Ứng dụng của đồng vị 14C trong nghiên cứu biến động cổ khí hậu của Việt Nam

Chất dung môi

Đôi khi dung dịch nhấp nháy chứa một số phụ gia khác như chất hoạt động bề mặt, điều này giúp cho dung dịch nước tan trong dung dịch hữu cơ. Do vậy chúng ta cần thêm vào mẫu một lượng nhất định dung dịch nhấp nháy gồm dung môi và chất hoà tan (chất nhấp nháy).

Chất phát quang

Khảo sát sự phụ thuộc quãng chạy của hạt bêta vào năng lượng trong những môi trường khác nhau cho thấy: khi năng lượng mang của hạt càng cao thì quãng chạy càng lớn, ngược lại nếu vật liệu có mật độ khối lượng càng cao thì quãng chạy càng nhỏ. Quãng chạy của hạt bêta phát ra từ đồng vị 14C trong dung dịch đo cũng rất nhỏ, do đó cần có những giải pháp khắc phục khả năng lan truyền rất ngắn của hạt bêta trong môi trường tạo detector nhấp nháy lỏng.

Biến đổi photon thành xung điện

Việc xác định mỗi loại bức xạ sẽ thực hiện qua việc giải mã hình dạng xung của các tín hiệu điện tử phát ra, chúng ta sử dụng máy phân tích biên độ xung (pulse height analyzer) để phân tích xung và mỗi chiều cao xung được ấn định tại một kênh nhất định trong bộ nhớ. Mẫu vật thu thập ngoài hiện trường thường lẫn nhiều tạp chất khác nhau gây ảnh hưởng đến quá trình đo, thậm chí nếu không loại bỏ hết các tạp nhiễm có thể dẫn tới sai lệch kết quả đo, vì vậy cần phải tiến hành xử lý mẫu để loại bỏ hết các tạp nhiễm đó.

Các loại tạp nhiễm có thể có trong mẫu nghiên cứu

Các tạp nhiễm trong quá trình bảo quản mẫu nghiên cứu

Các tạp nhiễm từ những hoạt động hiện tại: Tránh các thói quen như hút thuốc lá tại hiện trường sưu tập mẫu vì hoạt động này gây ảnh hưởng đến chất lượng thu thập mẫu phân tích. Để khắc phục tình trạng trên, có một số giải pháp cần được lưu ý như sau: Mẫu sau khi làm sạch sơ bộ ngoài hiện trường cần được sấy khô và đóng gói vào các túi polyêtylen kín.

Tẩy tạp nhiễm trong mẫu

Ví dụ, cho axit HCl 1% vào vỏ sò đã được rửa sạch bằng nước trung tính đến khi quan sát thấy vỏ sò trắng trong là đã tẩy được phần nào tạp nhiễm lắng cặn bám vào vỏ sò theo thời gian. Quá trình tổng hợp benzen diễn ra qua nhiều công đoạn xử lý hóa học, quá trình này được thực hiện trên hệ thống thiết bị TASK BENZENE SYNTHESIZER do Mỹ sản xuất.

Tạo khí CO 2

Cho lượng mẫu cần đốt vào bình chứa mẫu gắn liền trên hệ thống tổng hợp benzen, sau đó dẫn một dòng khí ôxy tinh khiết qua hệ thống dẫn chảy từ từ qua mẫu cần đốt. Sau khi được làm sạch, sấy khô, nghiền nhỏ rây thành bột mịn thì bột mẫu và nước cất được đưa vào bình cầu thủy tinh chuyên dụng gọi là bình chưng cất, bình này được nối với hệ thống tổng hợp benzen. Kết thúc quy trình tạo CO2 thông qua một trong hai cách trên, CO2 được dẫn vào trong một hệ thống đường dẫn tới các ống thủy tinh ngâm nitơ lỏng.

Tạo axetylen

Hút chân không trong bình chứa kim loại lithium và đốt nóng nó bằng hệ thống lò nung điện đặt dưới đáy bình tới nhiệt độ khoảng 8500C làm cho kim loại này nóng chảy hoàn toàn. Trong quá trình này, bình phản ứng liên tục được đốt nóng bằng lò ủ ở nhiệt độ 8500C trong khoảng 2 giờ. Sau đó tắt lò để bình nguội dần về nhiệt độ phòng, quá trình này diễn ra trong khoảng từ 5 giờ đến 6 giờ.

Tạo benzen

Ngoài ra cũng cần lưu ý là để đảm bảo điều kiện hình học của detector luôn giống nhau cho mọi phép đo, trong thí nghiệm này chúng tôi đã thực hiện bổ sung lượng benzen không phóng xạ thu được từ việc tổng hợp với mẫu đá vôi tuổi Devon sưu tập tại khu vực Ninh Bình. Nếu xung xuất hiện liên quan tới bức xạ phát ra từ mẫu đo thì ở lối ra của hai ống nhân quang điện cho hai xung có biên độ xấp xỉ nhau, đồng thời lối ra của ống nhân quang điện gắn liền với detector bảo vệ không có xung lối ra, khi đó hệ điện tử cho xung từ detector phân tích đi qua, để tới hệ phân tích tiếp theo. Detector bảo vệ được sử dụng là tinh thể nhấp nháy BGO (Bi4Ge3O12) là chất không hút ẩm, có phông quang điện thấp, có dạng hình giếng và được đặt trong hệ giảm phông cả chủ động (phương pháp đối trùng) lẫn thụ động (phương pháp che chắn bằng chì sạch) nhằm nâng cao hiệu suất ghi của máy.

Dựa vào các quy trình nghiên cứu trên, tác giả luận văn đã tiến hành thực nghiệm phân tích một số mẫu địa chất bằng phương pháp đo đồng vị 14C trên hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770TR/SL tại phòng thí nghiệm xác định niên đại Viện khảo cổ - Viện Khoa học Xã hội Việt Nam. Tuy nhiên, trong thực tế cũng cần chú ý có thể xảy ra tình trạng lượng mẫu thu thập được là rất ít, nếu xử lý kỹ sẽ mất đi một lượng đáng kể, khi đó giải pháp thường chỉ là rửa sạch mẫu rồi đem sấy khô và xử lý qua axit để tránh sự mất mẫu.

Carbide lithium

Đồng hồ chỉ thị áp suất khí CO2 trong hệ thống Task benzen synthesize - Thu hồi khí CO2 vào các buồng đong, sau đó theo biểu đồ thực nghiệm xác định lượng khí CO2 thu được và lượng lithium kim loại cần cho công đoạn tiếp theo. Quan sát liên tục sự thay đổi của các thanh lithium kim loại trong lò nung, khi các thanh này đang ở trạng thái nóng chảy hoàn toàn thì mở khóa 18 (Hình 2.2) để đưa khí CO2 từ những bình chứa sang bình phản ứng có các thanh kim loại lithium đang nóng chảy này. Tiếp theo là công tác hoạt hóa chất xúc tác, thực chất đây là thao tác chuẩn bị cho quá trình tổng hợp benzen ngày hôm sau, bằng cách rút chân không trong bình chứa xúc tác sẽ được diễn ra trong môi trường chân không với nhiệt độ 3000C và khoảng thời gian hơn 10 giờ.

Thủy phân carbide thu axetylen

Khi áp suất trong hai bình chứa và bình phản ứng cân bằng nhau và không vượt quá -21’’ thì mở hết khóa thông hai bình để quá trình carbide tiếp tục diễn ra cho đến khi áp suất trong bình chỉ về mức thấp nhất (-30’’). Khi đó, mặc dù lượng khí CO2 đã hết, song để đảm bảo cho quá trình carbide xảy ra hoàn toàn vẫn cần tiếp tục ủ lò phản ứng ở nhiệt độ 8500C trong khoảng thời gian 2 giờ. - Điều chỉnh khóa 22 ở vị trí H2O STOP, cho nước vào bình phản ứng với lưu lượng sao cho áp lực trong bình không vượt quá -22’’ rồi thay phiên đóng mở khóa 13 và khóa 1 để đẩy khí hydro sinh ra trong bình thủy phân theo phương trình phản ứng thủy phân (2.4).

Tổng hợp benzen

Detector nhấp nháy dùng cho đo hàm lượng 14C trong mẫu địa chất Nếu xung xuất hiện liên quan tới bức xạ phát ra từ mẫu đo, thì ở lối ra của hai ống nhân quang điện cho hai xung có biên độ xấp xỉ nhau, đồng thời lối ra của ống nhân quang điện gắn liền với detector bảo vệ không có xung ra, khi đó hệ điện tử cho xung từ detector phân tích đi qua, để tới hệ phân tích tiếp theo. Ngược lại nếu xung liên quan tới phông thì biện độ xung lối ra ứng với hai ống nhân quang điện được gắn với detector phân tích có biên độ khác xa nhau, đồng thời lối ra của ống nhân quang điện gắn với detector bảo vệ có xung ở lối ra. Tín hiệu sáng hình thành, do tương tác của beta với chất phát quang trong detector nhấp nháy lỏng sẽ đi qua chất dung môi trong detector, tới hai ống nhân quang điện (PMT) được bố trí về hai phía đối diện của detector.

Đo mẫu trên hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770TR/SL

Do đó, các phòng thí nghiệm chuyên môn đã đưa ra quy tắc là các hệ đo cần phải ổn định để đảm bảo giá trị luôn luôn nhỏ hơn và khi đó để biểu diễn cho sai số của phép đo có thể chỉ sử dụng giá trị. Thay những giá trị từ công thức (3.3) vào phương trình trên và giả thiết thời gian đo mỗi lần là như nhau nhận được sai số tuyệt đối của số đo tốc độ đếm hiệu dụng. Trong bài toán xác định hoạt độ phóng xạ nhỏ ta cần chú ý tới việc trong một khoảng thời gian đo nhất định hoạt độ phóng xạ của nguồn nhỏ nhất bằng bao nhiêu để thiết bị còn có khả năng phát hiện được.

Độ nhạy của phép đo

Ngược lại, hàm lượng đồng vị 14C trong sinh quyển suy giảm bởi các nguyên nhân chủ yếu sau: đã có sự chuyển dịch lên cao của các tầng nước sâu dưới đáy đại dương nơi có hàm lượng đồng vị carbon phóng xạ rất thấp lên trên, cùng với đó là hơi nước bốc lên hấp thụ hạt nơtrôn mà kết quả là sẽ làm suy giảm hàm lượng 14C trong sinh quyển. Khi bức xạ hồng ngoại đi vào khí quyển, nếu trong khí quyển có CO2 thì các phân tử CO2 hấp thụ hồng ngoại rất mạnh (do cấu tạo của phân tử CO2, tia hồng ngoại kích thích mạnh các dao động nguyên tử trong phân tử CO2). Ngoài ra, các nghiên cứu khác cũng cho biết, từ khi hình thành Trái Đất hàm lượng khí CO2 cũng đã có những thay đổi, ban đầu có thể chiếm đến 80% trong khí quyển, nhưng đến cách đây 2 tỷ năm nó chỉ còn khoảng 20-30% và khoảng 400 000 năm trở lại đây nồng độ khí CO2 trong khí quyển cũng có những thay đổi dao động mang tính chu kỳ hình 3.3.