Phân tích hàm lượng vài nguyên tố trong mẫu địa chất bằng phương pháp kích hoạt neutron và huỳnh quang tia x

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN   - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG VÀI NGUYÊN TỐ TRONG MẪU ĐỊA CHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON VÀ HUỲNH QUANG TIA X SVTH : TRỊNH QUANG THÀNH CBHD : TS HUỲNH TRÚC PHƯƠNG CBPB : TS TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN TP HỒ CHÍ MINH – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG VÀI NGUYÊN TỐ TRONG MẪU ĐỊA CHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON VÀ HUỲNH QUANG TIA X SVTH : TRỊNH QUANG THÀNH CBHD : TS HUỲNH TRÚC PHƯƠNG CBPB : TS TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN -TP HỒ CHÍ MINH - 2013 i MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN A PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON 1.1 Giới thiệu 1.2 Nguyên lý phƣơng pháp phân tích kích hoạt 1.3 Các nguồn neutron dùng phân tích kích hoạt neutron 1.4 Thông lƣợng neutron 1.5 Phƣơng trình kích hoạt 1.6 Những phƣơng pháp chuẩn hóa 10 B PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X 14 1.7 Lý thuyết huỳnh quang tia X 14 1.8 Tƣơng tác tia X với vật chất 15 1.9 Cƣờng độ tia huỳnh quang 18 1.10 Phƣơng pháp phân tích định lƣợng 20 1.11 Kết luận chƣơng 22 CHƢƠNG 24 PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG NGUYÊN TỐ TRONG MẪU ĐỊA CHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP INAA VÀ XRF 24 2.1 Hệ phân tích kích hoạt neutron 24 2.1.1 Nguồn neutron đồng vị Am-Be 24 2.1.2 Hệ phổ kế gamma 26 2.2 Hệ XRF 26 2.1.2 Nguồn phát tia X 26 ii 2.2.2 Hệ đo XRF 27 2.3 Chuẩn bị xử lý mẫu địa chất 29 2.3.1 Chuẩn bị mẫu cho phân tích INAA 32 2.3.2 Chuẩn bị mẫu cho XRF 33 2.3.2.1 Chuẩn bị mẫu phân tích 33 2.4 Chiếu đo mẫu 36 2.4.1 Chiếu đo mẫu INAA 36 2.4.2 Chiếu đo mẫu XRF 38 2.5 Tính toán kết 40 2.5.1 Kết phân tích INAA 40 2.5.2 Kết phân tích XRF 41 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron [7] Hình 1.2: Phổ thông lƣợng neutron [5] Hình 1.3 : Sự phụ thuộc hệ số suy giảm theo lƣợng[9] 17 Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp huỳnh quang tia X[4] 18 Hình 2.1: Cấu hình nguồn neutron Am – Be [5] 25 Hình 2.2: Hệ chuyển mẫu MTA-1527 nhờ bơm áp lực [5] 25 Hình 2.3: Hệ phổ kế Gamma với detector HPGe[5] 26 Hình 2.4: Phổ nguồn ống phát tia X bia Ag 27 Hình 2.5: Phổ nguồn ống phát tia X bia Ag với filter Cu 27 Hình 2.6: Bộ xử lý tín hiệu xung PX5 28 Hình 2.7: Detector XR-100SDD 28 Hình 2.8: Mẫu đá A, B, C 29 Hình 2.9: Mẫu D 29 Hình 2.10: Sơ đồ quy trình xử lý mẫu 30 Hình 2.11: Mẫu C sau cắt nhỏ 30 Hình 2.12: Chày, cối, ray 0.25μm 31 Hình 2.13: Đèn hồng ngoại cân điện tử 31 Hình 2.14: Các mẫu sau xử lý cho vào khay đựng mẫu 34 Hình 2.15: Phổ ghi nhận mẫu so sánh phƣơng pháp INAA 36 Hình 2.16: Phổ ghi nhận mẫu C2N phƣơng pháp INAA 36 Hình 2.17: Cấu hình chiếu đo mẫu 38 Hình 2.18: Phổ ghi nhận mẫu phân tích A1X 39 Hình 2.19: Sự phụ thuộc tỉ số cƣờng độ IKα(Fe)/ IKα(Co) theo khối lƣợng Fe 43 iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Những nguồn neutron đồng vị [5] Bảng 2.1: Khối lƣợng mẫu phân tích kích hoạt 32 Bảng 2.2: Khối lƣợng thành phần mẫu so sánh 32 Bảng 2.3: Khối lƣợng mẫu phân tích dùng xác định phƣơng pháp XRF 34 Bảng 2.4: Khối lƣợng mẫu chiếu huỳnh quang hiệu chỉnh 35 Bảng 2.5: Khối lƣợng mẫu huỳnh quang tính hệ số cƣờng độ 35 Bảng 2.6: Kết thực nghiệm phƣơng pháp INAA mẫu so sánh mẫu phân tích 37 Bảng 2.7: Thông số hạt nhân đồng vị quan tâm [8] 38 Bảng 2.8: Kết chiếu huỳnh quang mẫu phân tích 39 Bảng 2.9: Kết chiếu huỳnh quang mẫu hiệu chỉnh cƣờng độ Kβ(Co) 40 Bảng 2.10: Kết chiếu huỳnh quang mẫu hiệu chỉnh cƣờng độ 40 Bảng 2.11: Kết tính hàm lƣợng phƣơng pháp kích hoat neutron 41 Bảng 2.12: Kết tính tỉ số hiệu chỉnh thực nghiệm 42 Bảng 2.13: Các giá trị hệ số suy giảm [10] 42 Bảng 2.14: Kết tính hệ số tăng cƣờng Φ 43 Bảng 2.15: Kết tính hàm lƣợng phƣơng pháp huỳnh quang tia X 44 Bảng 2.16: Kết tính hàm lƣợng Fe phƣơng pháp 44 Bảng 2.17: Sự sai biệt hai phƣơng pháp so với giá trị tham khảo 45 Bảng 2.18 : Kết tính hàm lƣợng Al phƣơng pháp 45 MỞ ĐẦU Hiện có nhiều phương pháp phân tích hàm lượng phương pháp kích hoạt neutron (NAA - Neutron Activation Analysis), phương pháp huỳnh quang tia X (XRF), phương pháp phân tích phổ khối lượng plasma cảm ứng (ICP – Inductively Coupled Plasma)… với độ xác cao, đến ppb (10-9 g/g) Trong kỹ thuật INAA ngày phát triển trở thành công cụ hữu hiệu việc phân tích vật liệu làm chuẩn Kỹ thuật có nhiều đóng góp vào toán nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực : khoáng sản, nông-y-sinh, khảo cổ, môi trường, v.v… Để thực phân tích NAA cần có nguồn neutron (lò phản ứng hạt nhân, nguồn phát neutron) thiết bị ghi nhận gamma (hệ phổ kế gamma) Một phương pháp phân tích khác tiện dụng phương pháp INAA có độ xác cao phương pháp huỳnh quang tia X Đây phương pháp giúp người phân tích phân tích mẫu cách trực tiếp cho kết tức Đặc biệt, phương pháp mẫu sử dụng không cần phá hủy mẫu sau phân tích thành phần hóa học không bị thay đổi phương pháp INAA Để thực phương pháp XRF cần sử dụng nguồn phát tia X (ống phát tia X nguồn phát tia X) detctor ghi nhận phổ tia X Chúng ta ứng dụng hai phương pháp để xác định hàm lượng nguyên tố có mẫu địa chất Mục tiêu khóa luận tìm hiểu hai phương pháp phân tích sử dụng phổ biến INAA XRF, đồng thời đánh giá sai biệt khả ứng dụng phương pháp Bộ môn Vật lý Hạt Nhân Trường đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ( ĐH KHTN TP.HCM) Khóa luận chia làm hai chương: Chương : Tổng quan sở phương pháp phân tích hạt nhân : trình bày nguyên lý phương pháp phân tích kích hoạt neutron phương pháp phân tích huỳnh quang tia X Chương : Thực nghiệm xác định hàm lượng đa nguyên tố mẫu địa chất: trình bày thiết bị phương pháp phân tích thực nghiệm Phân tích hàm lượng nguyên tố mẫu địa chất : trình bày số liệu thực nghiệm, so sánh nhận xét kết Cuối phần kết luận kiến nghị Khóa luận bước đầu tiếp cận với cách thức trình bày tài liệu khoa học, không tránh khỏi thiếu sót việc trình bày nội dung nhiều hạn chế việc tìm kiếm tài liệu Vì vậy, mong ý kiến đóng góp chân thành từ qúy Thầy Cô bạn CHƢƠNG TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN A PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON 1.1 Giới thiệu Phương pháp phân tích kích hoạt netron (INAA) phương pháp định tính định lượng có độ xác cao, phù hợp để tính mẫu có hàm lượng nguyên tố thấp Trong INAA mẫu chiếu xạ neutron Trong chiếu nguyên tố bền mẫu bị kích hoạt trở thành đồng vị phóng xạ phản ứng (n,p) (n,n) hay (n,α) Sau hạt nhân phóng xạ theo chu kì khác Khi neutron tương tác với hạt nhân bia qua trình tán xạ không đàn hồi, hạt nhân hợp phần trạng thái kích thích tạo Năng lượng kích thích hạt nhân hợp phần luợng liên kết neutron với hạt nhân Hầu hết hạt nhân hợp phần có khuynh hướng trở trạng thái cân bằng cách phát tia gamma tức thời đặc trưng Trong nhiều trường hợp, trạng thái cân lại tạo hạt nhân phóng xạ phân rã cách phát nhiều tia gamma trễ đặc trưng, tốc độ chậm nhiều so với trình phát tia gamma tức thời Các tia gamma phát detector bán dẫn có độ phân giải lượng cao Trong phổ gamma, lượng đỉnh xác định có mặt nguyên tố có mẫu hay gọi phép định tính, diện tích đỉnh cho phép ta định lượng nguyên tố 1.2 Nguyên lý phƣơng pháp phân tích kích hoạt Trong phân tích kích hoạt, mẫu kích hoạt neutron Trong trình chiếu xạ, đồng vị bền dạng tự nhiên nguyên tố chuyển thành đồng vị phóng xạ bắt neutron Các đồng vị phóng xạ phân biệt dựa tính chất xạ khác hay dựa vào hoạt tính phóng xạ đặc trưng chúng loại xạ, lượng xạ, thời gian bán rã Đây sở cho việc nhận diện nguyên tố (định tính) xác định hàm lượng nguyên tố dựa việc đo lường cường độ xạ gamma phát từ sản phẩm kích hoạt (định lượng) Quan trọng INAA phản ứng (n,) hạt nhân X (hạt nhân bia) hấp thụ neutron tạo hạt nhân phóng xạ với số nguyên tử Z có khối lượng nguyên tử A tăng lên đơn vị phát tia gamma đặc trưng, trình biểu diễn phản ứng: A Z X  01 n  ( AZ1 X)*  AZ1 X   Với: A : số khối nguyên tố bia Z : số hiệu nguyên tử hạt nhân bia Hình 1.1: Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron [7] Ký hiệu () trình biểu diễn cho hạt nhân hợp phần giai đoạn trung gian 1.3 Các nguồn neutron dùng phân tích kích hoạt neutron Nguồn neutron đóng vai trò quan trọng phân tích kích hoạt neutron Tùy theo yêu cầu phương pháp phân tích, người ta dùng nguồn khác Đặc trưng quan trọng cho nguồn neutron thông lượng neutron lượng neutron phát 33 chất sau kích hoạt sản phẩn kích hoạt từ Ca không làm ảnh hưởng đến số đếm hai nguyên tố Fe Al Bảng 2.2: Khối lượng thành phần mẫu so sánh Tên mẫu SS Hợp chất pha vào Khối lượng hợp chất pha vào (g) Nguyên tố Khối lượng nguyên quan tâm tố quan tâm (g) Al2O3 0,9469 Al 0,5013 Fe2O3 1,0741 Fe 0,7519 CaO 3,0059 2.3.2 Chuẩn bị mẫu cho XRF 2.3.2.1 Chuẩn bị mẫu phân tích Khi chuẩn bị mẫu phương pháp huỳnh quang tia X cần ý đến trình chuẩn bị mẫu làm mẫu cường độ vạch phổ bị ảnh hưởng mạnh độ đồng mẫu, độ nhẵn bề mặt, dạng hạt kích thước hạt v.v… xảy trình chuẩn bị mẫu Những điều dẫn đến thiếu xác kết phân tích Khối lượng mẫu phân tích lấy tương quan sau: 8gram mẫu 0,5gram Co2O3 Theo phương pháp chuẩn nội, chất chiếu kèm (ở Co) theo mẫu nguyên tố có bậc số nguyên tử Z lớn từ đến so với bậc số nguyên tử mẫu cần phân tích Điều giúp giảm ảnh hưởng hiệu ứng matrix mẫu Ở ta sử dụng khoảng 0,36gram Co, nhỏ so với 8gram mẫu giúp kết tính toán xác hơn, tránh tăng cường cường độ Co lên Fe có mẫu Các mẫu bột sau xử lý cân cân điện tử cho vào khay mi-ca Hình 2.14 34 Hình 2.14: Các mẫu sau xử lý cho vào khay đựng mẫu Khối lượng mẫu phân tích dùng chiếu cho sau: Bảng 2.3: Khối lượng mẫu phân tích dùng xác định phương pháp XRF Loại mẫu A B C D Khối lượng Co2O3 Tên mẫu Khối lượng mẫu (g) A1X 8,0034 0,5008 A2X 8,0079 0,5023 A3X 8,0036 0,5050 B1X 8,0048 0,5016 B2X 80045 0,5006 B3X 8,0028 0,5034 C1X 8,0070 0,5016 C2X 8,0041 0,5037 C3X 8,0019 0,5002 D1X 8,0026 0,5024 D2X 8,0061 0,5016 D3X 8,0010 0,5037 (g) 35 2.3.2.2 Chuẩn bị mẫu hiệu chỉnh Khi ghi nhận tia huỳnh quang phát từ mẫu detector XR-100SDD khả phân tách đỉnh Kα Co (6.93keV) đỉnh Kβ Fe (7,05keV) Cường độ tia X phát từ đỉnh Kβ Fe bị chồng chập đình Kα Co tính tỉ số Kα/ Kβ Fe mẫu hiệu chỉnh Bảng 2.4 Thành phần axit Boric cho vào để tạo chất cho mẫu thành phần không làm ảnh hưởng đến ghi nhận số đếm phổ Bảng 2.4: Khối lượng mẫu chiếu huỳnh quang hiệu chỉnh Khối lượng axit Boric (H3BO3) Tên mẫu Khối lượng mẫu (g) X1 7,6546 1,9137 X2 7,7140 1,9285 X3 7,7365 1,9341 X4 7,6590 1,9148 X5 7,7635 1,9409 X6 7,6574 1,9143 (g) Ngoài ra, để tính hệ số cường độ Φ ta cần mẫu với khối lượng sau: Bảng 2.5: Khối lượng mẫu huỳnh quang tính hệ số cường độ Tên mẫu Khối lượng Fe (g) Khối lượng Co2O3 (g) Khối lượng NaF 3% 0,2450 0,5024 7,5979 5% 0,4027 0,5024 7,5979 8% 0,6437 0,501 7,3603 10% 0,8016 0,5014 7,2021 Các mẫu pha cho khối lượng Co2O3 không đổi khối lượng Fe thay đổi với lượng chất độn NaF ( Detector khả ghi nhận đỉnh tia X Na nên không làm ảnh hưởng đến phổ ghi nhận) cho khối lượng mẫu vừa đủ gram 36 2.4 Chiếu đo mẫu 2.4.1 Chiếu đo mẫu INAA Tất mẫu sau xử lí cho vào ống kích hoạt chiếu kênh nhanh nguồn neutron Am−Be khoảng thời gian từ đến ngày Sau ngưng chiếu, mẫu chờ rã đo với hệ phổ kế gamma HPGe, diện tích đỉnh phổ thu xử lý phần mềm Genie 2K Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.15: Phổ ghi nhận mẫu so sánh phương pháp INAA Hình 2.16: Phổ ghi nhận mẫu C2N phương pháp INAA 37 Sau đo mẫu, ta lấy diện tích đỉnh hai đỉnh cần quan tâm lượng Hình 2.16 Bảng 2.6 cho ta số liệu thời gian chiếu ti, thời gian td, thời gian đo tm diện tích đỉnh Np Bảng 2.6: Kết thực nghiệm phương pháp INAA mẫu so sánh mẫu phân tích Đồng vị Tên mẫu quan tâm SS A1N A3N B1N B2N B3N C2N C3N D1N Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Thời gian Thời gian chiếu ti rã td (giờ) (giờ) Thời gian đo Diện tích đỉnh Np tm (giờ) 93,40 1,27 4,47 118,00 3,37 1,02 193,23 0,85 2,93 143,05 3,30 18,54 139,80 4,28 3,35 171,83 1,23 3,08 95,33 0,67 19,41 502,15 1,30 6,14 52,98 0,68 2425,00 ± 54,56 4695,00 ± 71,36 948,00 ± 31,57 646,00 ± 25,39 3743,00 ± 71,12 1879,00 ± 47,73 2556,00 ± 69,27 10732,00 ± 119,13 1361,00 ± 48,45 1961,00 ± 54,52 2220,00 ± 51,50 3205,00 ± 60,25 4312,00 ± 78,48 12523,00 ± 131,49 2991 ± 61,02 5992 ± 80,29 879,00 ± 33,75 2563,00 ± 53,57 38 Bảng 2.7: Thông số hạt nhân đồng vị quan tâm [8] Đồng vị Phản ứng Đồng vị bia quan tâm phóng xạ Chu kỳ bán rã T1/2 (giờ) Độ phổ cập đồng vị θ Tiết diện phản ứng σ (mb) Năng lượng phát gamma Eγ(keV) Fe56 Fe56(n,p)Mn56 Mn56 2,58 0,92 1,07 846,76 Al27 Al27(n,α)Na24 Na24 14,96 1,00 0,73 1368,60 2.4.2 Chiếu đo mẫu XRF Các mẫu sau cho vào khay đựng mẫu Hình 2.14 đặt vào vị trí khay chiếu Hình 2.17 Hình 2.17: Cấu hình chiếu đo mẫu 2.4.2.1 Chiếu đo mẫu phân tích Phổ đo ghi nhận trực tiếp chiếu mẫu Chương trình DppMCA cài sẵn máy tính cho phép điểu chỉnh thông số phổ cài đặt máy PX5 Ta sử dụng ống phát tia X bia Ag với filter Cu với thông số cài đặt sau: cao 40kV, cường độ 50μA, thời gian chiếu mẫu 1800s, peaking time 11,2μs, total gain 28 Đầu tiên ta chiếu mẫu phân tích sau chiếu 39 mẫu hiệu chỉnh cường độ Kβ(Co) mẫu hiệu chỉnh hệ số cường độ Phô ghi nhận từ mẫu phân tích có dạng Hình 2.18 Hình 2.18: Phổ ghi nhận mẫu phân tích A1X Kết chiếu mẫu trình bày bảng Bảng 2.8, Bảng 2.9 Bảng 2.10 Bảng 2.8: Kết chiếu huỳnh quang mẫu phân tích Tên mẫu Diện tích đỉnh Kα(Fe) Sai số (%) Diện tích đỉnh Kα(Co) Sai số (%) A1X 118987,00 0,39 67278,00 0,43 A2X 104228,00 0,43 57469,00 0,57 A3X 111336,00 0,43 60936,00 0,57 B1X 77829,00 0,32 59052,00 0,43 B2X 74570,00 0,49 55224,00 0,54 B3X 73056,00 0,48 55418,00 0,58 C1X 32786,00 0,74 42134,00 0,80 C2X 36477,00 0,74 48264,00 0,80 C3X 32314,00 0,69 41696,00 0,78 D1X 22307,00 0,98 39187,00 0,60 D2X 21659,00 1,02 40194,00 0,66 D3X 21659,00 1,03 41570,00 0,65 40 Bảng 2.9: Kết chiếu huỳnh quang mẫu hiệu chỉnh cường độ Kβ(Co) Tên mẫu Diện tích đỉnh Kα(Fe) Sai số (%) Diện tích đỉnh Kβ(Fe) Sai số (%) X1 123190,00 0,37 67278,00 0,43 X2 113592,00 0,40 57469,00 0,57 X3 115581,00 0,40 60936,00 0,57 X4 86204,00 0,41 59052,00 0,43 X5 69740,00 0,52 55224,00 0,54 X6 75313,00 0,46 55418,00 0,58 Bảng 2.10: Kết chiếu huỳnh quang mẫu hiệu chỉnh cường độ Tên mẫu Diện tích đỉnh Kα (Fe) Sai số (%) Diện tích đỉnh Kα (Co) Sai số (%) 3% 6689,00 1,70 34808,00 0,70 5% 9583,00 1,38 34088,00 0,77 8% 14355,00 1,15 32829,00 0,76 10% 17186,00 1,06 33248,00 0,76 2.5 Tính toán kết 2.5.1 Kết phân tích INAA Sau có số liệu thực nghiệm, ta sử dụng công thức (1.17) để tính hàm lượng mẫu Đầu tiên ta cần tính giá trị S, D, C sau tính hàm lượng Kết tính toán cho Bảng 2.11 sau 41 Bảng 2.11: Kết tính hàm lượng phương pháp kích hoat neutron Tên mẫu A1N A3N B1N B2N B3N C2N C3N D1N S D C Hàm lượng (%) Sai số (%) Fe 1,0000 0,4047 0,8752 30,1661 1,2123 Al 0,9957 0,8559 0,9769 6,0933 0,2568 Fe 1,0000 0,8030 0,6922 26,6332 0,7843 Al 0,9999 0,9630 0,9353 5,7063 0,1689 Fe 1,0000 0,4121 0,1994 19,2828 0,6792 Al 0,9987 0,8586 0,6717 8,0553 0,1516 Fe 1,0000 0,3164 0,6597 22,3669 0,9420 Al 0,9985 0,8200 0,9263 6,1759 0,1957 Fe 1,0000 0,7508 0,6802 16,9469 0,5477 Al 0,9996 0,9519 0,9321 9,8047 0,2370 Fe 1,0000 0,8360 0,1907 16,0221 0,4637 Al 0,9662 0,9697 0,6602 8,1777 0,1511 Fe 1,0000 0,7052 0,4897 16,1934 0,4918 Al 1,0000 0,9415 0,8703 9,5208 0,1929 Fe 1,0000 0,8323 0,6866 5,8945 0,2623 Al 0,9136 0,9689 0,9338 8,2713 0,2138 2.5.2 Kết phân tích XRF Vì đỉnh Kα Co ghi nhận có chồng chập đỉnh Kβ Fe Nên ta cần tính tỉ số Kβ/Kα Fe để suy cường độ Kβ Fe Tỉ số Kβ/Kα Fe tính từ thực nghiệm Kết tính toán biểu thị Bảng 2.12 42 Bảng 2.12: Kết tính tỉ số hiệu chỉnh thực nghiệm Sai số Tên mẫu Kα (Fe) Kα(Fe) Sai số Kβ (Fe) (%) Tỉ số Kβ/Kα Gía trị trung Kβ(Fe) (Fe) bình (%) X1 123190,00 0,37 27079,00 0,76 0,22 X2 113592,00 0,40 22457,00 0,91 0,20 X3 115581,00 0,40 21792,00 0,95 0,19 0,20 X4 86204,00 0,41 15969,00 1,03 0,19 ± 0,01 X5 69740,00 0,52 14006,00 1,18 0,20 X6 75313,00 0,46 14712,00 1,08 0,20 Bảng 2.12 cho ta giá trị hệ số suy giảm bốn mẫu 3%, 5%, 8% 10% ứng với hai đỉnh lượng 6,400 keV 6,930 keV Các giá trị tra phần mềm XCOM Bảng 2.13: Các giá trị hệ số suy giảm [10] Tên mẫu 3% 5% 8% 10% Năng lượng Hệ số suy giảm Tỉ số suy (keV) khối (cm2/g) giảm khối 6,400 47,380 6,930 37,450 6,400 48,050 6,930 38,000 6,400 48,050 6,930 38,000 6,400 48,490 6,930 38,370 1,265 1,265 1,264 1,263 Sau có giá trị hệ số suy giảm, khối lượng Fe Co, cường độ IKα(Co) IKα(Fe) Bảng 2.10 Bảng 2.11 ta giá trị vào 43 công thức (1.42) (1.43) ta tính hệ số cường độ Φ, với Φ hệ số góc phương trình làm khớp công thức (1.42) làm khớp Hình 2.18 Kết tính hệ số cường độ cho Bảng 2.14 Bảng 2.14: Kết tính hệ số tăng cường Φ Tên mẫu Khối lượng Fe (g) Hệ số Khối Tỉ số lượng IKα(Co)/ Co (g) IKα(Fe) Φ Φ.w Co cường độ Giá trị Φ 3% 0,2450 0,3589 0,2527 3,0041 5% 0,4027 0,3589 0,3766 3,0041 3,0084 3,0125 ± 3,0113 0,0002 8% 0,6437 0,3579 0,6053 10% 0,8016 0,3580 0,9724 0,1348 0.8000 Tỉ số IA/IB 0.7000 0.6000 0.5000 y = 0.92761x R² = 0.99296 0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 0.0000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Khối lượng Fe (g) Hình 2.19: Sự phụ thuộc tỉ số cường độ IKα(Fe)/ IKα(Co) theo khối lượng Fe Hàm IKα(Fe)/ IKα(Co) theo khối lượng Fe: y= 0,92761 w Từ phương trình xác định hệ số cường độ Φ ta vào phương trình (1.39), ta tính hàm lượng Fe mẫu thành phần 44 Bảng 2.15: Kết tính hàm lượng phương pháp huỳnh quang tia X Tên mẫu hàm lượng Fe (%) Sai số hàm lượng Trung bình hàm lượng (%) (%) A1 36,5871 0,2124 A2 38,1334 0,2723 A3 38,8051 0,2771 B1 24,0095 0,1287 B2 24,7650 0,1806 B3 24,1094 0,1815 C1 12,3916 0,1350 C2 12,0178 0,1310 C3 12,2960 0,1280 D1 8,6768 0,0997 D2 8,1209 0,0987 D3 7,8589 0,0957 37,8419±1,1001 24,2946±0,4161 12,2351±0,1947 8,2189±0,4180 2.6 Nhận xét đánh giá kết tính toán Các mẫu phân tích gửi qua trung tâm Hạt nhân TP.HCM sử dụng máy huỳnh quang Rh phân tích cho kết giá trị tham khảo trình bày Bảng 2.16 Bảng 2.18 Bảng 2.16: Kết tính hàm lượng Fe phương pháp Hàm lượng Fe Loại mẫu A B Tham khảo (%) Phương pháp Phương pháp XRF INAA (%) (%) 28,6721 ± 2,4447 37,8419±1,1001 38,1700±0,3897 24,2946±0,4161 22,6450±0,1521 19,2828 ± 2,7417 C 16,1098 ± 0,1211 12,2351±0,1947 12,2500±0,0317 D 5,8945 ± 0,2623 8,2189±0,4180 6,1240±0,0201 45 Bảng 2.17: Sự sai biệt hai phương pháp so với giá trị tham khảo Phương pháp INAA Loại mẫu (%) Phương pháp XRF (%) A 24,8832 0,8596 B 14,8474 7,2846 C 31,5086 0,1216 D 3,7476 34,2080 Kết từ Bảng 2.17 cho thấy phương pháp neutron có sai biệt lớn mẫu A C Phương pháp neutron sử dụng mẫu so sánh có hàm lượng Fe cố định 15% nên mẫu có hàm lượng khác sai số nhiều Kết phân tích XRF cho Fe tốt, sai số thống kê nhỏ tốc độ phát tia huỳnh quang lớn Tuy nhiên, hàm lượng Fe mẫu D tính theo XRF có độ sai biệt lớn (34,2080%) so với giá trị tham khảo Bảng 2.18 : Kết tính hàm lượng Al phương pháp Loại mẫu Phương pháp INAA (%) Tham khảo (%) Sai biệt hai phương pháp (%) A 5,9336±0,2679 7,2750±0,1230 18,4385 B 7,8243±1,9422 9,5750±0,1335 18,2841 C 8,8803±0,9455 6,0100±0,0685 47,7587 D 8,2713±0,2138 6,8600±0,0675 20,5729 Kết phân tích hàm lượng Al từ phương pháp neutron không cho phép xác định hàm lượng với sai biệt vài phần trăm mẫu A, B, C, D Sự sai biệt kết lớn (>18%) không theo quy luật Mẫu A ta tính hàm lượng Al (5,9336%) nhỏ so với giá trị tham khảo (7,2750%) Mẫu C mẫu D ta lại tính hàm lượng Al cao giá trị tham khảo Mẫu B có sai số lớn nên khả phân biệt mẫu có giá trị hàm lượng nhỏ Phương pháp XRF khả ghi nhận Detector hạn chế nên ta đo tính hàm lượng Al 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Bằng hai phương pháp neutron huỳnh quang tia X sử dụng phân tích hàm lượng mẫu địa chất môn Vật lý hạt nhân, Trường ĐH KHTN TP.HCM, khóa luận đạt được:  Bước đầu khảo sát thông số thực nghiệm (filter, góc tán xạ, điện dòng phát, giá trị FWHM) hệ XRF Bộ môn Vật lý Hạt nhân  Qua trình đo đạc xử lí số liệu, giá trị hàm lượng Fe loại mẫu xác định phương pháp chuẩn nội có giá trị sai số tương đối nhỏ Giá trị hàm lượng Fe đươc tính INAA có sai số lớn nhiên giá trị tính tương đối gần với giá trị tham khảo  Giá trị hàm lượng Al tính từ phương pháp INAA nằm khoảng từ 6-9%  Sự sai biệt giá trị hàm lượng Fe Al lớn phân tích INAA giải thích ta phân tích neutron nên có nhiều phản ứng nhiễu trình kích hoạt làm cho kết có độ xác không cao  Trong khóa luận phương pháp XRF ta chưa xét kĩ đến hệ số suy giảm mẫu Kiến nghị: Để việc tính toán hàm lượng xác tương lai áp dụng:  Phương pháp kích hoạt neutron: sử dụng thêm mẫu so sánh với hàm lượng khác nhau, tính toán hiệu chỉnh hệ số tự che chắn hấp thụ trình chiếu đo mẫu Tương lai nghiên cứu phát triển thêm việc phân tích kênh nhanh môn  Phương pháp huỳnh quang tia X: tìm hiểu phương pháp đo hệ số suy giảm khối mẫu Do khả ghi nhận đầu dò nên số nguyên tố Al, Si, K… xác định Điều gây khó khăn cho việc định tính mẫu sử dụng thuật toán để hiệu chỉnh matrix 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Đinh Thái Bình, (2011), Phát triển phương pháp chuẩn đơn nguyên tố cho hệ phân tích kích hoạt neutron nguồn đồng vị Am-Be, khóa luận tốt nghiệp, ĐH KHTN TP.HCM [2] Huỳnh Trúc Phương, (2001 ),“Giáo trình phân tích kích hoạt neutron”,lưu hành nội bộ, ĐH KHTN TP.HCM [3] Huỳnh Trúc Phương, (2010), phát triển phương pháp Ko-INAA cho nguồn neutron Am-Be, đề tài khoa học công nghê cấp ĐH Quốc gia [4] Mai Văn Nhơn, (2003), Phân tích vài nguyên tố phương pháp huỳnh quang tia X nguồn H3-Zr, báo cáo đề tài cấp bộ, ĐH KHTN TP.HCM [5] Sĩ Minh Chiến, (2012), Khảo sát đặc trưng phổ neutron kênh neutron nhanh nguồn Am-Be, khóa luận tốt nghiệp, ĐH KHTN TP.HCM [6] Trần Phong Dũng, (1996), Hiệu chỉnh ảnh hưởng hiệu ứng matrix phương pháp phân tích huỳnh quang tia X, luận văn thạc sĩ, ĐH Tổng hợp TP.HCM [7] Văn Thị Thu Trang, (2008), Xác định số ko phương pháp k0-INAA kích hoạt neutron nguồn đồng vị Am-Be, luận văn tốt nghiệp, ĐH KHTN TP.HCM TIẾNG ANH [8] D Socte, R Gijbels, J.Hoste, (1972), Neutron Activation Analysis , Wiley Interscience, New York [9] http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/ElemTab/z29.html [10] http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/intro.html [...]... Co Thế Φ vừa mới tính vào phương trình (1.39) ta tính được giá trị hàm lượng cả các nguyên tố 24 CHƢƠNG 2 PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG NGUYÊN TỐ TRONG MẪU ĐỊA CHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP INAA VÀ XRF 2.1 Hệ phân tích kích hoạt neutron 2.1.1 Nguồn neutron đồng vị Am-Be Vào năm 1994, hệ thống phân tích kích hoạt neutron với hệ chuyển mẫu tự động MTA 1527 và nguồn neutron đồng vị Am-Be đã được x y dựng hoàn thiện tại... hấp thụ quang điện thường gồm ba loại tia X đặc trưng :  Tia huỳnh quang sơ cấp  Tia huỳnh quang thứ cấp  Tia huỳnh quang tam cấp 1.7.1 Định nghĩa tia huỳnh quang Tia huỳnh quang được phát ra từ việc kích thích trực tiếp vật bằng một chùm bức x ban đầu Chùm tia huỳnh quang sơ cấp phát ra với năng lượng sao cho năng lượng kích thích lớn hơn mép hấp thụ của nguyên tố phát tia huỳnh quang Năng lượng. .. Au(n,)198Au và các số liệu hạt nhân của nó là: 0 = 98,56  0,90 (barn) ; Q0 = 15,71  0,28 ; I0 = 1550  28 (barn) 14 B PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X 1.7 Lý thuyết huỳnh quang tia X Trong phổ kế huỳnh quang tia X, cường độ của tia huỳnh quang đặc trưng phát ra từ mẫu phân tích cung cấp thông tin cho việc x c định định tính cũng như định lượng các nguyên tố trong mẫu cần phân tích Tia X đặc trưng... a,b cần x c định bằng phương pháp bình phương tối thiểu 1.10.2 Phƣơng pháp chuẩn nội Đưa vào mẫu phân tích một lượng nguyên tố B nào đó có bậc số nguyên tử khác bậc số nguyên tử của nguyên tố A cần phải phân tích 1 đơn vị (nhiều lắm là hai đơn vị) nguyên tố này có hàm lượng đã biết trước, được gọi là nguyên tố chuẩn nội hay nguyên tố so sánh Ta sẽ so sánh cường độ bức x đặc trưng của hai nguyên tố này... cấp và thứ cấp Khi phổ năng lượng kích thích các nguyên tố trong mẫu Cụ thể là kích thích vào một vài nguyên tố i, j, k… Khi đó tuỳ thuộc vào năng lượng hấp thụ của từng nguyên tố mà dãy phổ năng lượng kích thích khả dụng hơn so với nguyên tố nào Điều đó chứng tỏ đối với một nguyên tố trong mẫu thì hiệu suất kích thích của bức x sơ cấp không chỉ phụ thuộc vào năng lượng cạnh hấp thụ của các nguyên tố. .. là năng lượng tối thiểu để cho hiệu ứng quang điện x y ra hay có nghĩa là năng lượng đủ để đánh bật electron ra khỏi nguyên tử của nguyên tố Tia huỳnh quang thứ cấp sinh ra bằng việc kích thích trực tiếp bằng chùm tia huỳnh quang sơ cấp Tia huỳnh quang thứ cấp đáng kể khi nguyên tố phát tia sơ cấp có bậc số Z lớn hơn gấp hai lần bậc số Z của nguyên tố phát tia thứ cấp Tia huỳnh quang sơ cấp có nguyên. .. thụ x y ra khi tia X đi qua mẫu: μ E = τ E + σ(E) (1.24) τ E là hệ số hấp thụ khối quang điện σ E là hệ số tán x 1.8.2 Quá trình tán x Khi tia X đập vào điện tử của lớp vỏ nguyên tử của các nguyên tố có trong mẫu nó sẽ tương tác với điện tử và bị tán x như sau : Tán x tia X trong mẫu chủ yếu x y ra ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử và là nguồn gốc chính góp phần vào phổ phông của phổ tia X Có... chính x c Bởi vì chúng được x c định bằng các phương pháp độc lập – độ chính x c của các thông số này sẽ đóng góp vào khi tính hàm lượng bằng công thức tuyệt đối Điều này dẫn đến sai số tính toán lớn Đây chính là nhược điểm cơ bản của phương pháp tuyệt đối 1.6.2 Phƣơng pháp tƣơng đối Trong phương pháp tương đối, mẫu cần phân tích được chiếu cùng với mẫu chuẩn mà đã biết trước hàm lượng của nguyên tố quan... pháp phân tích định lƣợng Phép phân tích định lượng của một nguyên tố luôn dựa trên việc chọn lựa một phổ bức x và mối liên hệ giữa cường độ và hàm lượng của nó Để phân biệt các phương pháp khác nhau người ta căn cứ vào cách tiến hành giải quyết vấn đề 1.10.1 Phƣơng pháp chuẩn ngoại tuyến tính Phương pháp này dựa trên phép so sánh giữa cường độ chùm tia phân tích với cường độ mẫu chuẩn mà ta đã biết hàm. .. quan tâm Mẫu chuẩn và mẫu phân tích phải được đo cùng một điều kiện Khi đó, hàm lượng của nguyên tố là: ρ(μg/g)= (N p /t m )/(w.S.D.C) (N p /t m )* /(W.S.D.C)* (1.17) 12 Vì mẫu phân tích và mẫu chuẩn được đo cùng dạng hình học nên không cần hiệu chỉnh tự che chắn neutron (Ge, Gth) và sự tự suy giảm gamma (fa) Nhược điểm của phương pháp này là không thể phân tích đa nguyên tố, bởi vì tạo ra một mẫu chuẩn ... LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG VÀI NGUYÊN TỐ TRONG MẪU ĐỊA CHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON VÀ HUỲNH QUANG TIA X SVTH : TRỊNH QUANG THÀNH CBHD : TS HUỲNH... bày nguyên lý phương pháp phân tích kích hoạt neutron phương pháp phân tích huỳnh quang tia X 2 Chương : Thực nghiệm x c định hàm lượng đa nguyên tố mẫu địa chất: trình bày thiết bị phương pháp. .. phƣơng pháp 45 MỞ ĐẦU Hiện có nhiều phương pháp phân tích hàm lượng phương pháp kích hoạt neutron (NAA - Neutron Activation Analysis), phương pháp huỳnh quang tia X (XRF), phương pháp phân tích