Nghiên cứu ứng dụng đồng vị C trong nghiên cứu khảo cổ học và địa chất môi trường = Researching application of isotope C-14 in researching application of isot162552

- Xây dựng phương pháp xác định mức phóng xạ của 1 lc trong khí quyển từ đó ứng dụng trong một sô nghiên cứu môi trường liên quan tới các bon.. Tiến hành xác định hoạt độ phóng xạ riêng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

TÊN ĐỂ TÀI

NGHIÊN CỨU KHẢO c ổ HỌC VÀ ĐỊA CHAT MÔI TRƯỜNG

MÃ SỐ:QT-06-49

CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI

TS BÙ I V Ã N L O Á T

HÀ NỘI - 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

TÊN ĐỂ TÀI NGHIÊN CỨU ÚNG DỤNG Đ ổ N G VỊ ,4C TRONG

NGHIÊN CỨU KHẢO c ổ HỌC VÀ ĐỊA CHAT MÔI TRƯỜNG

d Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.

- Tìm hiểu phương pháp và tiến hành xác định hoạt độ phóng xạ l4C

bằng cách tổng hợp benzene và đo nhấp nhảy lỏng

- Xác định tuổi các đôi tượng địa chất và khảo cổ dựa vào phương

pháp đo hoạt độ phóng xạ xác l4C

- Xây dựng phương pháp xác định mức phóng xạ của 1 lc trong khí

quyển từ đó ứng dụng trong một sô nghiên cứu môi trường liên quan tới

các bon

e.Kết quả chính của đề tài

Đã tiến hành xác định hoạt độ phóng xạ riêng của l4C trong các mẫu

nghiên cứu bằng cách tổng hợp benzene và đo hoạt độ các bon phóng xạ

trên hệ đo nhấp nháy lỏng Với bộ mẫu chuẩn quốc tế axit oxalic có hoạt

độ 19.36 dpm/gC và mẫu phỏng là benzene khỏng phóng xạ đã tiến hành

3

đánh giá độ ổn định của thiết bị đo và xác định hiệu suất ghi của thiết bị Kết quả thu được:

Hiệu suất ghi của thiết bị là 0,727 ± 0,006 Với thời gian đo

3300phút, độ tin cậy 99,7%, ngưỡng phát hiện của thiết bị là

0,0213dpm/gC Có thể xác định được tuổi của các mẫu vật có tuổi đến

52000 năm

Tiến hành phân tích thử nghiệm, xác định tuổi của hơn chục mẫu

khảo cổ và địa chất, sử dụng tiêu chuẩn student so sánh với kết quả phân

tích của ba phòng thí nghiệm khác trên thế giới Với mức hợp lý 0,01 kết

quả tuổi của các mẫu vật thu được từ đề tài phù hợp với các kết quả tuổi

của các mẫu phân tích thu được từ các phòng thí nghiệm của Trường Đại

học Ogeorgia Hoa Kỳ, phòng thí nghiệm xác định tuổi '*c Cộng hoà Liên

bang Đức và Phòng thí nghiệm l4C, Trường Đại học Quốc gia Sêun Hàn

Quốc

Tiến hành xác định hoạt độ phóng xạ riêng l4C trong các mẫu môi

trường và trong không khí, kết quả cho thấy với mức hợp lý 0,05 hoạt độ

phóng xạ riêng ,4C trong thực vật sống và trong khí quyển có giá trị bằng

nhau Mức phông phóng xạ 14c trong khí quyển và trong các thực vật sông

ngắn ngày trong nãm 2006 tại khu vực xung quang Hà Nội là 229Bq/kgC

Kết quả đào tạo:

Hướng dẫn 01 Khoá luận tốt nghiệp “ Xác định hoạt độ phóng xạ 14c

bằng phương pháp nhấp nháy lỏng và ứng dụng xác định tuổi của các đối

tượng địa chất và khảo cổ học” - Sinh viên Vũ Trọng Tâm K47 Chuyên

ngành Vật Lý hạt nhân Khoa Vật lý

- 02 bài:

Bài 1: Radiocarbon dating geological and archaelogical objộct by

benzene synthesis and liquid scintillation counting VNU, Journal of Science- Mathematis- Physics, T.XXII.No2AP.2006;pl03-106

Bài 2: “C arbon-14 activity of envirinmental sample at Hanoi in

T.XXII,N02 AP.2006;p 107-110

f.Tinh hình kinh phí của đề tài

Kinh phí được sử dụng đúng quy định:

Chi cho mua hoá chất, vật tư : 5 lOO.OOOđ

Chi công tác phí, Hội nghị: 3.000.000đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

• Hỏ HIỀU TRƯỚNG

'u m

5

SCIENTIFIC PROJECT

1 Iille : Application ol 1'C isotope ill the arcliacologiciil and geological Research

2 Code: QT 06 - 49

3 Managing Institution: Vietnam National University Hanoi

4 Implementing Institution: Hanoi University of Science Faculty ol

T he specific activity of carbon is m easured bv liquid scintillation

c o u n tin g (LSC) T he sam ples carbon ii= converted into benzene by the Tnsk B en ze n e S y n th e size r and subspqupnt]' m easured for 1 lc activity

by the Tri-Carl) 2770 TR/SL made in USA

T he stand ard is N.I.S.T 'líííìdC :ix;ilic oxalic II \v;is made from ;i crop of 1977 French beot m olasses Activity of standard oxalic andf' II is

With a total c o u n tin g time of ‘WOOnim, m im nial dpi (M'tjl)l(' activity is

0,0213dpm/gC With a 99,7% obability, Tri-carb 2770 TR/SL- our instrument can date the very old samples with ages up to 52000 BP.

All values of t calculated are smaller than critical for T0()1=2,59 which was taken in table of student distribution It clear that our obtained results are in good agreement with standard results established in l4C dating Lab in USA and GRR

More th a n 30 environm ental sam ples were analyzed The m easured

14c specific activity showed th at the 14c specific activity (Bq/kgC) in plan ts is th e sa m e as in the atmosphere Therefore, the specific activity

of atm osp h eric carbon can be calculated u sin g the specific activity in plants in equilibrium with the environment.

The su r v ey in 2006 from plants and atm ospheric carbon dioxide gives

a m ean v a lu e for natural 14c background levels of 229,0 ± 3,0 Bq/kgC, which is sm a ller th an 14c specific activity in th e terrestrial environm ent close to F rench nuclear power plants by the yea r o f 2003 about 6%, but it

is h ig h er th a n th e natural 14c background level by the year o f 1950 (226,0 ± 1 , 1 Bq/kgC) about 1,2%.

7

MỤC LỤC

Tran ạ

bon p h ó n g xạ và m ộ t sô ứng dụ n g tron g nghiétì cứu m ôi trường.

1.2 Xác định tuổi của mẫu vật theo hoạt độ phóng xạ l4C 1 I

nhấp n h áy lỏng.

2 1 Chuẩn bị m ầu và tạo mẫu đo trên hệ đo nhấp nháy lóng I 3

2.2 Q uá trình tổng hợp benzene trên hệ Task benzene synthesise 14

3.1 Đánh giá ổn định, xác định hiệu suất ghi và ngưỡng phát hiện cua 2 I

hệ đo nhấp nhay lỏng Tri-carb 2770 TR/SL

3.2 Hiệu chỉnh hệ số tách đổng vị, xác định tuổi của mội sỏ' mau 23

3.3 Xác định hoạt độ của các mẫu môi trường có chứa các bon 25

Lời mở đầu

Các bon là một nguyên tố khá phổ biến trong cấu tạo vỏ Trái Đất, đông thơi no cung là nguyên tồ cơ bản tạo nên các tổ chức sông Trong tự nhiên, các bon tôn tại cả ở dạng tinh khiêt cả ở dạng hợp chất Trong than chì trong kim cương các bon tồn tại ở dạng tinh khiết Trong than đá dầu

mỏ, nhựa đường, đá vôi và trong khí quyển các bon tổn tại ở dạng hợp chất Trong tự nhiên các bon có 3 đồng vị: Hai đổng vị bền đồng vị bền là l2C

và n c và đồng vị phóng xạ 14c phân rã p \ Đổng vị phóng xạ l4C phân rã bêta mền thuần tuý với năng lượng phân rã Qp =156 keV với chu kì bán rã

T = 5730 năm

Các bon phóng xạ được hình thành do tương tác của các tia vũ trụ với khí

quyển ở tầng cao Sự quang hợp đã đưa một phần l4C trong sinh quyển vào

cô định cácbon trong thực vật, từ đó cô định các bon trong cơ thể sống theo

chu trình thức ãn Phần còn lại hoà tan trong nước bề mặt đại dương, rồi

sau đó lại được cố định trong vỏ sinh vật biển Do đó hàm lượng l4C trong

các bon tự nhiên được duy trì hầu như không đổi trong phần lớn tầng sinh

quyển và động thực vật còn sống Theo quy ước của Hiệp hội Các bon

phóng xạ thế giới [7,8,9] độ phóng xạ riêng của ;c trong lgam các bon tự

nhiên là A(,= 13,554 dpm/lgC, hay A(,= 226 Bq/lgC Khi động thực vật bị

chết, quá trình quang hợp và trao đổi chất bị ngừng lại Do hiện tượng phân

rã phóng xạ hoạt độ phóng xạ riêng của '4C trong động thực vặt đã bị chết

giảm dần theo thời gian Bằng cách so sánh hoạt độ phóng xạ của 14c còn

lại trong các mẫu vật so với hoạt độ phóng xạ của uc tại thời điểm ban đầu

sẽ xác định được tuổi của các mẫu vật có chứa các bon

Vào những năm 1950 và 1960, trên thế giới xảy ra hàng loạt các vụ

thử hạt nhân, kết quả là ngoài 14c có nguồn gốc từ tia vũ trụ còn có lương

" c đươc hình thành do 14 N bắt các nơtron sinh ra từ các vụ nố hạt nhân Do

đó hoạt độ phóng xạ l4C trong một gam các bon tự nhiên tãng lên so với

hoạt độ độ phóng xạ '4C trong một gam các bon có nguồn góc từ tia vù trụ

Theo kết quả nshiên cứu [6,8.9] của nhiều tác giả khác nhau, hoạt độ

9

phóng xạ 14c trong lg cácbon vào năm 1982 là 292Bq/lgC giá trị này vào

nẫm 1996 la 252Bq/lgC Như vậy, sau này khi phân tích xác định tuổi của

cac mâu vật co tuôi tương ứng với các năm khi xảy ra các vụ thử hạt nhân

trong khi quyen, gia tn hoạt độ phóng xạ l4C ban đầu lớn hơn so với giá trị 13,554 dpm /lgC

Vì vậy, hàng năm cần phải có những sỗ liệu thực nghiệm về hoạt độ riêng c cua các mâu thực vật đê làm tài liệu tham khảo sau này Ngoài

ra, trong cuộc sống hàng ngày, con người sử dụng nhiều nhiên liệu đốt hoá thạch như than đá, khí đốt đã thải vào khí quyển một lượng lớn C O : khôngchứa l4C, kẽt q u ả hoạt độ phóng xạ l4C trong m ột gam các bon tự nhiên giảm dần

Hàm lượng của các bon 14c trong thành phần các bon tự nhiên và do

đó hoạt độ 14c trong lgam các bon tự nhiên có trong mẫu chứa các bon, có thê xác định theo phương pháp khối phổ kế và phương pháp đo hoạt độ phóng xạ Phân tích hàm lượng nguyên tố theo phương pháp khối phổ kế có

độ chính xác cao nhưng giá thành đắt hơn nhiều so với phương pháp đo hoạt độ phóng xạ Hàm lượng của l4C được xác định theo phương pháp đo hoạt độ phóng xạ, bằng phương pháp nhấp nháy lỏng

Đề tài QT-06-49 với tên gọi “ Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đổng

vị 14c trong nghiên cứu khảo cổ học và địa chất mói trường ở Việt Nam ”

Ngoài mục lục, kết luận, báo cáo đề tài được chia thành 3 chương:

Chương 1 Cơ sở của phương pháp xác định tuổi mẫu vật theo hoạt độ các bon phóng xạ và một số ứng dụng trong nghiên cứu môi trường

Chương 2: Xác định hoạt độ phóng xạ của '*c bằng phương pháp nhấp nháy lỏng

Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận

C h ư ơ n g 1 Cơ sở của phương pháp xác định tuổi mảu vật theo hoạt

độ các bon phóng xạ và một so ứng dụng trong nghiên cứu mỏi trường l.l.Q u á trình chu chuyển 14c trong môi trường

Các bon phóng xạ được hình thành do tương tác của các tia vũ tru với khí quyển ở tầng cao Prôtôn năng lượng cao thành phân chủ yêu của tia

vũ trụ sơ cấp, bắn phá hạt nhân của các nguyên tử có trong thành phẩn khí quyến tạo ra tia vũ trụ thứ cáp, trong đó có rất nhiều nơtrỏn Nơtrôn tương tác với hat nhân l4N tao thành l4C theo phản ứng hạt nhân sau:

n + ' ^ N - ^ C + p + 0 , 6 M e V ( 1 1 )Hiệu suất tạo l4C ở độ cao chừng 15-20 km trong tầng bình lưu tháp đạt giá trị cực đại [3.5.7] Các nguyên tư các bon phóng xạ sẽ nhanh chóng bị ỏxy

hoa tạo thanh C 0 2 va phân tán khăp toàn cầu trong bầu khí qu\ên sinh quyển và các tầng khí quyển khác.

Sự quang hợp đã đưa một phần 14c trong sinh quyển vào cố định các bon trong thực vật, từ đó cô định các bon trong cơ thê sông theo chu trình thức ăn Phân còn lại được hoà tan trong nước bề mặt đại dương, rồi sau lại được cố định trong vỏ sinh vật biển Hàm lượng 14c được duy trì hầu như không đôi trong phần lớn tầng sinh quyển và động thực vật đang sông

1.2 Xác định tuổi của mẫu vật theo hoạt độ phóng xạ l4C

Đồng vị phóng xạ 14c phân rã bêta với Epmax = 156 keV và tạo thành đồng vị 14 N bền, theo phương trình phân rã phóng xạ sau:

c ,4-» N 14 + / r + p- (1.2)Quá trình tạo thành 14c theo phản ứng hạt n h â n (l.l) và quá trình phân

rã của nó theo phương trình phóng xạ (1.2) là hai quá trình cạnh tranh nhau Phản ứng tạo thành 14c trong bầu khí quyển bao quanh Trái Đất xảy

ra hàng tỷ năm, gắn liền với sự hình thành của bầu khí quyển bao quanh Trái Đất, trong khi đó chu kỳ bán rã của '4C chi 5730 nãm nên hoạt độ phóng xa l4C trong khí quyển có nguồn gốc từ tia vũ trụ đạt giá trị bão hoà Theo [8,9] giữa động thực vật đang sống và môi trường có sự “cân bằng”

về tỷ sô đồng vị của các bon Điều này có nghĩa tỷ số giữa nồng độ của l4C trong các bon tự nhiên và hàm lượng của các bon trong đối tượng >óng và trong khí quyển là như nhau Vì vậy, đối với các mẫu các bon được xử lý từ các động thực vật chứa các bon đang sống và từ không khí thì hoạt độ phóng xạ riêng của 'Jc trong ]gam các bon là như nhau Điều này cũng có nghĩa: Độ phóng xạ riêng của các bon phóng xạ trong các mẫu vát đang sống hiện nay có thể được dùng để đặc trưng cho độ phóng xạ ban đáu cúa l4C trong các mẫu chứa cácbon tương ứng

Khi sinh vật (động vật thực vật) chết, chu trình sinh học ngừng lại các tàn tích thực vật và động vật thôi không còn hấp thụ các bon được nữa và tách ra khỏi sự trao đổi chuyến hoá với môi trường chứa nó Từ đó lượng

cá c bon p h ó n g xạ trong x á c động thực vật sẽ giảm theo hàm m ũ VƠI chu kỳ

bán rã 5730 năm So sánh hoạt độ phóng xạ riêng cua l4C tại thời điểm ban đầu và tai thời điểm nghiên cứu suy ra tuôi của đỏi tượng chứa các bon

Cơ sở và kỹ thuật của phương pháp xác định tuổi theo phương pháp đo hoạt độ phóng xạ l4C như sau:

Khi động thực vật còn sống hoạt độ phóng xạ riêng của '~c là đai lượng khong đoi Khi chết hoạt độ phóng xạ sẽ suy giảm theo quy luát hàm sốmũ:

trono đó A A lần lượt là hoat độ tại thời điẽm t và hoat đó ban đáu tính cho m ộ t g a m m ẫ u các bon thu được.

11

Do hiện tượng cân bằng đổng vị, hoạt độ phóng xạ riêng ban đầu A„ trong mọt gam cac bon được tổng hợp từ các mẫu vật có giá trị như nhau

Theo quy ươc cua Hiệp hội Các bon-14 Quốc tẽ giá trị A0 là hoạt độ chuẩn

C(? 13.554 dpm/gC Từ phương trình (1.3), lấy logarit tự nhiên hai

vê, tuôi cua mâu vật được xác định theo công thức sau:

Như vậy, đê xác định tuổi của một mẫu vật cần phải đo hoạt độ phóng

xạ còn dư cua 1 c trong mẫu chứa các bon Mẫu phân tích phải có nguồn gốc từ cơ thê sống, tức là đã hấp thụ l4C 0 2 từ trong khí quyển Các mẫu như đá, gốm, nếu có chứa một số chất hữu cơ còn sót lại cũng có thể xác định tuôi của chúng theo phương pháp l4C Hiện nay, tuổi của các mẫu vật chứa các bon thường được xác định theo phương pháp đo hoạt độ phóng xạ l4C bằng phương pháp nhấp nháy lỏng Khi đó, các bon phóng xạ trong các mẫu nghiên cứu chứa các bon được chuyển về dạng benzene

1.4 Đánh giá mức phóng xạ tự nhiên của I4C

Do tính chất linh động cao của các bon và chu kỳ bán rã lớn l4C nên thông tin về hoạt độ phóng xạ riêng của l4C có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các nghiên cứu các hiện tượng có liên quan tới các bon và mỏi trường

Vào những năm 1950 và 1960, trên thế giới xảy ra một loạt các vụ

thử hạt nhân, kết quả là ngoài '4C có nguồn gốc từ tia vũ trụ, còn có lượng

l4C được hình thành do MN bất các nơtron sinh ra từ các vụ nổ hạt nhân Do

đó hoạt độ phóng xạ 14c trong một gam các bon tăng lên so với hoạt độ độ phóng xạ 14c trong một gam các bon có nguồn gốc từ bức xạ tia vũ trụ Theo kết quả nghiên cứu [6,8] của nhiều tác giả khác nhau, hoạt độ phóng

xạ l4C trong lg cácbon vào năm 1982 là 292Bq/lgC Giá trị này vào nãm

1996 là 252Bq/lgC Như vậy, sau này khi phân tích xác định tuổi của các mẫu vật có tuổi tương ứng với các nãm khi xảy ra các vụ thử hạt nhân trong khí quyển thì giá trị A 0 trong công thức (1.4) lớn hơn so với giá trị 13.554

d pm /lgC tức là lớn hơn 226 Bq/lgC Vì vậy, hàng nãm cần phải có những

số liệu thực nghiệm xác định giá trị A 0 hay chính xác là đánh giá he It độl4C của các mẫu thực vật còn sống để làm tài liệu tham khảo sau này

Trong cuộc sống hàng ngày, do con người sử dụng nhiều nhiên liệu hoá thạch như than đá, khí đốt nên đã thải vào khí quyển khí CO : chứa cácbon không phóng xạ ngày càng nhiều Kết quả hàm lư^ng của l4C trong các bon

tự nhiên giảm dần, dẫn tới hoạt độ phóng xạ riêng của 1JC trong 1 gam các bon tự nhiên lấy từ không khí giảm dần Nồng độ nitơ tư nhiên trong không khí không đổi hoạt độ phóng xạ riêng của '4C có nguồn gốc từ tia

vũ tru trong lgcỉrn các bon lây tư khi cỊuycn >6 gicim diin do sự thiil CQ.rj không phóng xa vào khí CỊuyên Nẻu khong co CÍ.1C \ụ thư hạt nhíin ngom

khong khi, thi c CO nguôn gôc nhân tạo không đáng kể, hoạt độ phóng xạ

riêng A0 của *c tính trong lgam các bon lấy từ không khí sẽ bị giảm

Lượng khi C 0 2 khong phóng xạ được thải vào không khí càng lớn, thì tốc

độ suy giam cua A0 cang nhanh Căn cứ vào tốc độ suy giảm của giá trị A()

có thể đánh giá được lượng C02 thải vào khí quyển

Chương 2 Xác định hoạt độ phóng xạ của l4C bằng phương pháp nhấp nháy lỏng

Do c là một đổng vị phóng xạ bêta mền thuần tuý, nên hoạt độ phóng

xạ của nó thường được đo theo phương pháp nhấp nháy lỏng Thông thường các bon có trong mẫu nghiên cứu được chuyên về dạng benzene Vì vậy nhiệm vụ của việc xử lý mẫu đo là chuyên các bon có trong mẫu đo về dạng benzene

2.1 Chuẩn bị mẫu và tạo mẫu đo trên hệ đo nhấp nháy lỏng

2.1.1 Làm sạch mẫu

Các mẫu thu được trong tự nhiên thường lẫn các chất tạp bẩn làm ảnh hưởng tới tốc độ đếm thực của mẫu đo, dẫn đến sự sai khác rất lớn giữa hoạt độ phóng xạ 14c thực của mẫu đo Do đó trước khi tạo tiêu bản đo cần phải loại bỏ tạp chất ra khỏi mẫu bằng các hoá chất thích hợp

Quá trình làm sạch mẫu được thực hiện trước khi bắt đấu quá trình oxy hoá mẫu tạo khí c o , Mẫu thu thập được sẽ được làm sạch tương đối bằng các công đoạn như nhặt, rửa, sấy, cân mẫu Sau đó mẫu sẽ được ngâm bằng dung dịch axít, cho vào lò sấy, tiếp tục cho ra rửa sạch và tiếp tục ngâm bằng dung dịch bazơ với nồng độ thích hợp sao cho mẫu thu được hoàn toàn là sạch

2.1.2 Tổng hợp benzene- Làm giàu mẫu

Mục đích của việc làm giàu mẫu là nhằm tạo ra một mẫu có hàm lượng nguyên tố cácbon cao, có tính chất hoá học phù hợp với chất nhấp nháy và không lẫn tạp chất bên ngoài trong quá trình xử lý

Do đó, công đoạn chuẩn bị mẫu đo thực chất là công đoạn xử lý hoá học chuyên các bon từ những mẫu cần đp về dạng benzene, trong đó có c Các bon được làm giàu bằng cách đưa về dạng benzene là vì:

- Benzene được tổng hợp tương đối dễ

- Benzene có hàm lượng các bon cao nhât trong cac hợp chat hưu cơ chiếm 92,31% thành phần khối lượng

- B en z e n e là h ợ p chất phù hợp VỚI phương phap đo nháp nháy long, lachất lỏng trong suốt, có khả năng hoà tan thanh the thong nhat \Ơ1 nhieudung dịch khác

13

tronê đó c° l4C c° trong mẫu phân tích được chuyển về dan benzene theo thư tự các công đoạn xử lí hoá học, đươc biểu diễn tóm tắt theo sơ đồ sau:

Mẫu phân tích — -> c o 2 — ->Li 2 c 2 —> c 2 H 2 — -> c „ H

Qua trinh ôxy hoá cac bon thực chất là quá trình chuyển các bon có trong mẫu vật cần nghiên cứu đã qua xử lý sơ bộ về dạng c o ,

2 C 0 2+ lOLi -» L i , c : + 4 L i, o

Bước 3 - Axetylen hoá

L i 2 c , + 2 H ? 0 - > C, H , + 2LÍOHBước 4 - Benzen hoá:

3C 2H 2 -> C 6Hc

Để tổng hợp được benzene với hiệu quả cao cần nắm được những trình

tự thao tác hết sức phức tạp Hệ thống thiết bị tổng hợp benzene được hoại động trong điều kiện chân không nhằm loại hết những khả năng gày tạp nhiễm 14c trong không khí

SYNTH ESIZE

Trong thực tế khi thực hiện Đề tài, quá trình tổng hợp benzene [2.4] được diễn ra trong một chu trình khép kín trên hệ thống thiết bị TASK BENZENE SYNTHESIZE do Mỹ sản xuất Các hoá chất, dung mỏi, xúc tác đều do nhà sản xuất thiết bị cung cấp đảm bảo cho hệ thống hoạt động đổng bộ với các phòng thí nghiệm trên thế giới Sơ đổ hệ thống được mỏ tả trên Hình 2.1

2.2.1 Quá trình tạo khí C 0 2

Mẫu sau khi được làm sạch bằng dung dịch axít và bazơ sấy khô sẽ được đưa vào đốt bằng bình kích nổ, thao tác theo thứ tự sau:

- Bơm hút chân không trong bình kích nổ

- Bơm oxi nguyên chất vào trong bình

- Kích điện để đốt hết mẫu trong bình, sau đó để nhiệt độ trong bình giảm đến gần nhiệt độ phòng

- N ối b ìn h kích nổ với hệ thống TASK BENZENE SYNTHESIZE.

- Dùng N ? lỏng để bẫy c o ,

-Khí C 0 2 được tạo thành trong bình kích nổ được nòi thõng với áp suãi

kê và nhờ đó ta xác định dược sô mol c o , theo đo thị chuan hen giưa a suất và sô mol Hình 2.2 Sau đó đóng van bình đựng khi c o ,

COM HUS! low A

CAUOr* ÍOAUM 1

STOP 2

< >

-KtAC'tON chamber

GAUGE 6 ( (IMflUSHON F L A S K

MAGNt ' 1C 1 U R R ( R

RĨACTIỌUI CMAMOfcK,

VAl UIIM

BENZENE SYNTHESIZER CO? /C?H? /C cH fi / VAC UNE

2.2.2 Tạo C arbide Lithium

Tren cơ sơ ap lực khí cácbonic trong 2 bình chứa, theo đồ thị về sự phụ thuộc giữa Li và áp suãt khí c o 2, lấy lượng Li dạng thanh thích hợp, cắt thanh tưng đoạn l,5-2cm cho vao bình phản ứng bằng thép Cần thao tác

n hanhđể tránh bị oxy hóa Li khi tiếp xúc với khơng khí

Thực hiện thao tác hút chân không sau đó bật lò đặt nhiệt độ 850°c đế

Li được nóng chảy hoàn toàn Mở van cho C 0 2 xuống để tác dụng với Li Khi đó trong bình bằng thép xảy ra quá trình phản ứng giữa c o , và Li tạo thành L i 2 C 2 th e o phương trình phản ứng hoá học sau:

2 C 0 2+ lOLi -> L i 2C, + 4 L i : 0

Để tăng hiệu suất tạo carbide lithium cần phải ủ lò khoảng 2 tiếng ở nhiệt độ 850°c Hút chân không bình chứa xúc tác, đưa lò ủ xúc tác lên ngập bình và đật nhiệt độ lò ở 300°c trong vòng 12 tiếng

2.2.3 Thủy phân Carbide thu Axetylen

Quá trình carbide lithium đã hoàn thành và được ủ khoảng 12 tiếng Sau đó hạ nhiệt độ lò ủ xúc tác xuống còn 100°c và hút chân không, cho nước vào bình đựng carbide lithium để tiến hành thuỷ phân L i , C : thu benzene Để tãng hiệu suất thuỷ phân nức được cho vào bình dưới dạng tia nước phun từ trên xuống Trong bình đựng carbide lithium xảy ra phán ứng thuỷ phân sau:

nước n ó n g k h o ả n g 70- 8 0 ° c vào ngâm bình xúc tác.

Khi ap suất trong bình chứa C2H2 giảm chậm thì mở hết khoá khí vào

bình để phản ứng trimer hoá tiếp tục trong khoảng thời gian từ 3 đến

3 5giờ Trong bình tổng hợp benzene được tạo thành theo phương trình sau:

3 C2H2^ CbHb.

0 DO

/ / /

/ / / /

>

ỉ

/

/ /

-Hình 2.2 Biểu đ ổ xác dinh s ố m o i c o : theo chi sô úp suai a ìa đồng hô

trên hệ thông T A S K B E N Z E N E S Y N 1 HESIZE.

17

ra khoảng 3- 3,5 giờ.

2.3 K ĩ thuật đo hoạt độ C-14

2.3.1 Tạo đẻtectơ nhấp nháy lỏng cho hệ đo Tri-carb2770TR/SL

Lượng benzene thu được được trôn với coctail đưa vào trong hộp đựng mẫu giống mẫu chuẩn, sau đó đưa mẫu lên hệ đo nhấp nháy long phung thấp siêu sạch Tri-carb2770TR/SL Lượng dung dịch ưen được đựng trong bình vial chuyên dụng làm bằng vật liệu có hoạt độ phóng xạ thấp Đo la loại vial thuỷ tinh có kích thước 7ml Hỗn hợp nhấp nháy lỏng này có tác dụng phát quang nhanh khi có tác động của bức xạ hạt nhân Qua các nghiên cứu đã được [1,3] thực hiện thì hỗn hợp chất nhấp nháy lỏng PPO + POPOP pha với tỉ lệ 6g/l PPO và 0.2g/l POPOP là đ^m bảo hiệu suất ghi tốt, khi đo có hiệu suất phát quang cao, ổn định và không bị tạp nhiễm

2.3.2 Hệ đo Tri-carb2770TR/SL

Hệ đo nhấp nháy lỏng Tri - Carb 2770 TR/SL tại Phòng thí nghiệm Xác định Niên đại- Viện Khảo cổ học Việt Nam do hãng Canberra [3,4] chế tạo Hệ đo có độ ổn định cao, phông thấp Thiết bị đã kết hợp các phương pháp giảm phông chủ động và bị động Chức năng chính của hệ đo nhấp nháy lỏng Tri - Carb 2770 TR/SL là xác định hoạt độ l4C

Cơ c h ế giảm ph ôn g chủ động

Trong hệ đo nhấp nháy lỏng Tri - Carb 2770 TR/SL detector nhâp lỏng được đặt chính giữa hai ống nhân quang điện có các đặc trưng kỹ thuật và chẽ độ làm việc như nhau Giữa detector nhấp nháy và hai ống nhân quang điện là detector chống phông bao bọc quanh detector phân tích.Các bức xạ a hoặc p phát ra từ mẫu được hoà tan trong chất nhấp nháy, tương tác với chất phát quang tạo ra các nháy sáng Do tính chất đẳng hướng của các xung sáng, cường độ nháy sáng đi vê hai ỏng nhản quang điện là như nhau Mặt khác, do hai ông nhân quang điện có đặc trưng kỹ thuật như nhau, nên biên độ ở lôi ra có độ lớn băng nhau, nói chính xác là xấp xỉ nhau Ngược lại, các xung xuất hiện ở lôi ra cua Ông nhân quang điện, liên quan tới tia vũ trụ hoặc bức xạ phát ra tư cac vạt xung quanh sẽ có biên độ khác nhau Điêu này, liên quan tơi lượng nhay

sáng đi tới hai ố n g nhân quang điện là khác nhau, chính VI vậy bien đọ

xung ở hai ống nhân có biên độ hoàn toàn khác nhau

Qua phân tích trên nhận thấy, nếu so sánh tỷ số biên độ xung ờ lói ra

của hai ống nhân điện cho phép loại bỏ được xung do phong gay ra U 1 1C

Tỷ số biên độ xung lối ra hai ống nhân quang điện liên quan tới bức xạ phát ra từ m ẫ u có g iá trị x ấ p xỉ 1, còn giá trị này đối với bức xạ phong khac

19

“ *• ỵ ĩ ỵ * " “ p " hẵ lỏng đã thiết k ế một mạch điện lú làm nhiệm vụ so

sánh biên độ xung ơ lối ra cùa 2 ống nhân quang điện Maeh dién từ nav cho các xung điện có tý số biên độ xấp xỉ 1 đi q u ,; còn loại t o các <*> xung có tỷ số Hên độ khác xa so VỚI 1 Đáy chính là nguyên tắc giam phông theo nguyên tãc chủ động được sử dụng trong hệ đo

Các biện p h áp chông phông thụ động

Biẹn phap đau tiên là chọn detector chống phông bao quanh detector phân tích, có nguyên tử số lớn, tỷ khối cao Hộ đo nhấp nháy lỏng Tri - carb 2770 TR/SL, đã chọn chất nhấp nháy là Bi4Ge30,2 (viết tắt là BGO) Chất BGO ĩí chất nhấp nhay không hút ẩm có phông phát quang yell Do

có mật độ tương đối lớn và nguyên tử số hiệu dụng cao (Z=83 /?=7,13g/cm3), BGO ngăn cản có hiệu quả tia vũ trụ tác dụng vào detector phân tích Trong [1 ] đã đưa ra kết quả thực nghiệm khảo sát tác dang của chất BGO, khi xử dụng BGO làm detector chống phông thì tý số tín hiệu trên phông đã tăng lên 1,3 lần

Phương pháp giảm phông thụ động tiếp theo là che chắn hệ Đã sử dụng khối chì che chắn bao quanh detector và ống nhân quang điện Với khối chì 1000kg đã được làm thành các khối che chắn để ngăn các tia vũ trụ và bức xạ phông từ ngoài bay vào detector Tiếp theo là lớp cadimi và lớp đồng bao bọc trong cùng để ngăn cản các bức xạ tia X

Sử dụng k ĩ thuật phân giải thời gian

Trên cơ sở đánh giá sự khác biệt nhau về thành phần xung đuôi, được kéo dài theo sau xung thực, sau một sự kiện phân rã bêta của mẫu đo và nhiễu, đã sử dụng các thuật toán thích hợp để loại bỏ phần xung nhiễu đi.Khi một mẫu được đếm, phổ của nó được phân tích theo cẩti trúc ba chiều Tức là khi phát hiện được một sự kiện trong mẫu thì tổng số các sự kiện có thể được diễn ra trong khoảng thời gian 2 ns đầu tiên của sự kiện, còn số các thành phần xung còn lại được xem như là các xung trê Các xung trễ n à y c ó th ể kéo dài tới 5 /ÌS- Bộ phận phân giải thời gian trong thiêt

bị đo nhấp nháy lỏng sẽ phân tích riêng biệt từng xung đo theo bản chất của sự kiện

Các nghiên cứu chi tiết đã cho thấy giữa xung phông và xung cua hạt bêta có một sự khác biẹt đó là: Xung của hạt bêta có độ trê tương đôi ngan chỉ cỡ 900ns như Hình 2.4 Trong khi đó ở xung phông sau thành phần chính của xung thường có một sô xung đuôi và có độ kéo dài tương đoi lơn

cỡ 5 ụ s Chính trên cơ sở của sự khác biệt này mà hệ đo đá xay dựng

phương pháp phân giải thời gian để phân biệt giữa xung cua cac sự kiẹn phông với xung của các hạt bức xạ bêta trong chât nháp nhay long tạo ra

Cụ thể là, trên giả thiết rằng các xung do các hạt bức xạ p trong chát

nhấp nháy lỏng sẽ có rất ít hoặc không có các xung đuôi cho nenỊ [2 3.4] đã loại bỏ các xung phông trên cơ sở loại bỏ các xung co so xung đuoi ơn lơnmột giá trị nào đó