Nghiên cứu đo tuooit carbon phóng xạ mẫu địa chất bằng Detecto nhấp nháy lỏng

Nghiên cứu đo tuooit carbon phóng xạ mẫu địa chất bằng Detecto nhấp nháy lỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

-

LÊ THỊ NGỌC HẠNH

NGHIÊN CỨU ĐO TUỔI CARBON PHÓNG

XẠ MẪU ĐỊA CHẤT BẰNG ĐETECTƠ

NHẤP NHÁY LỎNG

Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử, hạt nhân & năng lượng cao

Mã số: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN QUANG MIÊN

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2010THƯ

VIỆN

Lời cảm ơn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Quang Miên - người đã hướng dẫn nhiệt tình tác giả trong quá trình làm và hoàn tất luận án Ngoài ra tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo khoa vật lí và khoa sau đại học trường ĐHSP Thành Phố Hồ Chí Minh, sự giúp

đỡ của các nhà nghiên cứu phòng thí nghiệm,Viện khảo cổ học Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi được sử dụng các trang thiết bị trong quá trình tiến hành thực nghiệm để hoàn tất luận án

Ngoài ra, tác giả còn xin chân thành cảm ơn thầy phản biện đã đóng góp nhiều ý kiến để luận văn được hoàn thiện

Đồng thời tôi cũng xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng khoa học đã dành thời gian đọc và góp ý cho luận văn giúp tôi thêm tiến bộ

TP HCM, tháng 7 năm 2010

Lê Thị Ngọc Hạnh

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT AMS (Accelarator Mass Spectro): Máy khối phổ kế gia tốc

GPC (Gas Proportional Counting): Ống đếm tỉ lệ

LSC (Liquid Scintillation Counting): Đếm nhấp nháy lỏng

LK4A: Lỗ khoan địa chất 4A

LKVN: Lỗ khoan địa chất VN

MỞ ĐẦU

I Lí do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển của vật lí học, đặc biệt với sự ra đời và phát triển của vật lí hạt nhân, phương pháp tính tuổi carbon phóng xạ đã góp phần đánh dấu sự phát triển của địa chất và khảo cổ học Thông qua việc so sánh hoạt độ phóng xạ của nguyên tố carbon có trong vật sau khi chết và ở thời điểm lúc còn sống, từ đó suy ra tuổi của cổ vật

Kể từ lúc ra đời, phương pháp này đã nhanh chóng khẳng định tầm quan trọng của mình - là một công cụ không thể thiếu được của các nhà địa chất và khảo cổ, cũng như các chuyên gia trong lĩnh vực đánh giá các vấn đề về môi trường liên quan tới carbon Hiện nay tính tuổi carbon là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến, và là một phương pháp tính tuổi chính xác được biết đến Sự phát triển của nó đã mang lại cuộc cách mạng cho ngành địa chất và khảo cổ học, bằng việc cung cấp những phương tiện đo tuổi ngày càng chính xác hơn và hiện đại hơn

pháp khối phổ kế hoặc phương pháp đo trực tiếp hoạt độ carbon phóng xạ Phương pháp khối phổ

kế dùng để xác định số nguyên tử carbon trực tiếp có trong mẫu Bên cạnh những ưu điểm như có

độ nhạy cao, lượng mẫu sử dụng rất nhỏ, một vấn đề gặp phải là giá thành phân tích bằng phương pháp này rất đắt, đòi hỏi hệ thống cơ sở hạ tầng khá phức tạp, khó áp dụng phổ biến Chính vì vậy,

phổ kế cũng không được sử dụng cho mục tiêu đại trà, phổ biến Trên thực tế, hiện nay tại các phòng thí nghiệm 14C, hoạt độ phóng xạ riêng của 14C của mẫu vật thường được xác định bằng phương pháp tổng hợp benzen và đếm nhấp nháy lỏng

Ở Việt Nam, phương pháp này cũng chưa phổ biến, do đó việc tìm hiểu và nghiên cứu về vấn

đề này cũng là một vấn đề đang được quan tâm Thông qua việc nghiên cứu đề tài này, tác giả có dịp tìm hiểu kĩ và sâu hơn về nội dung khoa học của phương pháp, tình hình trong và ngoài nước, cũng như được trực tiếp thực hiện các thí nghiệm xác định tuổi carbon phóng xạ các mẫu địa chất trên hệ đo tại phòng tại viện khảo cổ học Việt Nam Với những lí do đó tác giả đã lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu đo tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất bằng detector nhấp nháy lỏng” làm đề tài luận văn thạc sỹ của mình

II Mục đích nghiên cứu của đề tài

Góp phần nâng cao hiểu biết về tri thức vật lí hạt nhân và cách triển khai ứng dụng công nghệ hạt nhân trong thực tiễn

Ngoài ra, thành công của đề tài cũng sẽ trực tiếp góp phần xác lập giải pháp hữu hiệu trong phân tích xác định tuổi mẫu địa chất bằng phương pháp carbon phóng xạ tại Việt Nam

III Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các mẫu địa chất có chứa carbon và các vấn đề kỹ thuật

chuyên môn liên quan đến đo hoạt độ phóng xạ beta bằng detector nhấp nháy lỏng (như: gia công

mẫu, tổng hợp benzen, tạo detector….)

IV Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Đề tài có ý nghĩa khoa học là sẽ góp phần nâng cao hiểu biết chung về tri thức vật lí hạt nhân cũng như cách thức triển khai ứng dụng các công nghệ hạt nhân trong đời sống kinh tế xã hội Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ được ứng dụng trong triển khai phân tích xác định tuổi mẫu địa chất bằng phương pháp carbon phóng xạ tại Việt Nam

V Phạm vi nghiên cứu

-Tiến hành nghiên cứu kĩ thuật và tiến hành đo tuổi carbon phóng xạ của mẫu địa chất trên hệ đo nhấp nháy lỏng

- Tiến hành thực nghiệm tại Viện khảo cổ học Việt Nam

Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận gồm các chương:

Chương 1: Cơ sở khoa học của phương pháp

Chương 2: Thực nghiệm xác định tuổi carbon phóng xạ

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Đề tài luận văn được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 10/2009 đến tháng 6/1010 tại Phòng thí nghiệm và Xác định niên đại, Viện Khảo cổ học Việt Nam

Chương 1:

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP 1.1 Phân bố đồng vị 14C trong tự nhiên

Trong tự nhiên, carbon có thể tồn tại ở dạng tinh khiết hay dưới dạng hợp chất vô cơ như: kim cương, than chì, than đá, đá vôi hay hydrocarbonnat hòa tan trong nước Ngoài ra, carbon còn

là nguyên tố chủ yếu cấu tạo nên các hợp chất hữu cơ và là thành phần quan trọng để tạo ra các tổ chức sống

Trong khí quyển, carbon có trong các hợp chất khí, mà phổ biến là khí carbonđiôxit CO2 Qua con đường quang hợp, nguyên tố này sẽ được đưa vào trong trong các tổ chức tế bào của thực vật Động vật ăn thực vật và hấp thụ carbon vào trong cơ thể mình Nghĩa là, theo quá trình trao đổi chất sinh học, carbon sẽ được đưa vào trong mọi cơ thể sống

Trong tự nhiên carbon có ba đồng vị cơ bản đó là: 12C, 13C, 14C Trong đó hai đồng vị đầu:

12

C, 13C là các đồng vị bền và chiếm phần chủ yếu (12C chiếm 99,63%; 13C chiếm 0,07%) còn 14C là đồng vị không bền, nó có khả năng phân rã phóng xạ β- (với chu kì bán rã là T1/2 =5730 năm) để trở thành nguyên tố khác

Carbon phóng xạ (14C) là một đồng vị có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu địa chất, khảo cổ

và các vấn đề về môi trường liên quan tới carbon Nó là sản phẩm tương tác của tia vũ trụ với nguyên tử nitơ và được tạo ra liên tục trong bầu khí quyển ở độ cao 15km đến 20km tính từ mặt đất, theo phương trình phản ứng hạt nhân:

Hình 1.1 Sơ đồ về quá trình chu chuyển 14C trong tự nhiên Đồng vị 14C có khả năng phân rã β-, sau khi mất một điện tử nó sẽ chuyển thành đồng vị bền

là 14N, theo phương trình sau:

1.1.2 Hiện tượng cân bằng đồng vị carbon trong tự nhiên

Như đã biết, luôn có hai quá trình ngược nhau xảy ra đối với hai đồng vị 14C và 14N: một là quá trình tạo ra đồng vị 14C từ 14 N do tác dụng của tia vũ trụ như phương trình (1.1); một là quá trình tự phân rã của 14C tạo thành 14N như chỉ ra ở phương trình (1.2) Quá trình này đã và đang diễn

ra và từ rất lâu, lâu hơn rất nhiều so với chu kì bán rã của 14C là T1/2=5730 năm Theo đó, nếu coi số hạt nhân 14N trong khí quyển không bị thay đổi ngoài quá trình kích hoạt và thông lượng của

, H CO12 3

; Nước ngầm Trao đổi

neutron là một hằng số thì đến nay lượng 14C tạo ra ở (1.1) và lượng 14C phân rã ở (1.2) là như nhau , nghĩa là tỉ số

14 12

C

C không đổi

Trong khí quyển tỉ số

14 12

Nguyên nhân của sự cân bằng đồng vị này là do sự trao đổi chất không ngừng của sinh vật đối với môi trường sống

1.2 Mô hình bài toán đo tuổi 14C trong mẫu địa chất

1.2.1 Cơ sở của phương pháp

Ý tưởng sử dụng đồng vị 14C làm chất chỉ thị xác định tuổi cho những mẫu vật có liên quan đến sự sống đã được Wiliard Libby đề xuất năm 1949 và thành công của nó đã đem đến vinh dự cho nhà khoa học này giải thưởng Nobel năm 1960 Kể từ đó đến nay phương pháp này không ngừng được cải tiến hoàn chỉnh để ngày càng có những số liệu tin cậy hơn

Như đã nêu, khi còn sống sinh vật luôn duy trì tỉ lệ đồng vị

14 12

C

C ở giá trị không đổi và bằng 1,3.10-12 Khi không còn trao đổi chất với bên ngoài (sinh vật chết), không còn hấp thụ carbon nữa, lượng carbon phóng xạ (14C) trong chúng sẽ bị suy giảm theo quy luật phân rã phóng xạ với chu kì bán rã là 5730 năm, như phương trình (1.3)

thu được từ mẫu vật nghiên cứu chứa carbon Phương trình (1.3) lại chuyển về dạng phương trình phân rã phóng xạ quen thuộc sau đây:

Lấy logarit tự nhiên hai vế phương trình (1.4), ta có phương trình tính tuổi 14C cho mẫu vật như sau:

o

A T

Theo cách tính truyền thống, giá trị chu kì bán rã của 14C được lấy theo giá trị mà W Libby

đã thực hiện trước đây là 5568 ± 30 năm Tuy nhiên cũng có thể chuyển đổi các kết quả tính tuổi

14

bằng cách nhân kết quả với hệ số 1,03 Ngoài ra, cũng theo quy ước truyền thống, hàm lượng 14C ban đầu (Ao) trong mẫu sẽ được quy chuẩn về giá trị hàm lượng 14C trong khí quyển ở thời điểm năm 1950 Giá trị này đã được kiểm chứng bởi nhiều phòng thí nghiệm là 13,56 dpm/g (số phân rã diễn ra trong một phút trong 1g carbon) [4]

Tốc độ phân rã đồng vị 14C của mẫu đo tuổi tại thời điểm t được xác định qua các phép đo đối sánh với mẫu chuẩn 14C quốc tế

Tóm lại, khi sử dụng các giả thiết trên, kết quả tính tuổi carbon phóng xạ mẫu khảo cổ học được mặc nhiên quy chuẩn về mốc niên đại quy ước là năm 1950 AD (Anno Domini) Và tương ứng theo quy ước này, kết quả niên đại được viết theo đơn vị là năm hiện tại viết tắt là BP (Before present)

Như vậy, có thể thấy:

Phạm vi ứng dụng của phương pháp đo tuổi 14C là các mẫu có nguồn gốc từ cơ thể sống, tức

là đã hấp thụ 14CO2 trong khí quyển và tuổi của mẫu là khoảng thời gian từ lúc ngừng trao đổi chất đến nay

Để xác định chính xác tuổi của mẫu vật cần phải xác định chính xác các giá trị hoạt độ A, Ao Với các mẫu vật có tuổi càng lớn, hoạt độ phóng xạ 14C càng nhỏ, giá trị A càng nhỏ Vì vậy, bài toán xác định tuổi của các mẫu vật theo phương pháp đo hoạt độ 14C gắn liền với bài toán xác định hoạt độ phóng xạ nhỏ

1.2.2 Hiệu chỉnh tuổi 14C

1.2.2.1 Hiệu chỉnh theo niên đại vòng cây

Sử dụng các phương pháp chính xác hơn để xác định tuổi của đối tượng, như phương pháp đếm vòng cây, người ta đã phát hiện ra những sai lệch giữa tuổi thực và tuổi của đối tượng nghiên cứu theo phương pháp 14C Sự sai lệch càng lớn khi niên đại của vật càng tăng Các nghiên cứu cho thấy những nguyên nhân chính dẫn đến sự sai lệch như sau:

- Sự thăng giáng của từ trường mặt trời làm cho dòng bức xạ chiếu tới Trái đất thay đổi Qua phân tích, thời gian ứng với hàm lượng đồng vị 14C cao thường ứng với cực tiểu hoạt động của mặt trời

- Hoạt động của con người, sử dụng nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là các vụ nổ hạt nhân thử nghiệm Các số liệu quan trắc đã chỉ ra rằng vào những năm 1966 -1967 hoạt độ phóng xạ riêng của

14

C trong khí quyển tăng lên gấp đôi so với đầu thế kỉ 20 Sau khi ngừng các vụ thử hạt nhân, hoạt

độ phóng xạ riêng của 14C giảm dần có suy hướng đạt tới giá trị Ao

- Ngoài ra, những nghiên cứu chi tiết hơn về đời sống sinh vật cũng chỉ ra rằng còn có sự khác biệt về tỉ số

14 12

C C

 

 

 

trong các sinh vật hay các vùng khí quyển

Tóm lại, như đã thấy có sự biến đổi giá trị Ao trong công thức (1.4), vì vậy khi sử dụng phương pháp 14C để xác định tuổi của mẫu vật, hiệp hội các phòng thí nghiệm carbon phóng xạ quốc tế đã đưa ra phép hiệu chỉnh tuổi 14C theo giá trị niên đại vòng cây Từ đó, đã làm tăng đáng kể

độ tin cậy của kết quả đo tuổi theo phương pháp này

1.2.2.2 Hiệu chỉnh hệ số tách đồng vị

Về phương diện hóa học không có sự khác biệt đáng kể nào giữa các đồng vị của cùng một nguyên tố, nghĩa là các phản ứng hóa học xảy ra với tốc độ như nhau đối với các đồng vị của cùng một nguyên tố Tuy nhiên về phương diện động học và sinh học tồn tại những hiệu ứng phân biệt hay lọc lựa khác nhau giữa đồng vị nặng và đồng vị nhẹ của một nguyên tố Hiệu ứng đó gọi là hiệu ứng tách đồng vị hay hiệu ứng fractionation Kết quả phân tích chính xác đã chỉ ra rằng trong các

vật liệu có nguồn gốc khác nhau thì có giá trị tỉ số đồng vị 12C

C C

 

 

 

trong một thành tạo đá vôi tại Bắc Mỹ làm chuẩn, theo đó chỉ số hiệu chỉnh hiệu ứng tách đồng vị được xác định theo công thức sau đây:

13 13

12 12 sample st an dard

13 12

st an dard

C C

C C

C C

 

 

 

được xác định chủ yếu theo phương pháp khối phổ kế Trong bảng 1.1 đưa

ra hệ số tách đồng vị đối với 13C của một số vật liệu chứa carbon thường được sử dụng để xác định tuổi của các mẫu vật[4]

Hiện nay có ba kĩ thuật xác định hàm lượng đồng vị carbon phóng xạ (14C) chủ yếu Đó là kĩ thuật đo bằng ống đếm tỉ lệ (GPC - Gas Proportional Counting), kĩ thuật đo bằng detector nhấp nháy lỏng (LSC - Liquid Scintillation Counting) và kĩ thuật đo bằng phổ kế gia tốc khối lượng (AMS - Accelarator Mass Spectro)

Kĩ thuật này đã được nghiên cứu sử dụng ngay từ những năm 50 của thế kỷ 20 Nó đã được phát triển để trở thành một trong những kĩ thuật đo tuổi 14C phổ biến ở nhiều nước trong những năm

1960 -1980 Nội dung của phương pháp này như sau: mẫu sau khi được làm sạch, sẽ được xử lí để chuyển toàn bộ các nguyên tử carbon có trong nó trở thành hợp chất hữu cơ dạng khí mêtan (CH4), sau đó khí này sẽ được nạp vào ống đếm chứa khí có trường điện thế cao (khoảng vài kV) để xác định hoạt độ phóng xạ beta từ đồng vị 14C phát ra theo nguyên tắc của một ống đếm tỉ lệ Ưu điểm của phương pháp là có khả năng xác định trực tiếp hoạt độ phóng xạ 14C và dễ sử dụng Nhược điểm là hiệu suất ghi thấp, nhiễu phép đo lớn, rất cồng kềnh và độ ổn định không cao, để chống nhiễu cho thiết bị người ta đã phải tạo ra những khối chì nặng hàng chục tấn [7]

Ngày nay, kĩ thuật này ít được khuyến khích phát triển và nó đang dần được thay thế bằng những thiết bị đo khác hiệu quả hơn

1.3.2 Kĩ thuật đo đồng vị 14C bằng khối phổ gia tốc (AMS)

Kĩ thuật này có thể đuợc coi là hiện đại nhất hiện nay, có độ nhạy rất cao, lượng mẫu cần cho phân tích ít Nguyên lí hoạt động của kĩ thuật này có thể vắn tắt như sau: mẫu sau khi được làm sạch, sẽ được xử lí để chuyển toàn bộ carbon trong mẫu sang dạng khí CO2, sau đó khí này sẽ được

xử lí để toàn bộ lượng carbon trong nó trở thành nguyên chất dưới dạng bia graphit

Khi đo, bia graphit sẽ được kích thích để tạo ra các ion carbon tự do (12C, 13C, 14C) trong buồng mẫu, sau đó dưới tác dụng của điện trường các ion này sẽ được định hướng bay tới các cửa

sổ khác nhau ứng với khối lượng của mẫu đồng vị, trên cơ sở các số liệu ghi nhận về lượng đồng vị carbon sẽ đo được tuổi 14C cho mẫu nghiên cứu

Đây là một kĩ thuật đòi hỏi sự đầu tư ban đầu rất lớn, giá thành phân tích xác định niên đại carbon phóng xạ theo phương pháp này lớn gấp hai lần so với đo bằng kĩ thuật nhấp nháy lỏng Cho nên, ngay ở những nước có nền kinh tế và khoa học kĩ thuật phát triển, việc ứng dụng đại trà cho nhu cầu phân tích xác định niên đại 14C bằng kĩ thuật này cũng không phải là một giải pháp được khuyến khích Giải pháp thường được sử dụng ở các nước có nền khoa học phát triển là bên cạnh các phòng thí nghiệm 14C được trang bị khối phổ kế, người ta vẫn xây dựng những phòng thí nghiệm đo nhấp nháy lỏng cho những nhu cầu xác định tuổi đại trà

Xác định hàm lượng 14C bằng đetectơ nhấp nháy lỏng là phương pháp đang được khuyến khích phát triển trong những năm gần đây, đặc biệt là trong lĩnh vực xác định tuổi và kiểm soát môi trường phóng xạ Với sự trợ giúp của kĩ thuật vi xử lí, đã có những tiến bộ đột phá về công nghệ đo đạc bức xạ hạt nhân bằng detector nhấp nháy lỏng, cho phép nâng cao độ nhạy của phương pháp và

có thể tiến hành các phép đo xác định hàm lượng 14C đạt độ chính xác cao

Ngoài ra, kĩ thuật này còn có ưu điểm đáng kể là dễ áp dụng, giá thành phân tích thấp, chưa bằng một nửa phương pháp AMS, không đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn Nghĩa là, rất phù hợp cho những nhu cầu phân tích xác định tuổi carbon phóng xạ đại trà cho mẫu địa chất và khảo cổ học bảng (1.2.)

Bảng 1.2 So sánh chỉ tiêu thực hiện phân tích xác định tuổi 14C trên các kĩ thuật đo khác nhau

[3]

2 Giá trị số đo (xung/phút) tối thiểu ghi được trên

4 Giá trị hoạt độ tối thiểu đo được có thể đo được

Như vậy có thể thấy, trong điều kiện nước ta hiện nay, lựa chọn phương pháp xác định hàm lượng 14C bằng hệ đo nhấp nháy lỏng là giải pháp phù hợp với điều kiện thực tế, đáp ứng nhu cầu nghiên cứu khoa học và phát triển kinh tế của đất nước Đây cũng là giải pháp được chúng tôi lựa chọn thực hiện trong đề tài này

1.4 Đo hoạt độ carbon phóng xạ bằng detector nhấp nháy lỏng

1.4.1 Nguyên lí hệ đo

Detector nhấp nháy lỏng là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong kĩ thuật ghi nhận bức xạ hạt nhân Đây là phương pháp có độ nhạy cao và được ứng dụng rộng rãi trong việc đo hoạt

độ anpha, beta Đặc biệt trong xác định tuổi đồng vị 14C mẫu địa chất hay khảo cổ học

Bản chất của phương pháp đo nhấp nháy lỏng là xác định hoạt độ phóng xạ của chất cần đo qua việc đếm số chớp sáng phát ra từ dung dịch mẫu đo đã pha trộn chất nhấp nháy Sơ đồ nguyên lí

hệ đo carbon phóng xạ bằng detector nhấp nhày lỏng được chỉ trong hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ đo 14C bằng detector nhấp nháy lỏng

1 Mẫu đo có chứa detector nhấp nháy lỏng

2 Ống nhân quang điện

có những hiện tượng sau xảy ra:

Khi hấp thụ năng lượng bức xạ các phân tử dung môi chuyển sang trạng thái kích thích Quá trình truyền năng lượng từ phân tử dung môi này đến phân tử dung môi khác và sau đó đến phân tử hòa tan

Quá trình truyền năng lượng từ phân tử dung môi ở trạng thái kích thích đến phân tử hòa tan Sau cùng các phân tử hòa tan ở trạng thái kích thích sẽ chuyển về trạng thái cơ bản và phát sáng

2

1

2

Do vậy chúng ta cần thêm vào mẫu một lượng nhất định dung dịch nhấp nháy gồm dung môi

và chất hòa tan (chất nhấp nháy) Việc chọn lựa dung môi và chất hòa tan phù hợp sẽ góp phần tăng hiệu suất phép đo

Yêu cầu đối với dung môi dùng trong phép đo xác định hoạt độ 14C là:

+ Phải có khả năng chuyển đổi hiệu quả những năng lượng mang của bức xạ beta thành phổ ánh sáng khả kiến

+ Phổ hấp thụ của chất dung môi phải cách xa và không che lấp phổ phát xạ của chất phát quang

+ Phải có khả năng hòa tan tốt với benzen của mẫu đo, với chất phát quang, để tạo thành một thể thống nhất

ta cần cho một lượng tối ưu chất phát quang vào dung môi

Chất phát quang thứ cấp được sử dụng như tác nhân dịch chuyển bước sóng Chúng làm cho phổ phát xạ dịch chuyển về phía có bước sóng dài hơn Vì vậy khi dung dịch nhấp nháy hiện diện một loại hợp chất có phổ hấp thụ trùng lấp một phần phổ phát xạ của chất phát quang sơ cấp, chúng

ta cần thêm vào dung dịch một chất phát quang thứ cấp để làm giảm hiệu ứng trùng lấp và tăng hiệu suất ghi

Như vậy, nhìn chung chất phát quang cần có một số tính chất sau:

+ Hiệu suất phát huỳnh quang lớn

+ Thời gian kích thích phát huỳnh quang ngắn

+ Bước sóng phổ hấp thụ khác bước sóng phổ phát xạ

+ Khả năng hòa tan tốt trong dung môi

Sơ đồ cấu tạo detector nhấp nháy lỏng được chỉ trong hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo detector nhấp nháy lỏng 1.4.2.3 Quá trình tạo xung sáng trong detector nhấp nháy lỏng

Các hạt beta có khả năng ion hóa tốt, quãng chạy của hạt beta trong môi trường vật chất phụ thuộc vào năng lượng mang của hạt và loại vật liệu Khảo sát sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta 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 càng cao thì quãng chạy càng nhỏ Quãng chạy của hạt beta 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 beta trong môi trường tạo detector nhấp nháy lỏng

Quá trình tiêu hao năng lượng xảy ra khi hạt beta va chạm với môi trường vật chất Trong dung dịch lỏng, quãng chạy beta tương đối ngắn do quá trình tiêu hao năng lượng lớn Môi trường hấp thụ năng lượng dưới 3 dạng: nhiệt, ion hóa hay kích thích các phân tử trong dung dịch Khi đo bức xạ hạt nhân bằng detector nhấp nháy lỏng chúng ta không quan tâm nhiều đến quá trình kích thích các phân tử trong dung dịch Song, để quá trình truyền năng lượng từ hạt beta đến các phân tử trong dung dịch hiệu quả, mẫu phân tích phải hòa tan tốt trong dung dịch

Khi các phân tử dung môi ở dạng kích thích, chúng sẽ truyền năng lượng đến các phân tử dung môi khác cũng như các phân tử hòa tan

Các phân tử hòa tan được truyền năng lượng chúng sẽ chuyển sang trạng thái kích thích Khi chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, phân tử hòa tan sẽ phát ra photon dưới dạng ánh sáng Do vậy các hạt beta trong dung dịch sẽ va chạm với phân tử dung môi và kích thích phân tử nhấp nháy Cường độ ánh sáng thu được tỉ lệ với năng lượng ban đầu của hạt beta Dung dịch nhấp nháy có chức năng biến đổi động năng hạt beta thành năng lượng ánh sáng

1.4.2.4 Biến đổi photon thành xung điện

4

Như đã biết, trong sự tương tác giữa các bức xạ hạt nhân với các chất phát sáng, các photon

sẽ được hình thành Năng lượng photon chủ yếu nằm trong vùng tử ngoại, trong dải phổ điện từ cũng có nhưng rất thấp Sau đó, để xác định lượng photon phát ra một cách hiệu quả, chúng ta cần

sử dụng ống nhân quang điện để chuyển các xung sáng thành tín hiệu điện và khuếch đại chúng Mặt bên trong của ống nhân quang điện được phủ một lớp cảm quang có khả năng chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Nhờ vậy, các quang điện tử mang điện tích âm được phát ra và chuyển về điện cực dương Quá trình này sẽ làm phát sinh ra nhiều electron hơn Các electron này chuyển về điện cực thứ hai và tiếp tục sinh ra electron Quá trình này cứ thế tiếp diễn (một ống nhân quang điện thường có 12 điện cực) Sau đó, ở lối ra của ống nhân quang điện sẽ sinh

ra xung điện đặc trưng cho từng loại photon Độ lớn xung điện tỉ lệ thuận với số photon được phát hiện tại catot quang điện Nghĩa là, các quá trình tương tác của bức xạ hạt nhân trong detector nhấp nháy lỏng sẽ được phát hiện và ghi nhận dưới dạng các 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 Pulse height analyzer (máy phân tích biên độ xung) để phân tích xung và mỗi chiều cao xung được ấn định tại một kênh nhất định trong bộ nhớ

1.5 Tình hình nghiên cứu và vấn đề quan tâm của luận văn

1.5.1 Tình hình nghiên cứu

Đo tuổi 14C là một nhiệm vụ quan trọng trong nghiên cứu địa chất và khảo cổ học Theo ước tính của hiệp hội carbon phóng xạ hiện nay trên thế giới có hàng trăm phòng thí nghiệm thực hiện

đo tuổi 14C Trong đó kĩ thuật đo tuổi carbon phóng xạ (14C) bằng detector nhấp nháy lỏng đã được

sử dụng rộng rãi trong nhiều phòng thí nghiệm Đây là một kĩ thuật đuợc sử dụng để đáp ứng phần lớn nhu cầu phân tích xác định niên đại 14C trong địa chất và khảo cổ học (Noeak, D.P (1998)’, Packard Instrument Co., Inc (1995) Hơn nữa, nhờ áp dụng kĩ thuật mới - kĩ thuật vi xử lí và số hóa, các thiết bị nhấp nháy lỏng dùng trong đo tuổi carbon phóng xạ ngày nay đã được cải thiện đáng kể

mà còn cho phép mở rộng lĩnh vực ứng dụng của kĩ thuật đo này sang nhiều ngành kinh tế - xã hội khác, như kiểm soát môi trường phóng xạ trong nước sinh hoạt, trong không khí và trong an toàn thực phẩm (Perkinelmer 2008)

Ở nước ta, trong một số năm gần đây cũng đã có một số công trình nghiên cứu triển khai đo

Loát 2006, Nguyễn Kiên Chính 1998 ) Thành công từ những công trình này đã cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn và hiệu quả của phương pháp đo tuổi đồng vị 14C trong địa chất và khảo cổ học nước ta Ngoài ra, cũng cho thấy cần phải có những nghiên cứu tăng cường độ tin cậy của phương

pháp cũng như mở rộng và phổ biến tri thức ứng dụng kĩ thuật này trong đời sống kinh tế - xã hội ở nước ta

1.5.2 Những vấn đề quan tâm nghiên cứu của luận văn

Những vấn đề quan tâm nghiên cứu chính của luận văn sẽ bao gồm:

+ Tìm hiểu những cơ sở khoa học của phương pháp

+ Nghiên cứu thực nghiệm đo tuổi đồng vị 14C mẫu địa chất, gồm:

- Lựa chọn mẫu, gia công xử lí hóa học mẫu đo

- Chế tạo detector nhấp nháy lỏng và xây dựng cấu hình phép đo hoạt độ carbon phóng

xạ trên hệ đo Tri-carb 2770 TR/SL

- Xử lí số liệu, đánh giá kết quả đo

+ Đề xuất các giải pháp nghiên cứu trong thời gian tới

Chương 2:

THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TUỔI CARBON PHÓNG XẠ 2.1 Nghiên cứu qui trình phân tích đo tuổi 14C trên mẫu địa chất sử dụng hệ đo Tri-carb 2770TR/SL

Quá trình thực hiện xác định tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất trên hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770 TR/SL được tiến hành qua nhiều công đoạn khác nhau và được biểu diễn trên Hình 2.1

C trên hệ đo Tricarb 2770TR/SL

Tính tuổi hiệu chỉnh và minh giải kết quả

lỏng Tri-carb 2770 TR/SL 2.1.1 Thu thập mẫu

Mong muốn của các nhà sưu tập mẫu là mẫu đo tuổi 14C phải phản ánh chính xác, khách quan niên đại đối tượng nghiên cứu mà họ quan tâm Do vậy, cần lưu ý thu thập những mẫu có tính đại diện cao, thứ nữa là tránh sự xâm nhiễm của các nguồn carbon khác

Trong thực tế, mẫu carbon dùng cho phân tích xác định tuổi thường ở trong nhiều dạng vật liệu khác nhau, như: than hóa, gỗ, vỏ sò ốc, xương răng động vật…

2.1.2 Phân loại và làm sạch mẫu

Mẫu vật thu thập ngoài hiện trường, thường lẫn nhiều tạp nhiễm, gây ảnh hưởng tới quá trình

đo đạc và xác định tuổi sau này, do đó ta cần tiến hành xử lí mẫu để loại bỏ những tạp nhiễm đó 2.1.2.1 Các loại tạp nhiễm có thể trong mẫu nghiên cứu

Đối với mẫu than hóa: Than hóa là sản phẩm của quá trình đốt cháy gỗ không hoàn toàn Tạp nhiễm đối với đo tuổi carbon phóng xạ trong mẫu loại này thường được chia làm 2 loại:

+ Những tạp nhiễm đã xâm nhập vào gỗ trước khi bị đốt cháy

+ Những tạp nhiễm xâm nhập vào mẫu do sự hấp thụ các sản phẩm hữu cơ dễ hòa tan hay các loại bùn đất từ môi trường vào mẫu

Đối với mẫu gỗ: Về thành phần vật liệu, trong mẫu gỗ xenlulozơ chiếm chủ yếu khoảng 50% và ít bị phân hủy theo thời gian Phần còn lại là: hemixenlulozơ, liglin, nhựa thông, fats, axit tannic, đường, chất gôm Những chất này thường không bền vững, dễ bị biến đổi bởi những yếu tố

lí hóa và sinh vật Do đó, nguyên tắc chung trong xử lí hóa học loại mẫu này là cần phải bảo tồn lượng xenlulozơ trong mẫu và cần có kế hoạch tránh sự xâm nhiễm của các chất hữu cơ dễ hòa tan

từ môi trường vào mẫu cũng như sự phá hủy mẫu bởi các yếu tố vi sinh

Đối với mẫu xương răng động vật: Nhìn chung, thành phần vật liệu trong các mẫu xương răng động vật khá phức tạp, chúng thường bao gồm 80% chất vô cơ và 20% chất hữu cơ Do vậy, với loại mẫu này có hai giải pháp cơ bản để xử lí đo tuổi carbon phóng xạ là: giải pháp xác định tuổi theo lượng carbon có trong thành phần chất hữu cơ và giải pháp xác định tuổi theo lượng carbon trong vật chất vô cơ

Đối với mẫu vỏ sò ốc: Tạp nhiễm trong đo tuổi carbon phóng xạ mẫu này được phân thành hai loại:

+ Tạp nhiễm từ môi trường vào mẫu khi sinh vật còn sống

+ Tạp nhiễm do trao đổi lí hóa giữa mẫu với carbon môi trường

2.1.2.2 Các tạp nhiễm trong quá trình bảo quản mẫu nghiên cứu

Các tạp nhiễm do dùng các vật liệu bao gói không đúng cách Yêu cầu kĩ thuật về vật liệu

dùng để bao gói mẫu vật đo tuổi là cần phải đảm bảo hạn chế sự xâm nhập của các nguyên tử carbon có trong các đồ bao gói sang mẫu phẩm

Những loại vật liệu có thể dùng làm đồ bao gói mẫu phẩm đo tuổi carbon phóng xạ là hộp kim loại, hay túi polyêtylen Tuyệt đối không sử dụng vật liệu bao gói làm bằng giấy xenlulo (giấy báo, vở viết), túi đựng bằng vải hay lá cây, những loại bao gói này dễ gây nhiễm bẩn lên mẫu đo tuổi, đặc biệt là khi gặp ẩm ướt hay những sự cố bất thường khác

Các tạp nhiễm từ những hoạt động hiện tại: Tránh các thói quen như hút thuốc tại hiện

trường sưu tầm mẫu cổ vì hoạt động này gây ảnh hưởng đến chất lượng thu thập mẫu phân tích xác định niên đại Ngoài ra trong quá trình sưu tầm mẫu vật tránh ghi chép trực tiếp lên vật

Tạp nhiễm do hoạt động của nấm mốc: Tác hại của nấm mốc đến chất lượng phân tích cũng

là một vấn đề đáng kể trong khảo cổ học, đặc biệt trong điều kiện nước ta

Để khắc phục tình trạng trên, có một số giải pháp cần đuợc lưu ý như sau: Mẫu sau khi làm sạch sơ bộ ngoài hiện trường cần được sấy khô và đóng gói vào các túi polyetylen kín Khi có điều kiện phải chuyển ngay về phòng thí nghiệm để thực hiện những xử lí bảo quản phù hợp

2.1.2.3 Tẩy tạp nhiễm trong mẫu

Tẩy tạp chất trong mẫu gỗ: Tẩy tạp nhiễm trong mẫu gỗ thường được loại bỏ theo cơ chế

A.A.A (Acic - Akali - Axit) Phương pháp này được giới thiệu sử dụng tại nhiều nước trên thế giới,

về cơ bản gồm 5 bước:

+ Đầu tiên tẩy mẫu bằng nước trung tính

+ Tẩy bằng dung dịch axit (thường là axit HCl 1%)

+ Tẩy bằng dung dịch kiềm (thường là NaOH 1%)

+ Tẩy lại bằng dung dịch axit HCl 1%

+ Làm sạch mẫu bằng nước trung tính

Người ta gọi tắt phương pháp xử lí này là A.A.A, thời gian xử lí (ngâm tẩm hóa chất mẫu) mỗi lần là 5 giờ, nhiệt độ xử lí 80oC, lượng dung dịch tính bằng 10 lần lượng mẫu

Tẩy tạp chất trong mẫu than hóa:

Trong đo tuổi carbon phóng xạ các mẫu than hóa, công tác xử lí tẩy bỏ tạp chất, nhìn chung cũng tương tự như với các mẫu gỗ

Tẩy tạp nhiễm trong mẫu vỏ sò ốc:

Với các mẫu vỏ sò ốc, kể cả mẫu san hô, giải pháp thường được sử dụng để loại bỏ tạp nhiễm trong các mẫu này là thực hiện ăn mòn mẫu bằng axit clohydric kết hợp với kiểm tra quan sát thực

tế

Thực nghiệm khảo sát thay đổi hàm lượng 14C trong mẫu vỏ sò ốc, lấy trong trầm tích cổ được tẩm thực trong dung dịch axit clohidrit HCl 10%, xử lí ở nhiệt độ 20-30oC, khối lượng dung dịch tính bằng 3 lần khối lượng mẫu, thời gian xử lí là 3 giờ

2.1.3 Làm giàu mẫu bằng kĩ thuật benzen hóa

Ở đây mẫu sẽ được làm giàu dưới dạng hợp chất benzen (C6H6), theo đó 14C được đưa về dưới dạng benzen là do:

+ Benzen được tổng hợp tương đối dễ, có khả năng hòa tan mạnh các chất hữu cơ thành thể thống nhất

+ Benzen có tỉ lệ carbon cao nhất trong các hợp chất hữu cơ, hàm lượng carbon chiếm hơn 92,31%

+ Benzen là chất không màu, có độ tinh khiết cao

+ Benzen là hợp chất phù hợp với phương pháp đo nhấp nháy lỏng

Quá trình tổng hợp benzen diễn ra qua nhiều công đoạn xử lí hóa học: quá trình này được thực hiện trên hệ thống thiết bị TASK BENZEN SYNTHESIZE do Mỹ sản xuất Các hóa chất, dung môi, xúc tác đều do nhà sản xuất thiết bị cung cấp đảm bảo cho hệ thống hoạt động đồng bộ với các phòng thí nghiệm xác định tuổi 14C trên thế giới

Toàn bộ các quá trình trong tổng hợp benzen đều được diễn ra trong môi trường chân không

Sơ đồ hệ thống TASK BENZEN SYNTHESIZE trong phòng thí nghiệm được biểu diễn bằng hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống TASK BENZEN SYNTHESIZE

Quá trình tổng hợp benzen trên mẫu gồm 4 bước như sau:

Các thao tác thực hiện:

+ Đưa mẫu vào trong hộp đựng mẫu trong bình kích nổ, đậy bình kín và hút chân không + Bơm oxy tinh khiết vào bình đến áp lực 300psi

+ Kích điện để mẫu trong bình được đốt hoàn toàn, quá trình này sẽ xảy ra hiện tượng nổ trong bình nên gọi là phương pháp đốt bom Sau khi đốt một thời gian nhiệt độ trong bình giảm xuống gần nhiệt độ phòng

Bình kích nổ được thiết kế độc lập với thiết bị tổng hợp benzen Sau khi nhiệt độ trong bình

nổ xuống tới nhiệt độ phòng, bình nổ này sẽ được nối với hệ thống tổng hợp benzen thông qua các

bộ cầu nối thích hợp Bình kích nổ dùng để đốt mẫu than, gỗ trong đo tuổi carbon phóng xạ sử dụng trong hệ thống tổng hợp benzen được chỉ trong hình 2.3

Hình 2.3 Bình kích nổ sử dụng trong phương pháp đốt cháy

Ngoài ra đối với các vật liệu như mùn, đất, chúng ta có thể sử dụng phương pháp đốt cháy liên tục Nội dung của kĩ thuật này là:

Cho lượng mẫu cần đốt vào bình chứa mẫu gắn liền trên hệ thống tổng hợp benzen Sau đó sẽ dẫn một dòng khí oxy tinh khiết qua hệ thống dẫn chảy từ từ qua mẫu cần đốt

Tăng dần nhiệt độ lên mẫu đến nhiệt độ 600oC bằng cách điều khiển các lò đốt, như vậy dưới tác dụng của nhiệt và khí oxy, khí CO2 sẽ được tạo ra và được thu qua các bẫy khí CO2; còn lượng oxy dư sẽ được thoát ra ngoài

 Phương pháp axit hóa

Dùng axit hoạt tính mạnh chuyển lượng carbon trong mẫu thành khí CO2

Đối với vật liệu là vỏ sò ốc trong quá trình tạo khí CO2 ta sử dụng phương pháp axit hóa thành phần vô cơ trong vỏ sò ốc

Sau khi được làm sạch, sấy khô và nghiền nhỏ, bột mẫu sẽ được đưa vào một bình thủy tinh chuyên dụng, gọi là bình chưng cất Bình này được nối với hệ thống tổng hợp benzen

Rót vào bình một lượng axít photphoric H3PO4 vừa đủ Lúc đó khí CO2 sẽ được thoát ra theo phương trình sau

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 trong nitơ lỏng Hệ đường dẫn và các ống thủy tinh

đã được hút chân không Các ống thủy tinh đặt trong nitơ lỏng gọi là các bẫy khí

Hệ thống thu thập CO2 được nối với áp suất kế để đo áp suất, nhờ đó tính được lượng khí thu được Sau khi thu hết CO2, đóng van các bẫy khí của hệ thống, lấy bình kích nổ hay bình chưng cất

ra

2.1.3.2 Quá trình carbide hóa tạo thành Li2C2

Từ lượng khí CO2 thu thập được trong quá trình tạo khí, theo đồ thị xác định lượng kim loại liti (Li) cần thiết để sử dụng trong phản ứng, sao cho phản ứng xảy ra vừa đủ Các miếng liti kim loại dạng thanh sẽ được cắt ra và cho vào trong một bình phản ứng bằng thép trong hệ thống tổng hợp

Hút chân không bình phản ứng chứa kim loại liti và đốt nóng nó bằng một hệ thống lò nung điện đặt dưới đáy bình tới nhiệt độ khoảng 850oC để làm cho kim loại này nóng chảy hoàn toàn Khí CO2 trong bình trữ được dẫn vào trong bình phản ứng đã chứa sẵn liti nóng chảy, tạo thành liticabit Li2C2 theo phương trình sau:

Trong quá trình này, bình phản ứng được đốt nóng liên tục bằng lò ủ ở nhiệt độ 850oC trong khoảng 2 giờ Sau đó tắt lò để bình nguội dần về nhiệt độ phòng Quá trình này diễn ra trong khoảng thời gian 5-6 giờ

2.1.3.3.Tạo axetylen

Phản ứng tạo ra liticacbit xảy ra hoàn toàn sau khi đã ủ trong 2 giờ Lượng liticarbit (Li2C2) được tạo ra có dạng chất rắn nằm ở đáy bình phản ứng Đặt nhiệt độ lò ủ ở nhiệt độ phòng, hút khí tạo chân không trong bình phản ứng Sau đó, cho dần nước vào bình phản ứng, nước nguyên chất được phun vào trong bình dưới dạng tia từ trên xuống

Quá trình thủy phân carbide liti (Li2C2) để tạo thành khí axetylen (C2H2) trong bình diễn ra theo phương trình (2.3)

Khí axetilen tạo ra trong phản ứng trên sẽ được thu thập bằng các đường dẫn và các bẫy khí

đã được hút chân không làm sạch khí dư Sau đó được cất trữ trong các bình chứa của hệ thống Những sản phẩm còn lại của quá trình thủy phân này, dung dịch liti hydroxyt (LiOH) và nước trong bình phản ứng sẽ được tháo bỏ ra ngoài

quá trình phản ứng trimer hóa sẽ xảy ra hoàn toàn trong khoảng 3,0 - 3,5 giờ Khi đó, lượng benzen tạo ra sẽ được lưu trong bình chứa ở dạng bị hấp thụ trong chất xúc tác

Kết thúc quá trình trimer hóa, rút bình nước nóng ra Đóng chặt các van của bình phản ứng

Sử dụng bơm chân không để rút hết các khí dư còn sót trong các ống dẫn khỏi hệ thống TASK BENZEN

Quá trình lấy benzen được thực hiện bằng việc sử dụng một bẫy cũng là một ống thủy tinh chịu nhiệt đã hút chân không và được đặt trong bình chứa nitơ lỏng Bẫy này sẽ được mở thông với bình xúc tác, sau đó đưa lò ủ có nhiệt độ khoảng 100 - 110oC lên ngập bình xúc tác

Khi đó, dưới tác động của nhiệt độ và chân không, lượng benzen hấp thụ trong chất xúc tác

sẽ được giải phóng và chuyển dần sang bẫy này Nhìn chung, khoảng thời gian cần thiết để lượng bezen trong bình xúc tác được lấy hết sang bẫy là 3,0 - 3,5 giờ

2.1.3.5 Tạo detector nhấp nháy lỏng cho hệ đo Tri-carb 2770TR/SL

Lượng benzen thu được sau quá trình tổng hợp trên, sẽ được đem đi cân trên cân kĩ thuật có sai số 0,0001g, mục đích là xác định chính xác khối lượng benzen của mẫu và sai số cân không ảnh hưởng tới sai số tính tuổi carbon phóng xạ sau này

Sau đó, detector nhấp nháy lỏng cần đo sẽ được tạo bằng cách trộn lượng benzen thu được trên với dung dịch chứa chất phát sáng (hay còn gọi là coctail) với một tỉ lệ nhất định Bình đựng mẫu đo cần đảm bảo giống hệt mẫu chuẩn và thực tế đó là loại vial chuyên dụng làm bằng thủy tinh

có phông phóng xạ rất thấp và có kích thước 7ml (hình 2.4.)

Hình 2.4 Detector nhấp nháy lỏng đo tuổi 14C Hỗn hợp nhấp nháy lỏng có tác dụng phát quang nhanh khi có tác động của bức xạ beta Qua các nghiên cứu đã được thực hiện thì hỗn hợp chất nhấp nháy lỏng PPO+POPOP pha với tỉ lệ 6g/l PPO và 0.2g/l POPOP là đảm bảo cho hiệu suất ghi tốt (do có hiệu suất phát quang cao, ổn định và không bị tạp nhiễm) [4]

Tham khảo những công trình nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Viện Khảo cổ học và của hãng Packard (8), chúng tôi đã đề xuất sử dụng công thức chế tạo detector nhấp nháy lỏng cho đo tuổi 14C trên hệ đo Tri-carb 2770TR/SL gồm:

3ml C6H6 + 3.10-4g PPO + 3.10-6g POPOP + 0,5ml Toluene

Ngoài ra, cũng cần lưu ý là để đảm bảo điều kiện hình học của detector luôn phải giống nhau cho mọi phép đo, trong thí nghiệm này chúng tôi đã thực hiện bổ sung lượng benzen cần thiết cho mỗi mẫu bằng benzen không phóng xạ (non-activity) thu được từ việc tổng hợp benzen từ các mẫu

đá vôi tuổi Devon sưu tập tại khu vực Ninh Bình

2.2 Tiến hành thực nghiệm trên hệ đo Tri-carb 2770TR/SL

Dựa vào các qui trình đã nghiên cứu trên, tác giả luận văn đã tiến hành thực nghiệm phân tích xác định tuổi một số mẫu địa chất bằng phương pháp 14C trên hệ đo nhấp nháy lỏng bằng hệ đo Tri-carb 2770TR/SL tại phòng thí nghiệm, nội dung gồm:

2.2.1 Thu thập mẫu

2.2.1.1 Đặc điểm của mẫu dùng trong thực nghiệm

Mẫu trong đề tài được thu thập ngay tại thực địa trong các lỗ khoan địa chất Các mẫu nghiên cứu được mô tả trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các mẫu địa chất dùng trong thực nghiệm của đề tài

1 M04-12 Vỏ sò ốc LK4A (90m) - Mẫu lấy tại lỗ khoan địa

2.2.1.2 Định lượng mẫu trước khi xử lí

Để có được những thông tin định hướng bước đầu, trước khi tiến hành xử lí hóa học, các mẫu

sẽ được xác định khối lượng bằng cân phân tích thông thường như chỉ trong hình 2.5 và kết quả trong bảng 2.2

Đối với những vỏ sò bị kết tảng trong đất đá, đập đất ra chỉ thu lấy vỏ sò Các đất đá còn lại

có thể lấy để tái xử lí trong trường hợp lượng mẫu thu được rất ít

Sau khi rửa sạch mẫu được sấy ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 3h, sau đó được tẩy sạch tạp nhiễm bằng axit HCl Chế độ tẩy sạch tạp nhiễm thích hợp trong mẫu là dung dịch HCl 10%

Khối lượng dung dịch bằng 3 lần khối lượng mẫu Khi cho mẫu vào axit cần khuấy đều cho tới khi hết xủi bọt thì thôi, khi đó các tạp chất trên mẫu có dạng CaCO3 sẽ bị axit rửa sạch theo phương trình:

Quá trình tẩy sạch mẫu sò ốc bằng phương pháp axit hóa được minh họa như hình 2.6

Hình 2.6 Hình minh họa việc tẩy tạp chất của mẫu theo phương pháp axit hóa

Với các mẫu than hay thực vật, công tác làm sạch mẫu cũng có những nét tương tự và sẽ được xử lí theo phương pháp A.A.A Nghĩa là, trước khi xử lí hóa học các mẫu sẽ được kiểm tra sơ

bộ bằng kính hiển vi để loại bỏ các tạp nhiễm có thể nhận biết được bằng quan sát, chẳng hạn rễ của các cây cỏ, những mảnh giấy báo hay giấy nylon, mảnh tước của các đoạn dây buộc…

Sau đó lọc rửa mẫu bằng nước sạch nhằm loại bỏ phần bùn đất dính bám trên mẫu, sấy khô

que diêm), sau đó ngâm chúng trong dung dịch axit clohydric 1%, ở nhiệt độ 80oC, thời gian trong

24 giờ, nhằm loại tạp nhiễm trong mẫu dưới dạng các hợp chất dễ tan trong môi trường axit

Mẫu sau khi được ngâm trong dung dịch axit như đã nêu trên, sẽ được rửa sạch bằng nước trung tính và sấy khô Tiếp đó là ngâm mẫu trong dung dịch kiềm NaOH 1% (Alkina), ở nhiệt độ

80oC, trong thời gian 24 giờ, nhằm loại tạp nhiễm trong mẫu dưới dạng các hợp chất dễ tan trong môi trường kiềm Sau đó tiến hành lọc, rửa mẫu bằng nước sạch và sấy khô Ở bước xử lí này có thể

có một phần khí CO2 ngoài môi trường lẫn vào mẫu đo theo phương trình phản ứng: