Trong điều kiện kỹ thuật cho phép các phương p h á p hạt nhân còn có th ể tự động hoá được toàn bộ quy trinh phản tích.. Các phương p h á p p h á n tích hạt nhân được xây dựng trên cơ sở
Trang 1NGUYÊN VĂN Đ Ô
Trang 2NGUYỄN VĂN ĐỖ
DÁC PHinniG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Q u ố c GIA HÀ NỘI
Trang 3n h a xuất b ồ n ĐỌI HỌC Q u ố c GIR n ộ i
16 Hàng Chuối - Hai Bà Trưng - Hà Nội Điện thoại: (04) 9715012; (04) 7685236 Fax: (04) 9714899
E-mail: nxb@ vnu edu.vn
★ ★ ★
C h ịu t r á c h n h i ệ m x u ấ t b ả n :
G iá m đốc: PHÙNG QUỐC BẢO
T ổ n g biên tập: PHẠM THÀNH HƯNG
C h ịu t r á c h n h i ệ m n ộ i d u n g :
Hội đồng nghiệm thu giáo trìn h Trường ĐHKHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội
N gười n h ậ n xét: PGS TS PHẠM QUỐC HỪNG
GS TS THẦN ĐỨC T H IỆ P
CHU VĂN THẮNG
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN
Mã số: 1K-02058-01404
In 1050 cuốn, khổ4 6 x 2 4 tại Nhà in Đại học Quốc gia Hà Nội
Số xuất bản 24/981/XB-QLXB ngày 15/7/2004
Trang 4M ụ c l ụ c
T ran g
C h ư ơ n g 1 P h ư ơ n g p h á p p h â n t í c h k i c h h o ạ t h ạ t n h â n 1
1.2 Cờ sỏ vạt lý và kỹ th u ậ t của phương pháp
1.3 Các phươ ng p h á p xác định hàm lượng 7
1.4 Các bước trong quy trình phân tích kích hoạt 10
1.5 Nâng cao hiệu quả phân tích kích hoạt 17
1.6 Xây d ự n g quy tr ìn h p h â n tích kích hoạt 27
1.7 P hân tích kích hoạt gamma tức thời 38 1.8 Ưng clụng của phương pháp p h ân tích kích hoạt 47
C h ư ơ n g 2 P h â n t í c h h u ỳ n h q u a n g t i a X 49
2.5 Đo và p h â n tích phổ tia X đặc trư n g 75 2.6 Các phươ ng ph áp xác đ ịn h h à m lượng 81
3.2 Các ngu ồ n phóng xạ tự nhiên 90
iii
Trang 53.3 P h â n tích u ra n i c â n bằn g phóng xạ 92
3.4 Phàn tích urani không cản bằng phóng xạ 95 3.5 Cơ sở thực nghiệm đo phóng xạ tự nhiên 100
C h ư ơ n g 4 P h ư ơ n g p h á p p h â n t í c h
d ự a t r ê n h i ệ u ứ n g t á n x ạ n g ư ợ c R u t h e r f o r d 104 4.1 Hiệu ứ n g tá n xạ ngược R u th erfo rd 104 4.2 N hử n g k h ái niệm cơ b ản trong hiệu ứ ng t á n xạ ngược 107
4.4 ứ n g dụng 117
C h ư ơ n g 5 P h â n t í c h c a c b o n p h ó n g x ạ
s ử d ụ n g k h ố i p h ổ k ế g ia t ố c (A M S) 118
5.2 Phương p h á p xác định tuổi dựa vào đồng vị Hc 119 5.3 P h ân tích llc sử d ụ n g khôi phố k ế gia tốc (AMS) 123 5.4 Ưng d ụ n g của khôi phổ kê gia tốc 132
Trang 6Lời nói đ ầ u
S ự ra đời và p h á t triển của các phương pháp phàn tích hạt nhản gắn liền vời những th à n h tựu của vật lý uà kỹ thuật hạt nhàn hiện dại Ngày nơy các phương p h á p hạt nhản đả khang định được vị trí cao cùa m ình trung lĩn h vực p h à n tích vi chúng có những ưu điểm rât cơ bản n h ư độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phàn tích nha n h, m ẫu phàn tích khổng bị p há h ủ y và có thê tiến hành phàn tích đông thời nhiều nguyên tô Trong điều kiện kỹ thuật cho phép các phương p h á p hạt nhân còn có th ể tự động hoá được toàn bộ quy trinh phản tích Đáy
là m ột ưu điểm m à nhiều nhiều phương pháp phàn tích khác không
th ể có được.
Các phương p h á p p h á n tích hạt nhân được xây dựng trên cơ sở khai thác những hiệu ứng vật lỷ liên quan tới quá trinh biến đối trạng thái của hạt nhàn hoặc nguyên tử S ự biến đổi đó diễn ra do tương tác của các bức xạ h ạ t nhân hoặc các chùm hạt gia tốc với vật chất N hữ ng đại lượng vật lý là m cơ sở cho việc nhận diện các nguyên t ố và xác định hàm lượng n h ư cường độ và năng lượng của bức xạ hoặc khôi lượng của các đổng vị đều được đo và x ử lý bằng các thiết bị và kỹ thuật hạt nhàn hiện đại.
Hiện nay có kh á nhiều phương pháp phàn tích hạt nhàn Môi phương pháp có kh ả năng đáp ứng được những yêu cầu khác nhau Trong khuôn kho của cuốn sách này sẽ dề cập tới nám phương pháp sau đây:
Phương p h á p p h à n tích kích hoạt hạt nhản,
- Phương p h á p p h â n tích huỳnh quang tia X,
- Phương p h á p p h â n tích urani,
- Phương p h á p p h â n tích dựa trên hiệu ứng tán xạ ngược
R utherford (RBS),
- Phương p h á p p h à n tích cacbon phóng xạ sử dụng khối p h ổ k ế gia tốc (AMS).
Trang 7Ở nước ta các phưctng pháp phản tích kích hoạt, p h â n tích huỳn h quang tia X và phản tích urani đã được triển khai nghiên cứu từ giữa những năm 1970 Một sô kết quá đã sớm dược dưa vào phục vụ nghiên cứu và ứng dụng Đáy là m ột thực t ế sinh động góp phần vào việc phat triển các phương pháp phàn tích và đào tạo cán bộ trong lỉnh vực ứng dụng kỹ thuật h ạ t nhởn Các phương pháp phàn tích R B S và A M S cho đến nay tuy chưa được thực hiện ớ trong nước do thiếu thiết bị, nhưng
đó là những phương p háp p h ả n tích hiện đại và có kha nàng ứng dụng rát lớn Do đó việc trang bị những kiến thức cơ bán và cập n h ậ t về các phương pháp p h á n tích này là rất cần thiết.
Muôn xây diùìg m ột quy trìn h phàn tích phái nghiên cứu các đặc trứng hạt nhân của những đôi tượng cán quan tám và phái nắm vững những kiến thức cơ bàn về vặt lý và kỹ thuật hạt nhàn thực nghiệm Do
dó trong cuốn sách này ngoài những nội dung vật lý làm cơ sớ cho việc xây dựng phương pháp còn để cập đến những vấn đề cỏ liên quan tâỉ các giái pháp kỳ th u ậ t nhằm náng cao chất lượngcủa kết quá phán tích Cuốn sách được biên soạn dựa trên cơ sở những bài giảng của tác giá dành cho sin h viên ngành Vật lý hạt nhàn trường Đại học Khoa học T ự nhiên, Đ ại học Quốc Gia Hà N ội, sinh viên ngành Vật lý kỹ
thuật, trường Đại học Bách khoa Hà Nội và học viên cao học chuyên
ngành Vật lý h ạ t nhân của Viện Vật lỷ, Trung tâm Khoa học T ự nhiên
và Công nghệ Quốc gia.
Đê thuận tiện cho việc biên soạn, mỗi phương pháp phán tích được trinh bày trong một chương.
Sách dược viết với m ục đích đ ể giáng dạy nhưng đồng thời củng
có th ề dùng làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ nghiên cửu, rác nhà sản xuất và nhữ ng ai quan tăm tới các phương pháp và kỹ th u ậ t phàn tích hạt nhàn Tác giả m ong muốn một s ố phương pháp p h á n tích hạt nhản khác củng sẽ được b ổ su n g trong thời gian tới.
Việc biên soạn cuốn sách này chắc chắn khổng tránh khỏi những thiếu sót, vi vậy tác giả xin chán thành cám ơn và tiếp thu những ý kiến đóng góp của độc giả đ ế sửa chữa và bổ sung cho hoàn thiện hơn.
Hà nội, tháng 4 năm 2003.
T ác g iả
Trang 8C h ư ơ n g 1
P h ư ơ n g p h á p p h â n t í c h
k í c h h o ạ t h ạ t n h â n
N g u y ên lý của p h ư ớ n g p h á p p h â n tích kích hoạt h ạ t n h â n là biẾn
Cấc (lồng vị bền c ủ a n g u y ê n Lô cần p h â n tích th à n h n h ữ n g đ ồ n g vị phỏng xạ tỉìông q u a các p h á n ứ n g h ạ t n h â n T rẽ n cơ sơ đo n ã n g lượng của các tia g a m m a v à chu kỳ b á n rã củ a các dồng vị phó n g xạ nói tr ê n
có t h ể n h ậ n d iệ n được n h ữ n g n g u y ê n tố đã th a m gia p h á n ửng H àm lượng của các n g u y ê n tô đó được xác đ ịn h dựa vào cường độ c ủ a các tia
g a m m a
P h ư ơ n g p h á p p h â n tích kích h o ạ t có độ n h ạ y và độ c h ín h xác cao,
m ẫ u p h ả n tíclì k h ỏ n g bị p h á h ủ y và có th ể xác đ ịn h (lồng thòi n h iề u
ng u y ên tố
1.1 Mở d ầ u
H iộn n a y t r ê n t h ế giỏi phươ ng p h á p p h â n tích kích h o ạ t h ạ t
n h â n (lược sứ d ụ n g r ấ t plìổ biến tro n g n h iề u lĩnh vực n g h iê n cửu và Ííng dụ n g Uu d iêm c h ín h củ a phươ ng p h á p n à y là:
Có k h á n ă n g p h â n tích được h ầ u h ế t các ng u v ên tỏ h o ả học tro n g b ả n g t u ầ n ho àn với độ n h ạ y và độ c h ín h xác cao
M ầu p h â n tích k h ô n g bị p h á h u ỷ và k h ô n g bị n h iễ m b ẩ n tro n g q u á t r ì n h p h â n tích, do đó có th ể sử d ụ n g phươ ng p h á p kích h o ạ t đ ể p h â n tích cả các m ẫ u v ậ t quý h iếm m à s a u đó vẫn giũ được n g u y ê n dạng
Có k h ạ n ă n g p h â n tích dồng thời n h iề u n g u y ên tô và có tho
tự động h o á được to à n bộ q uy tr ìn h p h â n tích
P h ư ơ n g p h á p p h â n tích kích h o ạ t được xây d ự n g d ự a tr ê n sự biên đòi t r ạ n g th á i c ủ a các h ạ t n h â n ng u y ên tử gây bởi các p h ả n ứ n g h ạ t
1
Trang 9n h â n Khi m ẫ u p h â n tích được chiếu xạ (kích hoạt) các đ ồ n g vị của
từng nguyên tô ỏ trong mẫu tham gia phàn ứng h ạ t nhân và trỏ thành những dồng vị phóng xạ nhân tạo Căn cử vào loại phàn ứng
c h u k ý b á n r ã v à n ă n g l ư ợ n g c ủ a c á c b ứ c x ạ đ o đ ư ợ c đ ê n h ặ n d i ệ n c á c
đồng vị phó n g xạ và q u a đó n h ậ n d iện các n g u y ên tcV ờ tr o n g m au
Hàm lượng của nguyên tô được xác định căn cử vào cường độ phóng xạ của các tia gamma được đo bàng các đetectơ hạt nhân.
Sự p h át triển của phương pháp phân tích kích hoạt gán liền với
sự phát triển của thiết bị và kỹ th u ậ t hạt nhân thực nghiệm f)ộ nhạy phân tích phụ thuộc vào nhiều thông số vật ]ý và kỹ th u ậ t nhưng
q u a n trọ n g n h ấ t là th ỏ n g lượng của bức xạ kích h o ạt, tiế t đ iệ n của
phản ứng h ạt n h â n và hiệu suất ghi bức xạ của đetectờ Chính vì vậy
mà mặc dù phương pháp phân tích kích hoạt đã được G Hevesy và
H ] ^evi để x u ấ t từ n ă m 1936 n h ư n g p h ả i đ ế n giữa n h ữ n g n ă m 1950 khi m á y gia tốc v à lò p h ả n ứn g h ạt n h â n p h á t tr iể n m ạ n h , tạ o ra được
c á c n g u ồ n b ứ c x ạ k í c h h o ạ t t h ô n g l ư ợ n g l ớ n t h ì p h ư ơ n g p h á p p h â n
tích kích hoạt mới phát triển mạnh và khẳng định được vị trí của
m ình Với th ô n g lượng nơtron n h iệ t cỡ 1012 n /c n r/g iâ y , phần lớn các
n g u y ên tố tr o n g b á n g tu ầ n hoàn có th ể p h â n tích vỏi độ n h ạ y trong
giải hàm lượng gam/tấn (ppm) hoặc mg/tấn (ppb) Ngày nay, một số lò
p h ả n ứn g h ạ t n h â n đ ạ t tới th ô n g lượng 10i:>n/cm2/giây, do đó độ n h ạ y
phân tích kích hoạt còn có thể cải thiện thêm được vài bộc.
K ết q u ả kích h o ạ t tạo ra tro n g m ẫ u n h iề u đồng vị p h ó n g xạ Hiện
n ay được b iế t tr o n g tự n h iê n cỏ k h o ả n g 60 đồng vị p h ó n g xạ, n luíng tro n g phò n g t h í n g h iệ m có th ể tạo ra tr ê n 1900 đồng vị p h ó n g xạ
n h â n tạo Đồ p h â n tích đ ịn h tín h (n h ậ n diện n g u y ê n tô) và đ ịn h lượng (xác đ ịn h h à m lượng) cần đo ch ín h xác h o ạ t độ p h ó n g xạ c ủ a từ n g đồng vị th eo h a i cách:
- Đo r iê n g từ n g đồng vị hoặc m ộ t nh ó m đồng vị phóng xạ n h ã n
tạo sau khi chúng đã được tách ra khỏi m ẫu kích hoạt băng các phương pháp hóa học Phương pháp này gọi là phân tích
kích h o ạ t p h á m ầ u (D estru ctiv e A ctivation A n aly sis, DA A)
Đo đ ổ n g thòi t ấ t cả các đồng vị phó n g xạ có ỏ tro n g m ẫ u sau
k hi kích h oạt Phương p h á p n ay gọi là p h â n tích kích hoạt,
k h ô n g p h á m ẫ u ( N o n -d e s tru c tiv e A ctivation A nalysis, NDAA) h ay p h â n tích kích h o ạ t d ụ n g cụ ( I n s tr u m e n ta l
A ctiv atio n A nalysis, IAA)
Trang 10T h ô n g th ư ờ n g , p h ư ơ n g p h á p p h â n tích kích h o ạ t p h á m ẫ u cho độ
n h ạ y cao hơn p h ư ơ n g p h á p k h ô n g p h á m ẫ u n h ư n g q uy tr ìn h p h â n
t í c h p h í í c t ạ p , t ố n n h i ề u t h ờ i g i a n , h o ả c h ấ t v à k h ó t h ự c h i ệ n đ ố i với
các đ ồ n g vị p h ó n g xạ có c h u kỳ b á n rã ngán P h ư ơ n g p h á p k h ô n g p h á
m ẫ u th íc h hợp với q uy tr ìn h p h â n tích n h a n h , p h â n tích s ố lượng m ẫu lớn và dặc b iệ t là tr o n g trư ờ n g hợp cần phái lưu tr ữ các m ẫ u s a u khi
dã p h â n tích T uy n h iê n phươ ng p h á p này đòi hỏi th ié t bị đo p h ó n g xạ
p h ả i có c h ấ t lượng cao, kỷ t h u ậ t đo và xử lý p hổ c h ín h xác
S ự ra đời của d etectd n h ấ p n h á y N al(Tl) và m áy p h â n tích biên
đ ộ n h i ể u k ê n h d ã m ỏ r a k h á n ă n g p h â n t í c h k í c h h o ạ t k h ô n g p h á
m ầ u , xác đ ịn h đ ồ n g thời n h iề u n g u y ên tô T uy n h iên , do (ỉộ p h ả n giải
n ă n g lượng của íietectơ n h ấ p n h á y chưa cao n ên p h ạ m vi ứn g d ụ n g còn bị h ạ n chế T r o n g n h ữ n g n ă m gần đây, vói sự p h á t tr iể n của detectơ bán dẫn Ge(Li) và Ge siêu tinh khiết (HPGe) có dộ phân giải
n ă n g lượng và h iệ u s u ấ t ghi bức xạ cao, k ế t hợp vói m á y tín h đế xử lý phô g a m m a cỉà d ư a phươ ng p h á p p h ả n tích kích hoạt bước vào một giai đ o ạ n p h á t t r i ể n mới, giai đoạn ứn g d ụ n g các quy tr ìn h p h â n tích kích h o ạt k h ô n g p h á m ẫ u với độ n h ạ y , độ c h ín h xác cao và có th ê tự
đ ộ n g h o ả các q uy t r ì n h p h â n tích
Cỏ th ể nói c h o đ ế n n ay n h ử n g v ấ n đề cơ b á n vế p h ư ơ n g p h á p và
kỹ t h u ậ t p h â n tích kích h o ạ t đ ã được ng h iên cứu và giãi q u y ết Tuy
n h iê n k h ô n g th ê có m ột quy tr ìn h p h â n tích tối ưu c h u n g cho t ấ t cả các n g u y ê n tô M u ố n xây d ự n g m ột quy tr ìn h p h â n tích cho m ộ t hoặc
m ột Iìhóni n g u y ê n tô cần phài n ắ m vững m ột S(V v ấn đê về v ậ t lý và kỹ
t h u ậ t h ạ t n h ả u CƯ b ả n như:
Cơ c h ế p h ả n ứn g h ạ t n h â n và quy lu ậ t p h â n rà ph ỏ n g xạ
P h ư ơ n g p h á p , kỹ t h u ậ t đo và xử lý p hố ga m m a
C ác biện p h á p hiệu c h ỉn h n h ằ m giảm các ngu ồ n sai số
Ò nước ta p h ư ơ n g p h á p p h â n tích kích h o ạ t đã được n g h iê n cứu
và ứn g d ự n g từ n ă m 1974 tạ i Viện V ậ t lý, Viện Khoa học V iệt N am ,
n ay là T r u n g tâ m K hoa học T ự n h iê n và Công n g h ệ Quốíc gia N guồn bức xạ sử d ụ n g đê kích h o ạ t lúc dó là Iìơtron 14 MeV tạ o ra t ừ máy
p h á t n ơ tro n N A -3 C (m áy gia tốc th ẳ n g ) do H u n g a r i c h ế tạo T ro n g
n h ữ n g n ă m tiếp th e o m áy gia tốc E lectron M icrotron M T -1 7 c ủ a Viện
V ậ t lý và lò p h ả n ứ n g h ạ t n h â n Đ à L ạ t lần lượt dược đ ư a vào hoạt động, tạo ra c h ù m bức xạ h ã m có n ă n g lượng cực đại 15 M eV và
n guồn n ơ tro n th ô n g lượng lỏn đã làm phong p h ú th ê m ngu ồ n bức xạ kích h o ạ t ỏ nước ta
3