m2In và 183mW đo được trước đây

Một số hệ số k 0,Au của các hạt nhân sống ngắn có sự tương đồng giữa các

công trình nghiên cứu Tuy nhiên, hệ số k 0,Au của 110Ag trong tài liệu tham khảo Van Lierde năm 1999 [25] khác biệt đáng kể so với dữ liệu hiện có trong các tài liệu tham khảo khác như chúng ta có thể thấy trong Bảng 1.3 Ngoài ra ta thấy không có nhiều dữ liệu được đề xuất cho 116m2In và chỉ có hai giá trị do Roth công bố năm 1993 [24] và Acharya công bố năm 2012 [28] Bảng 1.3

cũng cho thấy rằng mới chỉ có một giá trị k 0,Au của 183mW được đề xuất bởi

Acharya năm 2012 [27] Do đó, trước khi sử dụng hệ số k 0,Au của các hạt nhân

18

sống ngắn, việc xác định lại các hệ số k 0,Au của các hạt nhân 110Ag; 116m2In và

183mW là cần thiết cho những ứng dụng gần đây, hướng tới mục đích cập nhật

cơ sở dữ liệu trên phần mềm k 0-DALAT

Trong luận án các hệ số k 0,Au và Q 0 cho 3 hạt nhân phóng xạ sống ngắn (110Ag, 116m2In và 183mW) đã được xác định bằng thực nghiệm tại lò phản ứng

hạt nhân Đà Lạt có công suất 0,5 MW của Việt Nam Trong đó, các hệ số k 0,Au

được xác định bằng phương pháp "chiếu trần" tại vị trí chiếu xạ là Cột nhiệt

Còn các giá trị Q 0 thì được xác định bằng phương pháp "Tỷ số Cd" tại vị trí chiếu xạ là Kênh 13-2, được lắp đặt trong Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Trong thực tế, các hạt nhân có tích phân cộng hưởng lớn hơn tiết diện bắt

neutron nhiệt (Q 0 > 1) là rất nhiều, để có một cái nhìn tổng quan về điều này thì từ các dữ liệu tham khảo luận án đã tổng hợp và trình bày thành Bảng 1.4

Số liệu hạt nhân trong phương pháp k 0-NAA của các hạt nhân sống ngắn

có tích phân cộng hưởng lớn hơn tiết diện bắt neutron nhiệt hiện nay đặc biệt

là hệ số k 0,Au và Q 0 còn rất hạn chế Phần lớn được công bố cách đây rất lâu, với điều kiện nghiên cứu hiện nay cần có nhiều công trình tính toán và đánh giá lại số liệu hạt nhân một cách toàn diện cho những hạt nhân này

1.4 Tóm tắt Chương 1

Trong chương đã trình bày bức tranh tổng quát tình hình nghiên cứu về

số liệu hạt nhân trong phương pháp k 0-NAA của các hạt nhân sống ngắn có tích phân cộng hưởng lớn hơn tiết diện bắt neutron nhiệt và xác định được đối tượng nghiên cứu của luận án trong điều kiện cho phép tại Việt Nam là các hạt nhân 110Ag; 116m2In và 183mW Các số liệu sẵn có về 03 hạt nhân này hiện nay rất hạn chế, cần được xác định và đánh giá lại một cách toàn diện

21

Chương 2 PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON

2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích kích hoạt neutron

2.1.1 Phương pháp luận của phân tích kích hoạt neutron

Nguyên tắc chung trong phương pháp NAA là mẫu được kích hoạt bởi neutron Sau quá trình chiếu xạ, các đồng vị bền trong mẫu ở dạng tự nhiên của các nguyên tố được trở thành những đồng vị phóng xạ qua việc bắt neutron Các đồng vị phóng xạ này sẽ được nhận dạng dựa trên những tính chất bức xạ khác nhau hay dựa vào các hoạt tính phóng xạ đặc trưng của chúng cụ thể là loại bức xạ, năng lượng bức xạ, chu kỳ bán rã Đây là cơ sở lý thuyết cho việc nhận diện nguyên tố (phương pháp định tính) và xác định hàm lượng nguyên

tố trong mẫu dựa trên việc đo cường độ bức xạ gamma đặc trưng phát ra từ các sản phẩm kích hoạt (phương pháp định lượng)

Phần quan trọng nhất trong NAA là phản ứng (n, ), trong đó hạt nhân X (hạt nhân bia) sẽ hấp thụ một neutron sau đó tạo ra một hạt nhân phóng xạ với

số nguyên tử Z không đổi nhưng có số khối A tăng lên một đơn vị Hạt nhân phóng xạ mới sẽ phát ra tia gamma đặc trưng và quá trình này được biểu diễn bởi phản ứng [10]:

22

Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron [10]

Ký hiệu () trong quá trình để biểu diễn cho hạt nhân hợp phần trong giai đoạn trung gian

2.1.2 Ưu điểm của phương pháp NAA

- Có khả năng phân tích nhiều nguyên tố trong nhiều loại mẫu khác nhau

- Có giới hạn phát hiện thấp tới 10-6 mg.kg-1.[3, 72]

- Không bị các hiệu ứng nhiễu do maxtrix mẫu (hiệu ứng ảnh hưởng qua lại

giữa các thành phần bên trong mẫu)

- Có thể phân tích mà không cần phá hủy mẫu, gọi là phân tích kích hoạt

neutron dụng cụ (INAA)

- Có khả năng định tính cao dựa vào các tia gamma đặc trưng của hạt nhân

phóng xạ phát ra

- Phương pháp này có cơ sở lý thuyết đơn giản, rõ ràng và dễ hiểu

- Có thể lựa chọn mật độ thông lượng neutron và năng lượng neutron ở các mức độ nhất định, điều này giúp chúng ta có được các kết quả tốt nhất khi

sử dụng tối ưu hóa, cũng như kích hoạt có chọn lọc [23, 48, 62, 68]

23

2.1.3 Nhược điểm của phương pháp NAA

- Khi kích hoạt mẫu cần phải có lò phản ứng hoặc nguồn neutron là những

thiết bị khó tiếp cận đối với số đông

- Người nghiên cứu phải làm việc trong môi trường phóng xạ Cần phải có quá trình xử lý chất thải phóng xạ cũng như che chắn phóng xạ và định liều

cá nhân theo quy định an toàn bức xạ

- Việc triển khai ứng dụng trong công nghiệp không được thường xuyên và

ra tạo thành các ion, dẫn đến việc tăng áp suất trong container chiếu mẫu

và có nguy cơ gây nổ, hỏng mẫu đo

- Đối với các nguyên tố có thời gian sống dài thì quá trình phân tích tốn khá

nhiều thời gian

Hình 2.2 Các nguyên tố có thể phân tích bằng NAA (màu đậm)

24

2.1.4 Các phương pháp NAA

Những phương pháp sau đây thường được sử dụng để tăng xác suất của các phản ứng cần thiết giữa neutron và hạt nhân bia của mẫu đo (xác suất của phản ứng phụ thuộc vào năng lượng neutron) và hạn chế hình thành các nhiễu không mong muốn của matrix

a) Phân tích kích hoạt neutron nhiệt (TNAA)

Mẫu đo được chiếu chỉ bằng neutron nhiệt, được thu bởi quá trình tương tác của neutron phân hạch và chất làm chậm Vì vậy, chúng ta cần phải có một khối làm chậm tại nguồn neutron (chẳng hạn như khoảng cách, khối graphite, cột graphite bên trong lò phản ứng) Khi neutron di chuyển xuyên qua các khối này thì năng lượng sẽ bị giảm và chúng trở thành các neutron nhiệt sau đó sử dụng cho việc kích hoạt

b) Phân tích kích hoạt neutron trên nhiệt (ENAA)

Mẫu đo được chiếu bởi neutron có năng lượng cao hơn 0,55 eV Được sử dụng trong những trường hợp các hạt nhân có vùng cộng hưởng cao đối với việc bắt neutron có năng lượng trên 0,55 eV Để kích hoạt bằng những neutron này thì chúng ta cần phải che chắn neutron nhiệt, để thực hiện việc này người

ta thường sử dụng Cadmium hoặc Bo

c) Phân tích kích hoạt neutron nhanh (FNAA)

Phương pháp phân tích kích hoạt neutron nhanh thường được dùng để nghiên cứu các phản ứng hạt nhân với neutron nhanh, ví dụ như (n, p), (n, 2n), (n, α), v.v neutron nhanh có thể thu được từ lò phản ứng cũng tương tự như neutron trên nhiệt, nghĩa là phải che chắn neutron nhiệt hoặc cũng có thể lấy neutron nhanh từ các nguồn neutron khác (ví dụ như các máy gia tốc)

25

2.2 Lý thuyết phương pháp phân tích kích hoạt neutron

2.2.1 Quá trình kích hoạt mẫu

Trong suốt quá trình chiếu xạ thì mỗi hạt nhân có thể bắt một neutron Ngay sau khi bắt, hạt nhân sẽ giải phóng năng lượng thừa ở dạng động năng bằng cách phát ra các photon hoặc các hạt sau theo các phản ứng

, , , , , , , , , 2

n  n n n p n n n Thực tế phản ứng chủ yếu được sử dụng trong NAA là phản ứng ( )n, 

Tiết diện bắt neutron chính là xác suất bắt neutron của một hạt nhân, được

đo bằng đơn vị m2 hoặc barn (1 barn = 10-28 m2) Giá trị của tiết diện bắt neutron phụ thuộc vào phản ứng tạo thành và năng lượng của neutron tới Nhìn chung, các phản ứng ( )n,  và (n f, ) (phản ứng phân hạch) luôn có tiết diện cao nhất đối với neutron chậm có năng lượng nhỏ hơn 1eV [10]

Tốc độ phản ứng R là xác suất của một hạt nhân bắt một neutron trong một đơn vị thời gian và được xác định bởi công thức [10]:

( ) ( )

R   v dv

Với v là vận tốc của neutron (cm.s-1); ( )v là tiết diện bắt neutron tại vận tốc

v, (cm2); ( )v là thông lượng neutron tại vận tốc v

Khi thông lượng neutron đồng nhất khi đi qua thể tích của mẫu thì tốc độ tạo ra hạt nhân bị kích hoạt  1 

26

Với: N0 là số hạt nhân bia có trong mẫu; N1 là số hạt nhân phóng xạ hình thành bên trong mẫu

2.2.2 Quá trình phân rã

Sau khi hạt nhân bắt một neutron thì sẽ trở thành hạt nhân phóng xạ và nó

sẽ có xu hướng trở về trạng thái bền qua việc phát ra các bức xạ gamma đặc trưng Lúc này, tốc độ phân rã  1( )

Với  là hằng số phân rã [s-1] (là xác suất phân rã trên một đơn vị thời gian)

Chu kì bán rã T1/2 và hằng số phân rã liên hệ với nhau như sau:

27

Sau khi chiếu thì số hạt nhân phóng xạ sẽ giảm dần theo hàm e mũ theo thời gian Số hạt nhân phóng xạ còn lại trong mẫu tại thời điểm bắt đầu đo được tính bởi công thức:

2.2.3 Quá trình đo mẫu

Hỗn hợp các đồng vị phóng xạ sẽ được hình thành bên trong mẫu sau quá trình chiếu xạ neutron Hạt nhân phóng xạ thông qua các phân rã alpha, phân

rã beta hoặc bắt các electron Lúc này, các photon (bức xạ gamma, bức xạ tia X) sẽ được phát ra Các photon phát ra này luôn có năng lượng đặc trưng và có thể đi xuyên qua vật chất mà không bị suy giảm năng lượng, vì vậy phép đo phổ gamma giúp chúng ta nhận biết được hạt nhân đang trong quá trình phân

Trong đó t m là khoảng thời gian đo

Giá trị của diện tích đỉnh năng lượng tia gamma N P được hiển thị trong phổ gần đúng với N P = Np:

S e  là hệ số bão hòa trong khi chiếu; =( )− t d

D e  là hệ số hiệu chỉnh thời gian rã; (1 )

t



 là hệ số hiệu

chỉnh sự phân rã trong quá trình đo

2.3 Phương trình kích hoạt

Theo quy ước Hogdahl thì tốc độ phản ứng R ở phương trình (2.1) sẽ được

bố thông lượng neutron trên nhiệt không tuân theo quy luật 1/E (cm2)

Thay biểu thức R từ (2.12) vào (2.11) ta được:

2.4 Các phương pháp chuẩn hóa trong NAA

Việc chuẩn hóa NAA chính là làm cho quy trình thực nghiệm trở nên phù hợp với phương trình xác định hàm lượng đã chọn của NAA

Phản ứng với neutron có hai đặc điểm cơ bản là: bức xạ gamma và neutron

có khả năng đâm xuyên lớn nên bảo đảm cho việc chuẩn hóa được chính xác

và dễ dàng Do tỉ lệ hàm lượng gần như độc lập với matrix mẫu nên việc chuẩn

bị mẫu dễ dàng hơn, vì vậy nguy cơ sai số ngẫu nhiên cũng như sai số hệ thống

sẽ giảm Việc phân tích có thể được tiến hành nhanh hơn, tiết kiệm hơn nhờ tính chất đơn giản của phương pháp chuẩn hóa

2.4.1 Phương pháp chuẩn hóa tuyệt đối

Để đo hàm lượng nguyên tố  (g/g) trong mẫu người ta thường chiếu kèm mẫu với một lá dò chuẩn (kí hiệu) và áp dụng phương trình sau [7]:

.

.

p m

p

th e

N t

G f G Q M