DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................ 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................................... 7 DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT......................................................................... 9 MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 11 Chƣơng 1. PHƢƠNG PHÁP VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU .......................... 14 1.1. Phƣơng pháp phân tích kích hoạt nơtron (NAA) ......................................... 14 1.1.1. Nguyên lí của NAA............................................................................... 14 1.1.2. Độ nhạy khả dĩ của phƣơng pháp NAA................................................ 16 1.1.3. Cơ sở lí thuyết cơ bản của NAA ........................................................... 17 1.1.4. Các phƣơng pháp chuẩn hóa ................................................................. 18 1.1.4.1. Phƣơng pháp tuyệt đối ................................................................... 19 1.1.4.2. Phƣơng pháp tƣơng đối .................................................................. 20 1.2. Các hệ đo cơ bản trong NAA ....................................................................... 21 1.3. Lựa chọn phƣơng pháp ghi đo...................................................................... 22 1.3.1. Vai trò của As và Se.............................................................................. 22 1.3.2. Khó khăn khi phân tích và lựa chọn phƣơng pháp ghi đo .................... 23 1.4. Phƣơng pháp trùng phùng gamma – gamma trong NAA ............................ 26 1.4.1. Lịch sử phát triển phƣơng pháp............................................................. 26 1.4.2. Nguyên lý của phƣơng pháp.................................................................. 28 1.4.3. Tình hình ứng dụng hệ trùng phùng trong NNA ở nƣớc ngoài ............ 29 1.4.4. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc.......................................................... 33 1.5. Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................ 34 Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM...................................................... 36 2.1. Hệ thống thực nghiệm .................................................................................. 36 2.1.1. Hệ trùng phùng gammagamma............................................................ 36 2.1.2. Vấn đề xác lập tham số hệ đo................................................................ 38 2.1.2.1. Xác lập hệ số khuếch đại cho khối khuếch đại phổ ....................... 40 2.1.2.2. Khối khuếch đại lọc lựa thời gian (TFA)....................................... 40 2.1.2.3. Khối gạt ngƣỡng hằng CFD ........................................................... 41 2.2. Xử lí số liệu thực nghiệm............................................................................. 42 2.2.1. Xử lí số liệu đo đơn dùng một detector................................................. 42 2.2.2. Xử lí số liệu đo trùng phùng.................................................................. 42 2.2.3. Giới hạn phát hiện của phƣơng pháp .................................................... 45 2.3. Thực nghiệm phân tích mẫu......................................................................... 46 2.3.1. Kỹ thuật chuẩn bị mẫu phân tích........................................................... 46 2.3.1.1. Đối với mẫu dạng bột..................................................................... 47 2.3.1.2. Đối với mẫu dạng dung dịch .......................................................... 47 2.3.2. Chuẩn bị mẫu thực nghiệm ................................................................... 48 2.3.2.1. Mẫu chuẩn đơn............................................................................... 48 2.3.2.2. Mẫu phân tích................................................................................. 49 2.3.3. Quy trình chiếu, đo mẫu........................................................................ 50 2.3.4. Hàm hiệu suất của các detector............................................................. 52 2.3.5. Phông tại vị trí đặt mẫu ......................................................................... 56 2.3.6. Đánh giá trùng phùng ngẫu nhiên ......................................................... 58
Trang 11
Mục lục
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU 7
DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT 9
MỞ ĐẦU 11
Chương 1 PHƯƠNG PHÁP VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 14
1.1 Phương pháp phân tích kích hoạt nơtron (NAA) 14
1.1.1 Nguyên lí của NAA 14
1.1.2 Độ nhạy khả dĩ của phương pháp NAA 16
1.1.3 Cơ sở lí thuyết cơ bản của NAA 17
1.1.4 Các phương pháp chuẩn hóa 18
1.1.4.1 Phương pháp tuyệt đối 19
1.1.4.2 Phương pháp tương đối 20
1.2 Các hệ đo cơ bản trong NAA 21
1.3 Lựa chọn phương pháp ghi đo 22
1.3.1 Vai trò của As và Se 22
1.3.2 Khó khăn khi phân tích và lựa chọn phương pháp ghi đo 23
1.4 Phương pháp trùng phùng gamma – gamma trong NAA 26
1.4.1 Lịch sử phát triển phương pháp 26
1.4.2 Nguyên lý của phương pháp 28
1.4.3 Tình hình ứng dụng hệ trùng phùng trong NNA ở nước ngoài 29
1.4.4 Tình hình nghiên cứu trong nước 33
Trang 22
1.5 Kết luận chương 1 34
Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 36
2.1 Hệ thống thực nghiệm 36
2.1.1 Hệ trùng phùng gamma-gamma 36
2.1.2 Vấn đề xác lập tham số hệ đo 38
2.1.2.1 Xác lập hệ số khuếch đại cho khối khuếch đại phổ 40
2.1.2.2 Khối khuếch đại lọc lựa thời gian (TFA) 40
2.1.2.3 Khối gạt ngưỡng hằng CFD 41
2.2 Xử lí số liệu thực nghiệm 42
2.2.1 Xử lí số liệu đo đơn dùng một detector 42
2.2.2 Xử lí số liệu đo trùng phùng 42
2.2.3 Giới hạn phát hiện của phương pháp 45
2.3 Thực nghiệm phân tích mẫu 46
2.3.1 Kỹ thuật chuẩn bị mẫu phân tích 46
2.3.1.1 Đối với mẫu dạng bột 47
2.3.1.2 Đối với mẫu dạng dung dịch 47
2.3.2 Chuẩn bị mẫu thực nghiệm 48
2.3.2.1 Mẫu chuẩn đơn 48
2.3.2.2 Mẫu phân tích 49
2.3.3 Quy trình chiếu, đo mẫu 50
2.3.4 Hàm hiệu suất của các detector 52
2.3.5 Phông tại vị trí đặt mẫu 56
2.3.6 Đánh giá trùng phùng ngẫu nhiên 58
Trang 33
2.4 Đánh giá các hiệu ứng tự che chắn nơtron 60
2.5 Kết luận chương 2 63
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64
3.1 Kết quả xác lập tham số hệ đo 64
3.2 Kết quả phân tích mẫu chuẩn đơn 67
3.2.1 Phân tích các mẫu As 67
3.2.2 Phân tích các mẫu Se 69
3.3 Kết quả đo mẫu trắng 72
3.4 Kết quả đo mẫu phân tích 73
3.4.1 Phân tích As 73
3.4.2 Phân tích Se 79
3.4.2.1 Phân tích Se trong mẫu Montana II Soil 79
3.4.2.2 Phân tích Se trong mẫu Coal Fly Ash 83
3.4.2.3 Phân tích Se trong mẫu Tuna Fish 86
3.4.3 Phân tích Fe 90
3.4.4 Phân tích Tb 91
3.4.5 Kết quả đánh giá trùng phùng ngẫu nhiên 94
3.4.6 Quy trình phân tích As và Se bằng phương pháp trùng phùng 95
3.5 Kết luận chương 3 96
KẾT LUẬN 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO 100
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 105
Trang 44
Trang 55
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô hình kích hoạt hạt nhân bia tạo ra nhân phóng xạ 14
Hình 1.2 Dạng phổ nơtron trong lò phản ứng 15
Hình 1.3 Hệ trùng phùng nhanh chậm tại Hungary [22] 31
Hình 2.1 Sơ đồ hệ phổ kế trùng phùng gamma - gamma 36
Hình 2.2 Thuật toán xử lý phổ đo trùng phùng gamma - gamma 43
Hình 2.3 Hình dạng và kích thước của hộp chứa mẫu và mẫu 50
Hình 2.4 Mô tả vị trí chiếu mẫu 51
Hình 2.5 Đường cong hiệu suất của detector 1 55
Hình 2.6 Đường cong hiệu suất của detector 2 55
Hình 2.7, Phổ phông tại vị trí đo mẫu 58
Hình 2.8 Dạng hình học tấm cho sự hấp thụ tia gamma 61
Hình 3.1 Sự phụ thuộc của tham số CFD ở hai kênh thời gian 64
Hình 3.2 Phổ thời gian đo với nguồn 60Co 66
Hình 3.3 Quan hệ giữa tốc độ đếm và khối lượng trong đo trùng phùng, 67
Hình 3.4 Quan hệ giữa tốc độ đếm và khối lượng mẫu trong đo đơn 68
Hình 3.5 Quan hệ giữa tốc độ đếm và khối lượng mẫu đo trùng phùng 70
Hình 3.6 Quan hệ giữa tốc độ đếm và khối lượng trong đo đơn 71
Hình 3.7 Phổ đo mẫu trắng 73
Hình 3.8 Phổ trùng phùng As ứng với năng lượng gate khác nhau 75
Hình 3.9 Phổ As của mẫu MO-128 trong hai chế độ đo 77
Hình 3.10 Phổ trùng phùng của mẫu MO-124h ứng với các năng lượng gate khác nhau trong vùng từ 0-1500keV 79
Hình 3.11 Phổ trùng phùng của mẫu MO-124h ứng với các năng lượng gate khác nhau trong vùng từ 50-300 keV 80
Hình 3.12, Phổ gamma của mẫu MO-124h trong hai chế độ đo 82
Hình 3.13 Phổ gate đỉnh 136,0 keV và 264,7 keV của mẫu CFb-16g 84
Hình 3.14 Phổ gate đỉnh 264,7 keV và phổ đo đơn của mẫu CFb-16g 85
Trang 66
Hình 3.15 Phổ gate trong chế độ đo trùng phùng 87
Hình 3.16 Phổ đo đơn sử dụng một detector 88
Hình 3.17 phổ gate đỉnh 192 keV của 59Fe 91
Hình 3.18 phổ gate đỉnh 298 keV của 160Tb 93
Trang 77
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Giới hạn phát hiện ước lượng của INAA trong điều kiện chiếu trên lò
phản ứng có thông lượng nơtron khoảng 1013 n/cm2/s [63] 16
Bảng 1.2 Dữ liệu hạt nhân của 76As trong NAA [12] 24
Bảng 1.3 Đồng vị và các tia gamma gây nhiễu lên As trong NAA [44] 24
Bảng 1.4 Dữ liệu hạt nhân của Se trong NAA [57] 25
Bảng 1.5 Đồng vị và các tia gamma gây nhiễu lên Se trong NAA [57] 25
Bảng 2.1 Thông số phổ nơtron tại vị trí chiếu mẫu [58] 50
Bảng 2.2 Giá trị hiệu suất tuyệt đối của detector 1 53
Bảng 2.3 Giá trị hiệu suất tuyệt đối của detector 2 54
Bảng 2.4 Các giá trị tham số hàm khớp của đường cong hiệu suất 55
Bảng 2.5 Hệ số trùng phùng tổng và hiệu suất sau hiệu chỉnh 56
Bảng 2.6, Các thành phần đóng góp của phông tại vị trí đo mẫu 57
Bảng 3.1 Tham số giao diện 65
Bảng 3.2 Tham số các khối điện tử của hệ phổ kế trùng phùng 65
Bảng 3.3 Tốc độ đếm đỉnh ứng với các mẫu chuẩn trong đo trùng phùng 67
Bảng 3.4 Tốc độ đếm đỉnh ứng với các mẫu chuẩn trong đo đơn 68
Bảng 3.5 Quan hệ tốc độ đếm và khối lượng mẫu trong đo trùng phùng 69
Bảng 3.6 Số liệu đo mẫu chuẩn đơn Se trong đo đơn 71
Bảng 3.7 Các đỉnh trong phổ đo mẫu trắng 72
Bảng 3.8 Số liệu các đỉnh trùng phùng khi gate đỉnh 657 keV 74
Bảng 3.9 Số liệu các đỉnh trùng phùng khi gate đỉnh 559 keV 74
Bảng 3.10 Số liệu các đỉnh trong đo đơn sử dụng một detector 76
Bảng 3.11 Hàm lượng As trong mẫu Mo-128 77
Bảng 3.12 Số liệu Se trong mẫu MO-124h đo trùng phùng 80
Bảng 3.13 Số liệu Se trong mẫu MO-124h đo đơn sử dụng một detector 82
Bảng 3.14 Hàm lượng Se trong mẫu Mo-124h 83
Bảng 3.15 Số liệu Se trong mẫu CFb-16g đo trùng phùng 84
Trang 88
Bảng 3.16 Số liệu Se trong mẫu CFb-16g đo đơn sử dụng một detector 85
Bảng 3.17 Hàm lƣợng Se trong mẫu CFb-16g 86
Bảng 3.18 Số liệu Se trong mẫu Tuna Fish (Fi-33h) đo trùng phùng 87
Bảng 3.19 Số liệu Se trong mẫu Tuna Fish (Fi-33h) đo đơn sử dụng một detector 88
Bảng 3.20 Hàm lƣợng Se trong mẫu Fi-33h 89
Bảng 3.21 Số liệu Fe trong các mẫu ở chế độ đo trùng phùng 90
Bảng 3.22 Số liệu Fe trong các mẫu ở chế độ đo đơn 90
Bảng 3.23 Hàm lƣợng Fe trong hai chế độ đo 91
Bảng 3.24 Số liệu Tb trong các mẫu ở chế độ đo trùng phùng 92
Bảng 3.25 Số liệu Tb trong các mẫu ở chế độ đo đơn 92
Bảng 3.26 Hàm lƣợng Tb trong hai chế độ đo 93
Bảng 3.27 Kết quả đánh giá trùng phùng ngẫu nhiên 94
Trang 99
DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Analysis
Phân tích kích hoạt nơtron
INAA Instrumental Neutron
Phân tích kích hoạt gamma tức thời
DGNAA delayed gamma-ray
neutron activation analysis
Phân tích kích hoạt gamma trễ
RNAA Radiochemical neutron
Activation Analysis
Phân tích kích hoạt nơtron có xử
lý hóa phóng xạ AAS Atomic absorption
spectroscopy
Phổ hấp thụ nguyên tử
ICP-MS Inductively Coupled
Plasma Mass Spectrometry
Phổ khối plasma cảm ứng
FWHM Full Width at Half
Maximum
Độ rộng tại một nửa chiều cao đỉnh phổ
Trang 10Module
Chuẩn NIM
Pre Amp Pre - Amplifier Tiền khuếch đại
Trang 1111
MỞ ĐẦU
Phân tích kích hoạt nơtron là kỹ thuật phân tích hạt nhân tiên tiến có độ nhạy cao, có khả năng phân tích định tính và định lượng nhanh, cho phép phân tích đa nguyên tố đồng thời trong một mẫu Vì vậy, kỹ thuật này đã được phát triển và ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như địa chất, sinh học, môi trường, công nghiệp khai thác,… đặc biệt được ứng dụng trong việc phân tích, kiểm tra, đánh giá các vật liệu siêu sạch, các vật liệu chế tạo linh kiện bán dẫn chất lượng cao, đánh giá các hiện vật quý hiếm trong các bảo tàng, phân tích ở hiện trường trong điều kiện tự nhiên và lịch sử vốn có của nó Các hiện vật sau khi phân tích vẫn giữ nguyên được mọi giá trị ban đầu, không bị phá hủy hoặc bị biến dạng Đối với các mẫu lớn, mẫu chạy liên tục trên băng truyền thì phương pháp phân tích kích hoạt nơtron tức thời vẫn là lựa chọn số một Ngày nay, kỹ thuật NAA có khả năng xác định được khoảng 74 nguyên tố với cấp hàm lượng cỡ ng/g tuỳ thuộc vào từng nguyên tố[1, 2, 5]
Có một thực tế xảy ra trong việc phân tích kích hoạt là một số nguyên tố phát ra những bức xạ gamma đặc trưng ở vùng năng lượng 100 800 keV và lại bị nhiễu ảnh hưởng từ nguyên tố khác hoặc do nền phông tán xạ Compton lớn nên độ chính xác của phép phân tích không cao Trong số các nguyên tố này thì As và Se
là dễ bị gây nhiễu nhất khi đo với các hệ đo gamma một detector Vì vậy, đã có những thử nghiệm sử dụng phương pháp trùng phùng gamma – gamma để phân tích các nguyên tố này Phương pháp trùng phùng gamma-gamma với việc lưu trữ
và xử lý số liệu trên máy tính được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu số liệu
và cấu trúc hạt nhân từ năm 1980 Phương pháp này cho phép làm tốt độ phân giải năng lượng lên lần và cải thiện tỉ số diện tích đỉnh/phông nhiều lần[5] Do sử dụng kỹ thuật trùng phùng để lọc lựa lấy các chuyển dời nối tầng của đồng vị cần được đo, các chuyển dời gây nhiễu của các đồng vị khác sẽ bị loại bỏ và không ảnh hưởng tới kết quả phân tích Các kết quả công bố cho thấy có thể nâng cao được độ
Trang 1212
chính xác của phương pháp phân tích kích hoạt nơtron dụng cụ đối với một số nguyên tố lên từ 1 đến 2 bậc so với trước đây[5] Hiện nay, việc ứng dụng phương pháp này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện ở một số nước như Hungari, Mỹ, Nhật [21-23, 27-29, 32, 51, 54, 59]
Tại Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, hệ phổ kế trùng phùng gamma ghi số liệu dưới dạng “sự kiện-sự kiện” đã được lắp đặt và sử dụng nghiên cứu phân rã gamma nối tầng Các tham số và đặc trưng của hệ đã được công bố trong một số tài liệu và công bố quốc tế[9, 39]
gamma-Để đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp trùng phùng gamma-gamma trong phân tích kích hoạt, mẫu Montana II Soil, mẫu Coal Fly Ash và mẫu Tuna Fish đã được thử nghiệm phân tích trên hệ phổ kế trùng phùng nói trên Mục tiêu đặt ra đã được cụ thể hóa bằng việc khảo sát tham số hệ đo cho bài toán phân tích kích hoạt; đánh giá khả năng loại bỏ nhiễu của các đồng vị ảnh hưởng lên đối tượng cần quan tâm; đánh giá khả năng cải thiện giới hạn đo (độ nhạy) cũng như nâng cao tỉ số đỉnh trên phông trong cùng một cấu hình hệ đo giữa hai chế độ đo là phép đo trùng phùng gamma-gamma và phép đo đơn sử dụng một detector
Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma và sử dụng hệ này để phân tích nguyên tố Asen và Selen trong mẫu Địa chất Montana II Soil, mẫu Môi trường Coal Fly Ash và mẫu Sinh học Tuna fish
Từ các đánh giá trên, đề tài "Nghiên cứu phát triển kỹ thuật trùng phùng gamma – gamma ghi sự kiện-sự kiện ứng dụng trong phân tích kích hoạt nơtron" được lựa chọn với các mục tiêu cụ thể như sau:
1 Về phương pháp:
- Khảo sát và lựa chọn tham số hệ đo cho bài toán phân tích kích hoạt;
- Đánh giá khả năng loại bỏ nhiễu của các đồng vị nhiễu ảnh hưởng lên đối tượng cần quan tâm; đánh giá khả năng cải thiện giới hạn đo (độ nhạy)
Trang 1313
cũng như nâng cao tỉ số đỉnh trên phông trong cùng một cấu hình hệ đo giữa hai chế độ đo là phép đo trùng phùng gamma-gamma và phép đo đơn sử dụng một detector
2 Về ứng dụng phương pháp:
- Phân tích nguyên tố Asen và Selen trong mẫu Địa chất, mẫu Môi trường
và mẫu Sinh học thông qua đo các đồng vị 76As và 75Se Đây là các nguyên tố khó phân tích vì các đỉnh đặc trưng thường dùng để phân tích
bị các chuyển dời gamma của các đồng vị các nguyên tố khác trong chất nền che phủ Hơn nữa, các đỉnh này nằm trên nền phông tán xạ Compton cao dẫn đến độ tin cậy của kết quả đo giảm đi
Các kết quả chính của luận án như sau:
1 Phương pháp chọn các tham số cho hệ đo và các biện giải, đánh giá lại phương pháp Kèm theo là bộ các tham số cho hệ đo ứng dụng trong phân tích kích hoạt
2 Kết quả phân tích As trong mẫu địa chất và Se trong mẫu địa chất, môi trường và mẫu sinh học Kết quả cho thấy tỉ số đỉnh trên phông và giới hạn phát hiện đã được cải thiện đáng kể
Cấu trúc luận án được chia thành 3 chương chính như sau:
Chương 1 Phương pháp và đối tượng nghiên cứu
Chương 2 Phương pháp thực nghiệm
Chương 3 Kết quả và thảo luận
Các công bố khoa học, kết luận luận án và giới hạn áp dụng của kỹ thuật phân tích bằng phương pháp trùng phùng gamma-gamma
Trang 1414
Chương 1 PHƯƠNGPHÁP VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
1.1 Phương pháp phân tích kích hoạt nơtron
1.1.1 Nguyên lí của phương pháp
Quá trình phản ứng hạt nhân được sử dụng trong NAA là quá trình bắt nơtron được minh họa trong Hình 1.1 Khi một nơtron bị hạt nhân bia bắt, một hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích được tạo ra Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân và phần năng lượng tương đối của nơtron tới
Hình 1.1 Mô hình kích hoạt hạt nhân bia tạo ra nhân phóng xạ
Các hạt nhân hợp phần có xu hướng trở về trạng thái cân bằng hơn theo cách phân rã phóng xạ và phát ra các tia gamma tức thời Tuy nhiên, trong một số trường hợp thì hạt nhân cân bằng mới này lại là một hạt nhân phóng xạ và phân rã bằng cách phát ra hạt bêta rồi phát ra các tia gamma trễ đặc trưng, nhưng trễ hơn nhiều so với quá trình phát tia gamma tức thời Tùy vào từng loại bia mẫu phóng
xạ riêng mà chu kỳ bán rã có thể thay đổi từ cỡ giây cho đến hàng tỷ năm
Do đó, khi xem xét đến khía cạnh thời gian đo, phương pháp NAA được chia thành hai loại sau:
NAA gamma tức thời (PGNAA), ở trong loại phân tích này các phép đo được thực hiện ngay trong khi chiếu
Trang 15Các lò phản ứng khác nhau và những vị trí khác nhau trong một lò phản ứng sẽ có
sự khác nhau trong phân bố năng lượng và thông lượng nơtron Sự phân bố năng lượng nơtron trong lò phản ứng trải rộng từ khoảng meV cho đến cỡ MeV và thông thường được chia làm ba loại là nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt và nơtron nhanh như Hình 1.2
Hình 1.2 Dạng phổ nơtron trong lò phản ứng Phản ứng hạt nhân được sử dụng để phân tích kích hoạt với các mẫu được quan tâm là phản ứng bắt bức xạ với nơtron nhiệt
Trang 1616
1.1.2 Độ nhạy khả dĩ của phương pháp NAA
Trong phân tích bằng phương pháp NNA, độ nhạy quyết định tính chính xác trong việc xác định hàm lượng của các nguyên tố trong mẫu vật Độ nhạy của NAA phụ thuộc vào các thông số chiếu như thông lượng nơtron, thời gian chiếu và thời gian rã; các điều kiện đo như thời gian, hiệu suất ghi của hệ; các thông số hạt nhân của nguyên tố được đo như độ phổ biến đồng vị, tiết diện bắt nơtron, chu kỳ bán rã, xác suất phát tia gamma, Độ chính xác của một phép đo bằng hệ phổ kế đơn tinh thể của NAA luôn thay đổi trong khoảng 1 đến 10% của giá trị được báo cáo[63] Bảng 1.1cho thấy giới hạn phát hiện ước lượng gần đúng của việc xác định một số nguyên tố bằng phương pháp phân tích kích hoạt nơtron dụng cụ (INAA) trong điều kiện không có sự chồng chập các đỉnh trong phổ phân tích Bảng 1.1 Giới hạn phát hiện ước lượng của INAA trong điều kiện chiếu trên lò
phản ứng có thông lượng nơtron khoảng 1013 n/cm2/s[63]
10 –100 Au, Ho, Ir, Re, Sm, W
102 – 103 Ag, Ar, As, Br, Cl, Co, Cs, Cu, Er, Ga, Hf, I, La, Sb,
Sc, Se, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, Yb
103 – 104 Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Kr, Gd, Ge, Mo, Na, Nd, Ni,
Os, Pd, Rb, Rh, Ru, Sr, Te, Zn, Zr
104 – 105 Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si, Sn, Ti, Tl, Xe, Y
105 – 106 F, Fe, Nb, Ne
Trang 1717
1.1.3 Cơ sở lí thuyết cơ bản của NAA
Cơ sở của NAA là ghi đo các bức xạ sau khi phản ứng của các nơtron với
hạt nhân xảy ra Trong phương pháp NAA, hệ đo bức xạ gamma thường được sử
dụng nhiều nhất Khi một hạt nhân X hấp thụ một nơtron, sản phẩm tạo ra là một
hạt nhân phóng xạ với cùng số nguyên tử Z nhưng có khối lượng nguyên tử A tăng
lên một đơn vị và phát tia gamma đặc trưng, quá trình này tạo ra hạt nhân đồng vị
Mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng R và số đếm ghi được (Np) của đỉnh
gamma quan tâm mô tả như sau[17]:
//
SDCw R
Trong đó:
Np là số đếm của đỉnh năng lượng toàn phần;
tc là thời gian đo;
S là hệ số bảo hòa và bằng – với ti là thời gian chiếu, là hằng số
là độ phổ biến hay độ giàu đồng vị (%);
γ là xác suất phát của tia gamma;
Trang 1818
plà hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng toàn phần (%);
M là khối lượng nguyên tử (g/mol)
Ngoài ra, tốc độ phản ứng R theo quy ước Hogdhl [64] được định nghĩa như
Gth là hệ số hiệu chỉnh tự che chắn nơtron nhiệt;
thlà thông lượng nơtron nhiệt;
0là tiết diện nơtron tại vận tốc 2200 m/s;
Ge là hệ số hiệu chỉnh tự che chắn nơtron trên nhiệt;
elà thông lượng nơtron trên nhiệt;
0
I là tiết diện tích phân cộng hưởng của phân bố thông lượng nơtron trên nhiệt
không tuân theo quy luật 1/E
1.1.4 Các phương pháp chuẩn hóa
Trong thực tế, khối lượng nguyên tố được xác định dựa vào các phương pháp
chuẩn hóa như: Phương pháp tuyệt đối, phương pháp tương đối, phương pháp
chuẩn đơn và phương pháp chuẩn hóa k0 Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng
Trang 1919
phương pháp chuẩn tương đối để tính hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích
Do đó, phương pháp chuẩn tuyệt đối và tương đối là hai vấn đề được tìm hiểu trong luận án
1.1.4.1 Phương pháp tuyệt đối
Áp dụng phương trình (1.5) cho một lá dò thông lượng (kí hiệu m) được kích hoạt trong lò phản ứng, ta có:
Trang 20E : năng lượng cộng hưởng hiệu dụng (eV);
là độ lệch phân bố phổ nơtron trên nhiệt khỏi quy luật 1/E, gần đúng ở dạng
1/E1+
Khi áp dụng phương trình (1.8) để tính hàm lượng các nguyên tố trong một
mẫu cho trước thì hệ số f và α phải không thay đổi trong quá trình chiếu xạ
Phương pháp chuẩn tuyệt đối về mặt thực nghiệm rất đơn giản, chỉ cần biết
chính xác các thông số A, θ, γ và 0 của nguyên tố phân tích và lá dò
Về nguyên tắc các số liệu hạt nhân này có thể tra cứu trong các tài liệu, thư
viện số liệu [12] Tuy nhiên, chúng có độ chính xác khác nhau và như vậy sẽ dẫn
đến sai số trong phép phân tích
1.1.4.2 Phương pháp tương đối
Trong phương pháp chuẩn tương đối, mẫu cần phân tích được chiếu cùng với
mẫu chuẩn chứa một lượng nguyên tố đã biết của nguyên tố quan tâm Mẫu chuẩn
được đo cùng điều kiện với mẫu phân tích Tỉ số giữa diện tích đỉnh của nguyên tố
quan tâm trong mẫu phân tích và diện tích đỉnh của nguyên tố quan tâm trong mẫu
chuẩn được dùng để tính hàm lượng Vì cùng điều kiện chiếu và đo, nên trong
phương pháp này, các tham số về điều kiện chiếu, đo, cũng như các tham số hạt
nhân như: tiết diện, độ phổ biến đồng vị,… được lược bỏ, do đó đóng góp của
những sai số của các đại lượng này không còn ảnh hưởng đến kết quả phân tích
Trang 2121
Áp dụng công thức (1.5) cho cả hai trường hợp mẫu chuẩn và mẫu phân tích, sau đó thiết lập tỉ số của hai phương trình, ta được công thức tính hàm lượng bằng phương pháp tương đối như sau:
//
W là khối lượng mẫu phân tích (g);
w là khối lượng nguyên tố quan tâm trong mẫu chuẩn = hàm lượng khối lượng mẫu chuẩn (g) Kí hiệu a chỉ mẫu phân tích và s chỉ mẫu chuẩn
Trong phương pháp này, một số điều kiện cần phải lưu ý là mẫu phân tích và mẫu chuẩn phải được hiệu chính hiệu ứng tự che chắn nơtron trong khi chiếu và hiệu ứng suy giảm gamma trong mẫu Đồng thời, việc thiết lập cấu hình đo của mẫu phân tích và mẫu chuẩn phải đồng nhất
Nhược điểm chính của phương pháp tương đối là không phù hợp cho phân tích đa nguyên tố vì không phải dễ dàng để tìm ra các loại mẫu chuẩn đáp ứng dải rộng cho các nguyên tố như các đối tượng trong mẫu phân tích, và càng khó khăn hơn khi phải chuẩn bị một loạt các mẫu chuẩn có dải hàm lượng tương ứng
1.2 Các hệ đo cơ bản trong NAA
Có thể kể một số hệ đo được sử dụngnhiều nhất trong phân tích kích hoạt như sau:
- Hệ phổ kế truyền thống sử dụng một detector HpGe
- Hệ phổ kế triệt Compton (có các detector nhấp nháy bao quanh detector HpGe, detector HpGe làm detector phân tích)
- Hệ phổ kế trùng phùng (gồm hai detector HpGe có mọi thông số cỡ tương đương nhau),
Trang 2222
Với loại hệ phổ kế truyền thống sử dụng một detector, việc sử dụng detector HpGe có độ phân giải cao tuy đã nâng được độ phân giải, tách các chuyển dời đặc trưng của các đồng vị khác nhau nhưng vẫn còn hai điểm chưa thể khắc phục được Thứ nhất là nền phông Compton cao ở phía năng lượng thấp của phổ gamma (tỷ số diện tích đỉnh trên phông thấp) làm giảm độ chính xác của phép phân tích phổ; thứ hai là nếu có các đồng vị phát bức xạ gamma có năng lượng sát với năng lượng của chuyển dời gamma đặc trưng của đồng vị được quan tâm mà hệ đo không phân tách được thì kết quả đo sẽ bị sai
Việc sử dụng hệ phổ kế triệt Compton cho phép giảm nền phông Compton
và như vậy đã nâng cao được tỷ số diện tích đỉnh trên phông và làm kết quả đo hàm lượng có độ chính xác cao hơn Tuy nhiên, hệ phổ kế triệt Compton không loại bỏ được điểm yếu thứ hai đối với phổ kế một detector – loại bỏ sự chồng chập
về năng lượng của các bức xạ phát ra từ mẫu phân tích
Hệ phổ kế trùng phùng sử dụng hai detector bán dẫn thì cho phép loại bỏ cả hai vấn đề gây sai lệch kết quả phân tích nói trên: Việc sử dụng các xung Gate (từ
bộ code dữ liệu đo) thích hợp, thỏa mãn những điều kiện do người phân tích đặt ra cho phép loại phông Compton khỏi phổ thu được Việc lấy ra chỉ code tương ứng chuyển dời nối tầng của đồng vị cần được phân tích (lựa chọn theo điều kiện năng lượng và thời gian) cho phép loại trừ được ảnh hưởng gây nhiễu của các đồng vị khác lên các đối tượng cần đo Điểm yếu của phương pháp trùng phùng gamma – gamma là hiệu suất ghi thấp, quá trình setup hệ đo đòi hỏi kỹ lưỡng, chi tiết
Ngày nay, kỹ thuật trùng phùng và triệt compton hay được sử dụng trong NAA Ưu điểm chính của hai hệ đo này là tỉ số diện tích đỉnh quang điện trên diện tích nền phông cao làm tăng độ chính xác cả về mặt định tính và định lượng khi xác định các đỉnh quang điện
1.3 Lựa chọn phương pháp ghi đo
1.3.1 Vai trò của As và Se
As và Se lànguyên tố hóa học gây độc Trong tự nhiên, As thường tồn tại dưới dạng hợp chất và hợp chất của nó thường được sử dụng trongthuốc trừ
Trang 2323
cỏ,thuốc trừ sâu Ngoài ra, As được sử dụng làm nguyên liệu trong nhiều ngành công nghiệp như: hóa chất, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, giấy, dệt nhuộm Ngoài ra, hiện nay As và Se còn được dùng làm chất bảo quản thuốc đông y một cách bất hợp pháp Se là nguyên tố kim loại độc, nhưng nó là nguyên tố vi lượng cần thiết cho sự phát triển của con người Nếu thiếu hụt Se trong chế độ ăn lâu dài
sẽ có nguy cơ gây ra bệnh, nhưng nếu cơ thể hấp thụ quá nhiều Se sẽ gây ra nhiễm độc ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người [20] Vì những lẽ đó, cần
kiểm soát hàm lượng Se trong lương thực, thực phẩm
Trong thực vật, hàm lượng Se khoảng 0,1 đến 0,5 ppm, còn đối với động vật sống nếu hàm lượng Se lớn hơn 5 ppm thì có thể gây nhiễm độc Amanda J Fessler[25] nghiên cứu về nhiễm độc Se ở cừu cho thấy hàm lượng Se trong thức
ăn lớn hơn 3 ppm sẽ làm cừu bị nhiễm độc, nhưng nếu nhỏ hơn 0,02 ppm thì cừu
sẽ bị bệnh Đối với môi trường tự nhiên, hàm lượng Se trong nước thường không lớn hơn 10 mg/lít
1.3.2 Khó khăn khi phân tích và lựa chọn phương pháp ghi đo
Khi đo hàm lượng As trong các mẫu địa chất, mẫu sinh học và mẫu môi trường bằng phương pháp NAA, nền phông nhiễu từ các đồng vị như sống ngắn có trong mẫu như Na, K, P, Mn, … làm cho độ nhạy As bị giảm xuống [44, 60] Trong NAA, đồng vị 76As (T1/2 = 26,4 giờ) được sử dụng, các tia gamma của 76As trình bày trong Bảng 1.2 và tia gamma với năng lượng 559,1 keV được quan tâm
vì cường độ phát lớn, nhưng dẫn đến việc chồng chập đỉnh trong xử lý phổ do xuất hiện các đỉnh 564,1 keV của 122
Sb (T1/2 = 67,2 giờ) và đỉnh 554,3 keV của 82Br (T1/2 = 35,3 giờ), thông tin các đồng vị này được chỉ ra trong Cường độ phát là %
hay theo 10-4 ?
Bảng 1.3 Vì các đỉnh này gần với đỉnh 559,1 keV của 76As nên gây khó khăn cho việc xác định As trong mẫu, làm ảnh hưởng đến kết quả khi phân tích định lượng các nguyên tố trong mẫu
Trang 24σth(barn)
Đồng vị T1/2 Năng lượng
(cường độ phát) 75
As(100) 4,5 76As 26,2h 559,1(45)
563,2(1,2) 657,1(6,2) 1212,9(1,4) 1216,1(3,4) 1228,5(1,22) Cường độ phát là % hay theo 10-4
?
Bảng 1.3 Đồng vị và các tia gamma gây nhiễu lên As trong NAA [44]
Đồng vị quan tâm Đồng vị gây nhiễu Đồng vị
(T1/2)
Tia gamma (cường độ phát)
Tia gamma (cường độ phát)
Đồng vị (T1/2)
σth(barn)
75
As (26,2h)
559,1(45) 563,2(1,2) 657,1(6,2) 1212,9(1,4) 1216,1(3,4) 1228,5(1,22)
564,1 (70,5) 554,3 (70,6)
122
Sb (67,2 h) 82
Br (35,3 h)
6
3
Trong tự nhiên, Se có 6 đồng vị bền, các đồng vị này có thể tạo ra 8 đồng vị
bị kích thích và phát gamma khi kích hoạt nơtron [57] Bảng 1.4 trình bày dữ liệu hạt nhân của hai đồng vị bền thường được dùng trong NAA và sản phẩm kích hoạt của chúng, 75Se là đồng vị thường được dùng trong nghiên cứu Khi giải kích thích
sẽ phát các tia gamma có năng lượng 121,1 keV; 136,0 keV; 264,7 keV; 279,5 keV
Trang 2525
và 400,7 keV Trong mẫu Địa chất, mẫu Sinh học hay mẫu Môi trường, đỉnh 121,1 keV của 75Se bị ảnh hưởng bởi đỉnh 121,8 keV của 152Eu; đỉnh 136,0 keV bị ảnh hưởng bởi đỉnh 136,3 keV của 181
Hf; đỉnh 264,7 keV bị ảnh hưởng bởi đỉnh 264,1 keV của 182Ta; và đỉnh 279,5 keV bị ảnh hưởng bởi đỉnh 279,1 keV của 203
Hg Chỉ
có đỉnh 400,7 keV không bị ảnh hưởng bởi các đồng vị nhiễu có trong mẫu Do các mẫu địa chất, mẫu môi trường có thành phần mẫu phức tạp nên nền phông khá cao Như vậy, việc phân tích Se trong các mẫu này bằng phương pháp đo dùng một detector sẽ không thể tách được các đỉnh cần thiết khỏi nền nhiễu Vì vậy, kỹ thuật tách hóa được sử dụng để loại bỏ các đồng vị ảnh hưởng đến các đỉnh năng lượng gamma của 75Se Việc tách hóa có thể làm giảm năng suất phân tích, dễ gây nhiễm bẩn mẫu và tốn kém Để giải quyết vấn đề này, đồng vị sống ngắn 77mSe có chu kỳ bán rã 17,4 giây được sử dụng để phân tích Khi sử dụng đồng vị này đòi hỏi phải
có các hệ phân tích nhanh hoặc phân tích kích hoạt nơtron lặp vòng [18, 32, 34, 42,
59, 61, 62] Đây là những thiết bị tương đối đắt tiền, gắn liền với lò phản ứng và không phải cơ sở nào cũng được trang bị
Bảng 1.4 Dữ liệu hạt nhân của Se trong NAA [57]
Đồng vị (% độ phổ biến)
σth(barn)
Đồng
vị
T1/2 Năng lượng
(cường độ phát) 74
Se (0,87) 51,8 1,2 75Se 119,8 d 121,1 (17,1)
136,0 (58,7) 264,7 (58,5) 279,5 (24,8) 400,7 (11,4) 76
Se (9,02) 21 1 77mSe 17,4 s 161,9 (52,5) Bảng 1.5 Đồng vị và các tia gamma gây nhiễu lên Se trong NAA [57]
Đồng vị quan tâm Đồng vị gây nhiễu
Đồng vị Tia gamma Tia gamma Đồng vị σth
Trang 2626
(T1/2) (cường độ
phát)
(cường độ phát)
121,8 (28,4) 136,3 (5,8) 264,1 (3,6) 279,1 (33,5)
152
Eu (13,54 y) 181
Hf (42,4 d) 182
Ta (114,4 d) 203
Hg (46,6 d)
5900 200 12,6 0,7
8200 100 4,9 0,1 77m
Từ các dữ liệu trên, chúng ta thấy rằng các chuyển dời gamma để phân tích
As và Se đều nằm ở vùng năng lượng thấp hơn 1000 keV (nền phông Compton ở đây cao) và đều bị chồng chập với các chuyển dời gamma của các đồng vị khác
Để giải quyết hai khó khăn này, rõ ràng là sử dụng hệ đo trùng phùng gamma với hai detector bán dẫn HpGe sẽ có rất nhiều lợi thế
gamma-1.4 Phương pháp trùng phùng gamma – gamma trong NAA
1.4.1 Lịch sử phát triển phương pháp
Phép đo trùng phùng được thực hiện từ những năm 1920, sử dụng ống đếm Geiger-Muller để phát hiện electron tán xạ trùng phùng với tia X khi nguyên tử bị ion hóa [33] Sau đó, giai đoạn 1940 1950, phương pháp trùng phùng gamma - gamma đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu, xác định các sơ đồ phân rã của hạt nhân phóng xạ Sau này, công nghệ sản xuất detector đã được phát triển, các detector nhấp nháy và detector bán dẫn được sử dụng trong các phép đo trùng phùng
Năm 1958, Hoogenboom [30, 31] đề xuất và thử nghiệm xây dựng hệ đo dựa trên các detector nhấp nháy và nghiên cứu, đo đạc trên các nguồn60Co, 22Na và các phản ứng 24Mg(p, 2 )25Al và 29Si(p, 2 )30P Kết quả cho thấy sự hiệu quả của
Trang 27La
Năm 1978, Masumoto và Suzuki [41] kích hoạt một số mẫu bằng phản ứng quang (kích thích bằng bức xạ gamma) và quan sát các photon hủy cặp sinh ra sau phân rã β+ Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã sử dụngdetector Ge(Li) với độ phân giải 6 keV tại 1332 keV của 60Co và một detector NaI(Tl) kích thước 5cm x 5cm có độ phân giải 70 keV đối với photon hủy tại 511 keV để nghiên cứu trên các mẫu địa chất Kết quả là Na, Sc, Co, Ni, As,Rb đã được phát hiện, và hàm lượng của Ni trong các mẫu địa khác cũng được phân tích Giới hạn phát hiện các nguyên tố trong các mẫu này từ 2 100 μg
Năm 1987, Meyer [43]dùng hai detector HPGe cho hệ phổ kế trùng phùng
γ-γ, đồng thời cũng dùng một detector HPGe đồng trục và một detector HPGe dạng phẳng để đo trùng phùng X-γ Kết quả cho thấy, hệ trùng phùng X-γ xác định chính xác hàm lượng của thiếc trong đá và xác định hàm lượng Ir trong các mẫu khác, giới hạn phát hiện khoảng 0,5 μg/kg
Nhiều công trình trong giai đoạn nàycũng được thực hiện bằng phương pháp
đo trùng phùng gamma - gamma, đặc biệt vào năm 1998, Jakubek [36] mô tả việc thiết lập hệ trùng phùng của họ gồm hai detector HPGe, hiệu suất tương đối của mỗi detector khoảng 20% Một hệ thống được tích hợp bởi nhiều bộ chuyển đổi tương tự thành số để có khả năng tạo ra dữ liệu dạng mảng, trong đó các sự kiện này được ghi nhận cùng với thời gian xuất hiện mỗi sự kiện đó Hệ thống này cho phép linh động thay đổi nhiều tham số khác nhau, như năng lượng gate, thời gian
Trang 28so với 2 detector còn lại Kết quả nghiên cứu đã xác định được
sơ đồ phân rã của 168
Yb với trên 46 mức năng lượng và 120 chuyển dời gamma Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu
số đã cho phép tích hợp các khối điện tử vào trong vi mạch và điều khiển từ chương trình máy tính nên hệ đo tương đối đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả cao
Sự thành công của phương pháp được thể hiện qua việc đa dạng trong phân tích, ngày nay phương pháp trùng phùng không chỉ ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu,
đo đạc số liệu cấu trúc hạt nhân mà còn ứng dụng trong các lĩnh vực khác như phân tích kích hoạt xác định nguyên tố vết, đo tương quan góc, ; đồng thời với tính ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực, phương pháp trùng phùng được nhiều nước nghiên cứu, triển khai như Mỹ, Nhật, Cộng hòa Séc, Hungary, trong đó
có Việt Nam [21-23, 38, 39, 54, 55]
1.4.2 Nguyên lý của phương pháp
Phương pháp trùng phùng gamma -gamma là một trong những phương pháp
đo kinh điển của vật lý hạt nhân Hệ chỉ thu nhận thông tin từ hai detector khi thời điểm xuất hiện của hai xung của hai detector nằm trong khoảng thời gian định trước của hệ đo - được gọi là cửa sổ thời gian của hệ trùng phùng Ngày nay, nhờ
sự phát triển của công nghệ máy tính, số liệu đo được lưu trữ dưới dạng các mã tương ứng với năng lượng của các cặp chuyển dời gamma nối tầng Các detector bán dẫn HPGe biến đổi tuyến tính năng lượng bức xạ gamma thành biên độ tín hiệu đo, tổng năng lượng E1 và E2 của hai dịch chuyển gamma liên tiếp E1+E2=Ei-
Ef được xác định chỉ bởi các năng lượng Ei của mức năng lượng ban đầu (i) và
Trang 29sự kiện trùng phùng gamma – gamma với chỉ những trường hợp mà tổng năng lượng của dịch chuyển nối tầng bị hấp thụ hoàn toàn trong hai detector Mặc dù cường độ dịch chuyển của những bức xạ trùng phùng như vậy là nhỏ, nhưng nhờ khả năng loại trừ phông tốt, đã đảm bảo cho phương pháp nghiên cứu phản ứng (n,2 ) thu được nhiều thông tin hơn phương pháp nghiên cứu phản ứng (n, ) Trong phổ tổng còn xuất hiện những đỉnh liên quan đến quá trình thoát đơn và thoát đôi, do bức xạ gamma tương tác với detector theo hiệu ứng tạo cặp Các đỉnh này sẽ được loại bỏ trong quá trình xử lý số liệu
1.4.3 Tình hình ứng dụng hệ trùng phùng trong NNA ở nước ngoài
Năm 1980, Lawrence E Wangen và các cộng sự [59] xác định hàm lượng
Se trong các mẫu chuẩn môi trường bằng phương pháp trùng phùng gamma sử dụng các detector Ge(Li) có hiệu suất tương đối là 15%, độ phân giải năng lượng là 2 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co, độ phân giải thời gian của hệ đo 15ns Kết quả cho thấy có sự cải thiện giới hạn phát hiện và tăng tỉ số đỉnh trên phông so với phương pháp đo đơn sử dụng một detector; đồng thời đã loại bỏ khá tốt các đồng vị nhiễu ảnh lên các đỉnh của đồng vị quan tâm trong mẫu
gamma-Năm 2002, trong công trình của Oshima và các cộng sự [51] đã phân tích khả năng của phương pháp phân tích kích hoạt nơtron cho thấy có 49 nguyên tố có khả năng phân tích bằng phương pháp đo trùng phùng gamma trễ Có 23 nguyên tố không phát gamma trễ nối tầng, chỉ phù hợp với phân tích theo phương pháp NAA
Trang 3030
thông thường và có 12 nguyên tố sau không phát gamma trễ nối tầng hoặc thời gian bán rã quá ngắn không phù hợp với phân tích NAA thông thường, để phân tích các nguyên tố kiểu này cần sử dụng phương pháp đo gamma tức thời
Năm 2002, Hatsukawa và các cộng sự [29]đã sử dụng hệ đo trùng phùng với
12 detector Ge có hiệu suất tương đối từ 40 đến 70%, và độ phân giải năng lượng trong khoảng 2,0 đến 2,3 keV tại đỉnh 1333 keV Trong công bố này, các tác giả đã xác định được hàm lượng của 24 nguyên tố trong mẫu chuẩn đá của Cục địa chất Nhật Bản mà không sử dụng phương pháp tách hóa đi kèm; đồng thời, trong công trình này tác giả cũng đã chỉ ra một số quy tắc để xác định tối ưu các nguyên tố trong việc phân tích NAA sử dụng hệ trùng phùng
Năm 2002, P.P.Ember và các công sự [21, 22] ở Hungary đã thiết lập hệ phổ
kế trùng phùng cho phân tích kích hoạt gamma tức thời và nghiên cứu cải thiện khả năng phân tích kích hoạt gamma tức thời bằng phương pháp trùng phùng Hệ gồm hai detector có hiệu suất là 15% và 25%, hoạt độngdựa trên nguyên tắc của hệ trùng phùng nhanh chậm lưu trữ dưới dạng mã dữ liệu Sơ đồ của hệ đo ở Hungary được trình bày trên Hình 1.3
Trang 3131
Hình 1.3 Hệ trùng phùng nhanh chậm tại Hungary [22]
Với nghiên cứu này, các tác giả đã dùng nguồn 60Co để kiểm tra hệ và gate
số liệu trên một detector để phân tích thử nghiệm,đánh giá tỉ số diện tích đỉnh trên phông và kiểm tra độ phân giải thời gian của hệ Kết quả cho thấy độ phân giải thời gian là 12,7ns Bên cạnh đó, các tác giả cũng đã phân tích thử nghiệm mẫu CoCl2
và H3BO3 để đánh giá khả năng loại các đỉnh của B và H ra khỏi phổ trong chế độ
đo trùng phùng và kết quả phân tích này cho thấy trong chế độ đo trùng phùng đã loại bỏ được ảnh hưởng của các đỉnh B và H, đồng thời nền phông Compton đã giảm đáng kể và các đỉnh 229 keV, 277 keV của Co và 518 keV, 1164 keV của Cl
đã được nhận diện một cách dễ dàng và tỉ số diện tích đỉnh trên số đếm trung bình
Start Stop
Gate
SCA TAC
ADC Canberra 8077(16k)
579
Delay Ortec GG8010
CFD Phillips
730
Delay Ortec GG8010
FFA Ortec
579
Level Transl Phillips 720
ADC KFKI (4k)
Multiplexer
CFD Phillips
730
TAC/SCA Tennelec TC863
Delay
Ortec GC8010
ADC Canberra 8077(16k)
Amp Canberra
2025
HV Canberra
Trang 3232
của một kênh tại nền phông trong phép đo trùng phùng đã được cải thiện từ 7,78 đến 75,58 lần Tuy nhiên, phương pháp gate số liệu trong công bố này chỉ sử dụng gate số liệu ở một detector, như vậy thì số liệu thu nhận được trong cách gate này
sẽ bị giảm gần như một nửa so với gate số liệu trên cả hai detector
Phát triển và nghiên cứu tiếp theo của phương pháp này, năm 2004, P.P.Ember và các cộng sự [23] tiếp tục sử dụng phương pháp đo trùng phùng cho phân tích kích hoạt nơtron đo gamma tức thời Mẫu nhựa PVC được sử dụng để phân tích Cl Kết quả cho thấy phương pháp trùng phùng có khả năng giảm phông
và các đồng vị nhiễu, đồng thời cho thấycó sự phụ thuộc giữa tốc độ đếm đỉnh và hàm lượng đồng vị có trong mẫu phân tích
Năm 2007, Hatsukawa và các cộng sự [27]đã cải tiến thiết kế ban đầu của nhóm và kết hợp 19 detectorHPGe (GEMINI-II) trong hệ phổ kế trùng phùng Trong công trình này đã xác lập hệ để phân tích Ir, đặc biệt là trong mẫu Cuban Kết quả cho thấy giới hạn phát hiện và phân tích là khoảng 100 pg/g trong các mẫu này
Năm 2008, B.E Tomlin và các cộng sự [54]sử dụng hệ phổ kế trùng phùng
kỹ thuật số dùng hai detectorcó hiệu suất tương đối là 31% và 63%, độ phân giải năng lượng là 1,8 keV ở năng lượng 1,33 MeV Trong công bố này,mẫu chuẩn Bovine Liver SRM-1577 được sử dụng trong phân tích Kết quả đã đánh giá tỉ số đỉnh trên nền phông trung bình của các đồng vị 110m
Ag, 60Co, 134Cs, 75Se, 59Fe,46Sc Đối với 75
Se, tỉ số diện tích đỉnh trên nền phông trung bình tại các đỉnh 121 keV,
136 keV, 264 keV và 279 keV của 75Se đã tăng lên 257,1; 360,0; 733,1 và 598,6 lần tương ứng so với đo đơn sử dụng một detector
Năm 2012, Y Hatsukawa và các cộng sự [28], sử dụng hệ phổ kế trùng phùng gồm 16 detector để cải thiện hiệu suất của hệ phổ kế trùng phùng và hàm lượng Ir trong các mẫu chuẩn đá đã được xác định, kết quả đạt được đã được so
Trang 33Mới đây nhất, năm 2015, M Yoho and S Landsberger [40] đã xác định Se trong mẫu Coal fly Ash bằng hệ phổ kế trùng phùng dùng hai detector Kết quả là
đã đánh giá ảnh hưởng của các đồng vị nhiễu ảnh hưởng lên Se và xác định hàm lượng Se trong mẫu Trong công trình này, các tác giả đã đánh giá ảnh hưởng thời gian chết của hệ đo và ảnh hưởng của trùng phùng ngẫu nhiên
Hiện nay, ngoài các công bố tóm tắt kết quả nghiên cứu từ một số quốc gia như Mỹ, Nhật, Hungary, Tiệp, … thì chưa có tài liệu hay hướng dẫn nào khác nói
về vấn đề này; đồng thời, các thư viện số liệu dùng cho phân tích kích hoạt trong phương pháp đo sử dụng một detectơ đã được biên tập khá đầy đủ, nhưng với phương pháp đo trùng phùng thì thư viện số liệu cần quan tâm xem xét lại để sử dụng cho phù hợp
1.4.4 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng đã được nghiên cứu từ những năm 90 của thế kỷ XX Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân khác nhau, cuối năm 2005, hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng hoàn chỉnh đầu tiên mới được lắp đặt tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Hiện nay, hệ đo đã được xây dựng với hai cấu hình, cấu hình dùng khối trùng phùng và cấu hình dùng TAC Các khối che chắn, dụng cụ đặt mẫu và các detector cũng được thiết kế chế tạo đơn giản gọn nhẹ và hiệu quả [3, 6, 8] Từ hệ đo này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thu
Trang 3434
thập số liệu phân rã gamma nối tầng của các hạt nhân như: 28
Al, 36Cl, 49Ti, 59Ni, 52
V, 153Sm,182Ta, 239U, Các kết quả nghiên cứu về phương pháp lắp đặt, thiết kế giao diện, lựa chọn các tham số của hệ đo, các số liệu về mật độ mức và hàm lực
đã được công bố trên các hội nghị trong nước, hội nghị quốc tế và tạp chí quốc
tế[4-6, 8-11, 37-39, 53]
Bên cạnh hướng nghiên cứu đối với bài toán cấu trúc hạt nhân, nhóm nghiên cứu tại Viện NCHN cũng đã tiến hành thử nghiệm trong việc đưa phương pháp trùng phùng gamma - gamma vào việc phân tích kích hoạt: mẫu địa chất sau khi được kích hoạt trong lò phản ứng được đo trên hệ phổ kế trùng phùng gamma - gamma [5], đây là định hướng phân tích mới bổ sung thêm vào phân tích kích hoạt
sử dụng dòng nơtron của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
1.5 Kết luận chương 1
Với mục đích chọn lựa phương pháp trùng phùng trong phân tích NAA, và
sử dụng các mẫu để phân tích As và Se, Chương 1 đã trình bày các vấn đề sau:
- Trình bày tổng quan về phương pháp phân tích kích hoạt nơtron và các hệ đo,
sự lựa chọn các hệ đo phù hợp với bài toán phân tích
- Đánh giá các khó khăn khi phân tích As và Se và dẫn đến việc sử dụng phương pháp trùng phùng gamma-gamma để phân tích As và Se
- Tổng quan về phương pháp trùng phùng gamma-gamma, hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma và tình hình nghiên cứu ứng dụng cũng như sự phát triển của phương pháp này ở nước ngoài và Việt Nam;
Từ những phân tích những khó khăn khi phân tích As và Se bằng các phương pháp một detector hoặc phương pháp triệt Compton, đánh giá tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp trùng phùng ở nước ngoài và Việt Nam cho phân tích kích hoạt và những ưu nhược điểm của phương pháp, tác giả luận án và người hướng dẫn đã lựa chọn việc sử dụng phương pháp trùng phùng gamma-gamma để phân tích As và Se Do bài toán phân tích kích hoạt As và Se hoàn toàn
Trang 3535 khác với bài toán nghiên cứu cấu trúc hạt nhân nên cần thiết tiến hành một loạt các nghiên cứu setup hệ đo, xây dựng và đánh giá bộ tham số cho các khối thiết bị…
Trang 36Hình 2.1 Sơ đồ hệ phổ kế trùng phùng gamma - gamma
Một số thông số kỹ thuật cơ bản của các thiết bị
-HpGe I Ortec- GMX 35, hiệu suất ghi tương đối 35%, độ phân giải 1,9 keV tại năng lượng 1332 keV[65]
- HPGe II Ortec- GMX 35, hiệu suất ghi tương đối 38%, độ phân giải 1,9 keV tại năng lượng 1332 keV[65]
- Cao thế Ortec 660 là cao thế kép của hãng Ortec, thế lối ra từ 0 đến 5 kV, dòng từ 0 đến 100 A, độ trôi nhiệt < 0,08%/0C trên dải từ 10 đến 500C, thăng giáng 0,3% trong dải điện thế lối ra từ 0,5 đến 5 kV[50]
Trang 3737
- Khuếch đại phổ kế 572A Ortec: Biên độ lối ra từ 0÷10 V với xung đơn cực,
và 0÷20V với xung lưỡng cực Độ phân giải năng lượng và độ dịch đỉnh không đổi trong vùng tốc độ xung từ 0 30,000 sự kiện/s, độ phi tuyến tích phân < 0,05% tại shaping time 2 s[48]
- ADC 7072 là ADC kép của hãng FastComtech, 8 k, thời gian biến đổi 500 ns, tín hiệu vào từ + 25 mV đến 10 V, mặt tăng của xung từ 250 ns đến 25 s, sườn xuống từ 200 ns đến 100 s[24]
- ADC 8713 là ADC đơn của hãng Canberra, 16 k, thời gian biến đổi 6 s, tín hiệu vào từ 0 đến 10 V, mặt tăng của xung từ 0,25 s đến 100 s, độ rộng xung tối thiểu 0,5 s[16]
- TFA 474 là bộ khuếch đại lọc lựa thời gian của hãng Ortec, biên độ tín hiệu xung lối vào từ 0 đến 1 V, biên độ lối ra từ 0 đến 5 V, độ phi tuyến 0,05%[47]
- CFD 584 là khối gạt ngưỡng hằng của hãng Ortec sản xuất, biên độ xung lối vào từ 0 đến – 5V, độ dài xung lối ra nằm trong dải 0,5 đến 2,5 s[49]
Nguyên tắc hoạt động của hệ
Khi hai detector thu nhận hai bức xạ gamma nối tầng thì các detector sẽ sinh
ra đồng thời hai tín hiệu là tín hiệu mang thông tin năng lượng (E) và tín hiệu mang thông tin thời gian (T) Tín hiệu năng lượng được đưa đến khối khuếch đại phổ 572A và sau đó đến ADC 7072 Tín hiệu thời gian được đưa đến khối khuếch đại lọc lựa thời gian TFA 474 để tạo dạng xung phù hợp, sau đó tín hiệu này được đưa đến khối gạt ngưỡng hằng CFD 584, khối này loại trừ nhiễu và các xung tăng chậm Xung ra từ hai khối CFD 584 được đưa đến lối vào khởi phát (Start) và kết thúc (Stop) của khối biến đổi thời gian thành biên độ TAC 566 Khi có tín hiệu khởi phát và tín hiệu kết thúc đi đến TAC thì TAC 566 sẽ biến đổi khoảng thời gian chênh lệch giữa hai sự kiện thành biên độ, và gửi tín hiệu tới ADC 8713; đồng
Trang 3838
thời TAC còn phát tín hiệu ở lối Valid Convert gửi tới giao diện PCI 7811R Khi giao diện PCI 7811R nhận được tín hiệu Valid Convert từ TAC thì sẽ tạo ra tín hiệu Gate, tín hiệu Gate này cho phép hai ADC 7072 biến đổi tín hiệu tương tự thành dạng số Điều kiện biến đổi này cho phép giảm đáng kể các trùng phùng ngẫu nhiên có khoảng thời gian vượt ngoài vùng quan tâm
Số liệu thu nhận được ghi thành ba cột, trong đó hai cột tín hiệu có giá trị tỉ
lệ với năng lượng của hai bức xạ mà hai detector ghi nhận (cột 3 và cột 4), giá trị
mã biên độ của cột thứ hai là khoảng chênh lệch thời gian của hai bức xạ gamma đi vào hai detector Mỗi file dữ liệu lưu trữ 4096 cặp sự kiện trùng phùng, khi kết thúc một file thì giao diện PCI 7811R cho phép file đó lưu trữ trên máy tính
2.1.2 Vấn đề xác lập tham số hệ đo
Trên thực tế, việc xác lập các tham số cho các khối điện tử chức năng trong
hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma phức tạp hơn nhiều so với hệ phổ kế sử dụng một detector, và đòi hỏi phải xác lập tối ưu tham số cho các khối điện tử trước khi sử dụng hệ đo Tham số của các khối điện tử, đặc biệt là của kênh xử lý thời gian được lựa chọn không thích hợp sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hệ đo như: làm tồi độ phân giải thời gian của hệ, làm tăng các sự kiện trùng phùng ngẫu nhiên, làm giảm độ tuyến tính của phổ, giảm tốc độ trùng phùng thực Trong trường hợp như vậy, chất lượng và dung lượng số liệu thu nhận được sẽ không cao và sẽ gây ra nhiều khó khăn trong quá trình xử lý số liệu
Các vấn đề liên quan đến việc xác lập tham số các khối điện tử của hệ phổ
kế trùng phùng gamma – gamma đã được nhóm nghiên cứu đưa ra trong một số công bố[4, 39].Tuy nhiên, trong công bố [39]chỉ tập trung vào bài toán đo dải năng lượng ở vùng trên 500 keV, còn công bố [4] chỉ tập trung vào việc xác lập tham số cho các khối điện tử thuộc kênh thời gian trên dải năng lượng nói trên.Thực tế, vì cấu hình thiết lập cho hệ trùng phùng gamma-gamma đặt hai detector đối xứng nhau, nên ngoài việc thiết lập tối ưu cho kênh thời gian, bài toán cần quan tâm đến
Trang 3939
việc loại bỏ trùng phùng do chính một gamma tán xạ ngược thoát khỏi một
detector và bị hấp thụ bởi detector còn lại Trước đây, để giải quyết những ảnh
hưởng của các trùng phùng do gamma tán xạ ngược ở vùng năng lượng vùng trên
500 keV, nhóm nghiên đã bố trí thêm hai lá chì dày khoảng 2mm đặt ở mặt các
detector.Tuy nhiên, nếu khảo sát vùng năng lượng thấp hơn, thì việc che chắn thụ
động này sẽ làm suy giảm cường độ các bức xạ gamma năng lượng thấp cần quan
tâm
Như vậy, cần đánh giá lại các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ đo và
đưa ra hướng giải quyết để lựa chọn bộ tham số phù hợp nhất cho vùng năng lượng
thấp
Gọi S1 là diện tích đỉnh năng lượng E1 trên detector 1, S là diện tích đỉnh 2
năng lượng E trên detector 2 Độ cân xứng Z của hiệu suất ghi thực giữa hai đỉnh 1
trên hai detectorđược xác định như sau:
1
1 2
0,5
S Z
Vậy Z càng gần giá trị không thì hai đỉnh càng đối xứng (tức là diện tích hai đỉnh
gần bằng nhau) Như vậy, khi so sánh tiếp theo với các định năng lượng E , 2 E , 3
…, giá trị trung bình của Z được xác lập:
1
n n i tb
Z Z
Với n là số đỉnh quan tâm trong phổ
Xét riêng với việc xác lập các tham số của hệ trên dải năng lượng từ 121,8
keV đến gần 1408,1 keV của nguồn chuẩn 152
Eu thì có 13 đỉnh cần quan tâm Để giải quyết được yêu cầu trên, trước hết cần xem xét vai trò các khối chức năng
trong hệ, tiến hành khảo sát đánh giá khả năng tối ưu của từng khối
Trang 4040
2.1.2.1 Xác lập hệ số khuếch đại cho khối khuếch đại phổ
Năng lượng của lượng tử gamma khi bị hấp thụ hoàn toàn trong detector tỷ
lệ với tổng lượng điện tích mà lượng tử gamma tạo ra đã được tiền khuếch đại thu thập lại Vì thời gian thu thập điện tích khác nhau nên mặt tăng xung khác nhau và như vậy các xung ra từ detector không thích hợp cho việc phân tích biên độ của ADC Do vậy, các khối khuếch đại phổ được ghép nối với detector bán dẫn để tạo thành xung có dải biên độ và hình dạng thích hợp cho ADC Sự xuất hiện của mạch tích phân và việc phối hợp với các mạch vi phân còn cho phép rút gọn xung làm giảm thời gian chết và giảm được nhiễu điện tử Trong cấu hình thực tế của hệ
đo, khối khuếch đại 572A được lựa chọn Tham số của hai khối 572A cần phải được lựa chọn sao cho biên độ xung lối ra phù hợp với dải năng lượng bức xạ gamma mà bài toán quan tâm, dạng xung thích hợp với ADC và giảm thiểu tối đa nhiễu Ngoài ra, các hệ số khuếch đại của hai khuếch đại phổ phải bảo đảm biên độ tín hiệu lối ra của hai khối 572A phải càng tương đồng nhau càng tốt Điều này được thực hiện bằng cách điều chỉnh tham của cả haikhối 572A dựa vào tín hiệu quan sát trên dao động ký và dựa vào so sánh phổ của nguồn chuẩn
2.1.2.2 Khối khuếch đại lọc lựa thời gian (TFA)
Các tham số của TFA có thể được thiết lập bao gồm hệ số khuếch đại, tham
số các khối vi phân (DIFF) và tích phân (INT) Hai tham số DIFF và INT cho phép lựa chọn dạng xung để khuếch đại và do đó, lựa chọn hai tham số này tốt sẽ cho phép tối ưu hóa tỉ số tín hiệu trên nhiễu trong phép đo thời gian Hệ số khuếch đại của TFA là một tham số quan trọng cần phải được lựa chọn thích hợp với các dải năng lượng cần đo khác nhau Nếu hệ số khuếch đại quá lớn sẽ làm cho các tín hiệu nhiễu cũng bị khuếch đại và do đó các tín hiệu này sẽ không bị loại bỏ, ngược lại hệ số khuếch đại quá thấp sẽ làm giảm khả năng phân biệt giữa tín hiệu thực và nhiễu Hơn nữa, đối với hệ đo trùng phùng gamma - gamma, hệ số khuếch đại của hai khối TFA còn cần phải được lựa chọn sao cho ứng với cùng một tia bức xạ đi