Nghiên cứu ô nhiễm các kim loại nặng trong bụi khí ở hà nội bằng phương pháp phân tích PIXE trên máy gia tốc pelletron 5SDH 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Văn Hiệu NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM CÁC KIM LOẠI NẶNG TRONG BỤI KHÍ Ở HÀ NỘI BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PIXE TRÊN MÁY GIA TỐC PELLETRON 5SDH-2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Văn Hiệu NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM CÁC KIM LOẠI NẶNG TRONG BỤI KHÍ Ở HÀ NỘI BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PIXE TRÊN MÁY GIA TỐC PELLETRON 5SDH-2 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN MẬU CHUNG Hà Nội - Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, trước tiên em xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Nguyễn Mậu Chung, Thầy ThS Nguyễn Thế Nghĩa, ThS Vi Hồ Phong thầy cô, anh chị môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật Lý, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên- ĐHQGHN tận tình truyền đạt kiến thức, cung cấp nhiều tài liệu quý báu tạo điều kiện thuận lợi để em thực tập hoàn thành luận văn Với vốn kiến thức tiếp thu q trình học khơng tảng cho q trình nghiên cứu khóa luận mà cịn hành trang quí báu để em bước vào đời cách vững tự tin Qua em xin gửi lời cảm ơn tới người thân gia đình, bạn bè chia sẻ với em buồn vui sống ủng hộ giúp đỡ em để em thực tốt luận văn Cuối em kính chúc q Thầy, Cơ dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý, thành công nghiệp trồng người Dù có nhiều cố gắng q trình thực hiện, xong thời gian hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi thiếu xót hạn chế Em mong bảo Thầy Cô đóng góp ý kiến tất bạn Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học Viên NGUYỄN VĂN HIỆU MỤC LỤC MỞ ĐẦU 10 Chƣơng – TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Định nghĩa Error! Bookmark not defined 1.2 Các dịch chuyển tia X Error! Bookmark not defined 1.3 Cơng thức tính suất lượng tia X mẫu mỏngError! Bookmark not defined 1.4 Tốc độ phát tia X cường độ vạch phổ tia XError! Bookmark not defined 1.5 Hiệu suất huỳnh quang dịch chuyển Coster-Kronig Error! Bookmark not defined 1.6 Hàm khớp đa thức liệu tiết diện ion hóaError! Bookmark not defined 1.7 Hiệu ứng thứ cấp Error! Bookmark not defined 1.8 Phổ PIXE Error! Bookmark not defined 1.9 Giới hạn phát Error! Bookmark not defined Chƣơng – THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Phương pháp thu ghóp mẫu bụi khí Error! Bookmark not defined 2.1.1 Thiết bị thu ghóp mẫu Error! Bookmark not defined 2.1.2 Phin lọc Error! Bookmark not defined 2.2 Chọn vị trí thu góp mẫu Error! Bookmark not defined 2.3 Thiết bị quy trình phân tích mẫu bụi khí kỹ thuật PIXE Error! Bookmark not defined 2.3.1 Máy gia tốc Error! Bookmark not defined 2.3.1.1 Nguồn ion Error! Bookmark not defined 2.3.1.2 Buồng gia tốc Error! Bookmark not defined 2.3.1.3 Các hệ thống phụ trợ Error! Bookmark not defined 2.3.2 Bố trí thí nghiệm buồng phân tíchError! Bookmark not defined 2.3.3 Giá để mẫu Error! Bookmark not defined 2.3.4 Detector Error! Bookmark not defined 2.3.5 Tấm lọc Error! Bookmark not defined 2.4 Phần mềm ghi nhận xử lý số liệu Error! Bookmark not defined 2.4.1 Phần mềm ghi nhận phổ RC43 Error! Bookmark not defined 2.4.2 Phần mềm phân tích phổ PIXE – GUPIXError! Bookmark not defined 2.5 Tiến hành phép đo xử lý số liệu Error! Bookmark not defined 2.5.1 Các phương pháp đo mẫu mỏngError! Bookmark not defined 2.5.2 Tiến hành phép đo Error! Bookmark not defined 2.5.3 Xử lý số liệu Error! Bookmark not defined Chƣơng – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Các kết phép đo đối chứng với giá trị chuẩn mẫu V83 Error! Bookmark not defined 3.2 Các kết phép đo mẫu bụi khí phin lọc Error! Bookmark not defined 3.3 Một số khuyến nghị Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 13 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Hình 0.1 Một số hình ảnh nhiễm bụi khí Hà Nội .11 Hình1.1 Sơ đồ mức lượng nguyên tử, bên trái hệ thống ký hiệu Siegahn (cũ) bên phải ký hiệu phổ (lượng tử) Các dịch chuyển tương ứng biểu diễn Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Hiệu suất huỳnh quang L1 phân lớp L1 hàm phụ thuộc số hiệu nguyên tử bia Z2 Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Các tiết diện ion hóa vạch K, L (ECPSSR) M(CPWBA) hàm lượng ion tới (E/U) hạt tới proton U (keV) lượng biên hấp thụ nguyên tử bia, Đường đậm đường khớp điểm thực nghiệm dấu * Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Phổ PIXE mẫu địa chất Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Sơ đồ ngun tắc thiết bị thu ghóp mẫu GENT-SFU [1] Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Sơ đồ nguyên tắc thiết bị thu ghóp mẫu ASP [1].Error! not defined Bookmark Hình 2.3 Hình ảnh phin lọc Nuclepore sử dụng cho máy GENT trước (trái) sau thu ghóp phân tích kỹ thuật PIXE (phải) Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Vị trí đặt thiết bị thu góp mẫu thích hợp [1]Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Các thiết bị thu góp bụi khí trạm khí tượng Láng, Hà Nội (hình trên) thiết bị tương tự đặt ANSTO (Úc), từ trái qua phải thiết bị cyclone PM2.5, PM10 sử dụng phin lọc Teflon thiết bị thu góp nhiều tầng GENT PM10/PM2.5 sử dụng phin lọc Nuclepore Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Bố trí thí nghiệm: Hệ máy gia tốc (hình trên) buồng phân tích PIXE (hình dưới) Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Các thiết kế đề xuất với giá để mẫu buồng chiếu cho phân tích PIXE mẫu mỏng [13] Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Hiệu suất ghi nội detector Sirius SDD dùng thí nghiệm tính tốn phần mềm GUPIX dựa tham số đầu vào nhà sản xuất Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Sự thay đổi hiệu suất ghi tuyệt đối detector Sirius SDD lọc khác đặt buồng chiếu Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Cửa sổ ghi nhận số liệu phần mềm RC43Error! Bookmark not defined Hình 2.11 Giao diện chương trình GUPIX Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Tương quan giá trị chuẩn giá trị đo mẫu đối chứng V83 IAEA Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Phổ PIXE mẫu bụi khí phin lọc ký hiệu Fi25 sau làm khớp Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Biểu đồ hộp biểu diễn phân bố mặt thống kê tập hợp giá trị tỉ lệ hàm lượng đo hệ máy gia tốc HUS hàm lượng đo ANSTO mẫu đo từ Fi-21 đến Fi40, với nguyên tố khác nhau.Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các hệ số từ phép khớp bình phương tối thiểu liệu [8] (gõ lại bảng chỉnh sửa pain) Error! Bookmark not defined Bảng 1.2 Các hệ số công thức 13 Error! Bookmark not defined Bảng 2.1 Điều kiện thí nghiệm phép đoError! Bookmark not defined Bảng 3.1 Kết phân tích mẫu đối chứng V83 Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết Giải thích tiếng Anh Giải thích tiếng Việt tắt PIXE Partical Emission IAEA Induced X-ray Phương pháp huỳnh quang tia X International Atomic Energy Cơ quan Năng lượng Nguyên Agency tử Quốc tế ANSTO Australian Nuclear science & Tổ chức Khoa học Công Technology organisation nghệ Hạt nhân Úc IOP Institute of Physics Viện Vật lý LOD Limit of detection Giới hạn phát PWBA Plane wave Born Lý thuyết gần approximation FWHM Full width at hafl maximun Độ phân giải lượng RF Radio frequency Nguồn tạo ion từ dao động cao tần 10 SNICS MCA Source of Negative Ions by Nguồn tạo ion âm phún xạ Cecium Sputtering Cecium Multi Channel Analyzer Máy phân tích đa kênh MỞ ĐẦU Hiện nay, việc ứng dụng phương pháp phân tích hạt nhân nghiên cứu mơi trường quan tâm đặc biệt Trong nhiều phương pháp sử dụng rộng rãi đo phân rã beta, alpha, gamma, phương pháp huỳnh quang tia X….Với phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ việc sử dụng máy gia tốc loại nhỏ ứng dụng phân tích mẫu mơi trường sử dụng phương pháp PIXE xem có nhiểu ưu điểm so với phương pháp khác Trong năm gần vấn đề nhiễm mơi trường tình trạng báo động, ảnh hưởng nghiêm trọng tới điều kiện sống sức khỏe người Có rấ t nhiề u loa ̣i ô nhiễm môi trường ô nhiễm nguồ n nước , ô nhiễm thực phẩ m và ô nhiễm không khí Trong đó ô nhiễm không khí là vấ n để rấ t cấ p thiế t ở những nước phát triển nhữ ng phát triể n bởi bu ̣i khói công nghiê ̣p , nông nghiê ̣p và sinh hoa ̣t hàng ngày người ta ̣o làm cho bầ u không khí bi ̣ô nhiễm trầ m tro ̣ng… Điể n hin ̀ h thành phố Bắ c Kinh của Trung Quố c là mô ̣t những nước phá t triể n thế giới , năm 2013 quyền Bắc Kinh phải đưa bốn mức báo động với ô nhiễm môi trường , Báo cáo Blue paper for World Cities năm 2012 nêu rõ là thủ đô Bắ c Kinh của Trung Quố c it́ nhấ t mỗi tuầ n đề u mô ̣t lầ n đế n mức ô nhiễm trầ m tro ̣ng Trong mô ̣t năm có 365 ngày có đến 190 ngày thủ vượt ngưỡng cho phép ô nhiễm không khí Hà Nội thành phố ô nhiễm khu vực châu Á, hàm lượng bụi cao gấp nhiều lần mức cho phép, chuyên gia nước khẳng định “Tại đô thị lớn Việt Nam, ô nhiễm không khí ảnh hưởng tới hoạt động người dân lúc, nơi, thủ đô Hà Nội Đây thành phố ô nhiễm châu Á, thành phố ô nhiễm khu vực Đông Nam Á”, ông Jacques Mxoussafir, công ty ARIA Technologies nước Pháp cảnh báo Hình 0.1 Một số hình ảnh nhiễm bụi khí Hà Nội Theo Tổ chức Y tế Thế giới, ô nhiễm không khí thị làm khoảng 800.000 người chết 4,6 triệu người giảm tuổi thọ giới năm 2/3 số người chết giảm tuổi thọ ô nhiễm khơng khí thuộc nước phát triển châu Á Theo nghiên cứu công bố ngày 12/7 tạp chí Environmental Research Letters Viện Vật lý (IOP)Việt Nam, ước tính ước tính khoảng 2,1 triệu ca tử vong năm người làm gia tăng nồng độ bụi có kích cỡ nhỏ khơng khí (PM2.5) Những hạt bụi nhỏ liti lơ lửng không khí xâm nhập sâu vào phổi, gây ung thư nhiều bệnh đường hô hấp( ScienceDaily đưa tin) Hằng năm có khoảng 20 tỉ CO2 + 1,53 triệu SiO2 + Hơn triệu Niken + 700 triệu bụi + 1,5 triệu Asen + 900 coban + 600.000 Kẽm (Zn), Thuỷ ngân (Hg), Chì (Pb) chất độc hại khác Làm tăng đột biến chất CO2, NOX, SO3 … Các chất ô nhiễm xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, nhiễm khơng khí khó phân tích chất nhiễm thay đổi nhiều điều kiện thời tiết địa hình, nhiều chất phản ứng với tạo chất độc Do tính đa dạng phức tạp yếu tố nhiễm mơi trường khơng khí tác động qua lại hệ sinh thái mơi trường, nên giải tốn nhiễm bụi khí địi hỏi phải có tham gia nhiều ngành khoa học, sử dụng nhiều kỹ thuật phân tích khác nhằm thu thập đầy đủ thông tin mẫu phân tích lấy từ địa điểm mang tính chất đại diện cần quan tâm Trong số kỹ thuật phân tích áp dụng để nghiên cứu nhiễm bụi khí kỹ thuật PIXE thể nhiều ưu điểm vượt trội khả phân tích đồng thời nhiều nguyên tố với độ nhạy, độ xác cao khơng phá hủy mẫu Vì lý trên, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ô nhiễm kim loại nă ̣ng bu ̣i khí Hà Nội phương pháp phân tích PIXE máy gia tốc Pelletron 5SDH-2” Mục đích đề tài luận văn bước đầu nghiên cứu quy trình phân tích mẫu bụi khí phin lọc kỹ thuật PIXE phịng thí nghiệm máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2 đặt Trường Đại học Khoa học tự nhiên (HUS), đồng thời tiến hành phân tích số mẫu bụi khí phin lọc, so sánh kết phân tích với kết phân tích Viện Khoa học kỹ thuật Hạt nhân Úc Từ tác giả đề số khuyến nghị để bước hồn thiện quy trình phân tích mẫu dạng phịng thí nghiệm Bố cục luận văn gồm có phần chính: - Tổng quan: Trình bày sở lý thuyết kỹ thuật PIXE bắt đầu công thức lý thuyết xác định suất lượng tia X, từ trình bày đại lượng vật lý liên quan tiến diện ion hóa, hiệu suất huỳnh quang Một số nội dung quan trọng phông, phổ PIXE hay giới hạn phát đề cập - Thiết bị phương pháp thực nghiệm: Trình bày hệ máy gia tốc 5SDH-2 hệ phân tích PIXE sử dụng thí nghiệm khn khổ luận văn Đồng thời trình bày phương pháp đo xử lý số liệu - Kết thảo luận: Trình bày kết ý, cụ thể kết phân tích mẫu đối chứng V83 (IAEA) phục vụ đảm bảo chất lượng 20 mẫu bụi khí PM2.5-10 phin lọc, so sánh với kết phân tích Tổ chức Khoa học Cơng nghệ Hạt nhân Úc (ANSTO) TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vương Thu Bắc (2013), Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật phân tích h ạt nhân phối hợp với số kỹ thuật phân tích hỗ trợ góp phần giải tốn nhiễm bụi khí PM-10, Luận án tiến sĩ Vật lý, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Hà Nội Tiếng Anh D.D Cohen, E Clayton (1989), Ion Beams for Materials Analysis, Chapter 5, Academic Press, New York D.D Cohen (1984), “Comments on several analytical techniques for L-subshell ionisation calculations”, J Phys B: At Mol Phys.,17, pp 3913-3921 D.D Cohen, M Harrigan (1986), Calculated L-shell X-ray line intensities for proton and helium ion impact, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 34, pp 393–414 D.D Cohen, M Harrigan (1985), “K- and L-shell ionization cross sections for protons and helium ions calculated in the ecpssr theory”, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 33, pp 255-343 Hasnat Kabir (2007), Particle Induced X-ray Emission (PIXE) Setup and Quantitative Elemental Analysis, PhD Thesis, Kochi University of Technology, Japan IAEA (2000), Instrumentation for PIXE and RBS, IAEA-TECDOC-1190, Viennam James H Scofield (1974), “Experimental K and L relative x-ray emission ratess”, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 14, pp 121-137 J.A Maxwell, W.J Teesdale, J.L Campbell (1995), “The Guelph PIXE software package II”, Nucl Instrum Methods B, 95, pp 407-421 Krause, M.O (1979), ”Atomic radiative and radiationless yield for K and L shells”, Journal of Physical and Chemical Reference Data , 8, p 307 10 T Calligaro, J.D MacArthur, J Salomon (1996), “An improved experimental setup for the simultaneous PIXE analysis of heavy and light elements with a MeV proton external beam”, Nucl Instrum Methods B, 109–110, pp 125-128 11 S.I Salem, S.L Panossian, R.A Krause (1974), “Relativistic hartree-slater values for K and L X-ray emission rates”, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 14, pp 91-109 12 Sven A.E Johansson, Thomas B Johansson (1976), “Analytical application of particle induced X-ray emission”, Nucl Instrum Methods, 137, pp 473–516 13 Werner Brandt, Grzegorz Lapicki (1979), “L-shell Coulomb ionization by heavy charged particles”, Phys Rev A, 20, p 465 14 Werner Brandt, Grzegorz Lapicki (1981), “Energy-loss effect in inner-shell Coulomb ionization by heavy charged particles”, Phys Rev A, 23, p 1717 15 W Reuter et.al (1975), “Quantitative analysis of complex targets by proton‐induced X rays”, J Appl Phys 46, p 3194