Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt

Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt Áp dụng chương trình k0 IAEA trong phân tích kích hoạt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

TP HỒ CHÍ MINH - 2009

Lời cảm ơn đầu tiên con xin kính gửi đến ba mẹ, Người đã nuôi nấng và dạy

dỗ con đến ngày hôm nay

Trong suốt quá trình học tập và rèn luyện, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô giáo đã nhiệt tình giảng dạy và chỉ bảo em trên từng nẻo đường

Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các anh chị em, bạn bè gần xa đã động viên và giúp đỡ cả về mặt tinh thần lẫn tri thức

Đặc biệt trong suốt quá trình làm việc để hoàn thành tốt khóa luận này, em xin gửi lời cảm ơn đến:

ThS Trần Thiện Thanh, người Thầy đã đưa ra ý tưởng cùng với những phương pháp nghiên cứu khoa học giúp em hoàn thành tốt khóa luận này ThS Trương Thị Hồng Loan, người Cô đã ân cần chỉ bảo và góp ý để khóa luận của em trở nên hoàn thiện hơn

CN Đặng Thị Minh Tâm đã cung cấp thông tin về mẫu chuẩn, thông lượng neutron của lò và các file phổ cần thiết cho quá trình phân tích

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý, đặc biệt là Bộ môn Vật lý Hạt nhân Cảm ơn các bạn trong lớp Vật lý Hạt nhân khóa 2004 – 2 đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian tôi hoàn thành khóa luận này

TP HCM, ngày 14/02/2009

Trần Văn Phúc

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON (NAA) 3

1.1 Giới thiệu phương pháp kích hoạt neutron 3

1.2 Nguyên tắc của phương pháp kích hoạt neutron 3

1.2.1 Tốc độ phản ứng 4

1.2.2 Thông lượng neutron 4

1.2.3 Hàm tiết diện phản ứng 7

1.2.4 Các nguồn neutron dùng trong phân tích kích hoạt 7

1.2.4.1 Nguồn neutron đồng vị 7

1.2.4.2 Lò phản ứng hạt nhân 9

1.2.4.3 Máy phát neutron 9

1.3 Phương trình kích hoạt 9

1.4 Các phương pháp phân tích kích hoạt neutron 11

1.4.1 Phương pháp tương đối 11

1.4.2 Phương pháp tuyệt đối 12

1.4.3 Phương pháp chuẩn đơn 13

1.4.4 Giới thiệu sơ lược phương pháp Ko 13

1.5 Phương pháp chuẩn hóa K0 14

CHƯƠNG 2: CÁC THÔNG SỐ TRONG PHƯƠNG PHÁP NAA 16

2.1 Giới thiệu 16

2.2 Hệ số K0 16

2.3 Thông số Alpha 17

2.4 Xác định tỉ số thông lượng neutron nhiệt/nhanh (Rt/f) 17

2.5 Xác định thông lượng neutron ( nhiệt, trên nhiệt, nhanh) 18

2.5.1 Thông lượng neutron nhiệt 18

2.5.2 Thông lượng neutron trên nhiệt 20

2.5.3 Thông lượng neutron nhanh 20

2.6.1 Phương pháp tỉ số Cd 20

2.6.2 Phương pháp chiếu trần 21

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH K 0 -IAEA 22

3.1 Giới thiệu chương trình K0-IAEA 22

3.2 Phương pháp đọc File (phổ) 23

3.2.1 Trình đơn File 23

3.2.2 Trình đơn Edit 24

3.2.3 Trình đơn phân tích phổ (Spectrum Analysis) 24

3.2.4 Trình đơn View 28

3.2.5 Trình đơn lưu trữ các thông số chiếu xạ (Irradiation facility menu commands) 36

3.2.6 Trình đơn Detector 36

3.2.7 Trình đơn giúp đỡ (Help) 37

3.2.8 Trình đơn công cụ (Tools) 37

3.3 Chương trình chính 38

3.3.1 Tổng quan về chương trình Ko 38

3.3.2 Đăng nhập thông tin về cơ sở dữ liệu ban đầu của nhà phân tích 38

3.3.3 Đăng nhập thông tin về mẫu cần phân tích 39

3.3.4 Chương trình chính 40

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG PHẦN MỀM CHƯƠNG TRÌNH K 0 -IAEA CHO MỘT SỐ MẪU ĐÃ ĐƯỢC KÍCH HOẠT 41

4.1 Cài đặt cơ sở dữ liệu ban đầu 42

4.2 Quá trình hiệu chỉnh hệ phổ kế tia gamma 46

4.3 Báo cáo kết quả phân tích từ phương pháp K0-IAEA 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

Bảng 1.1 Đặc trưng của vài nguồn photoneutron 8

Bảng 1.2 Sai số ước lượng của phương pháp k0- IAEA 15

Bảng 2.1 Một số thông số cần thiết của các monitor 18

Bảng 4.1 Thông tin kích thước của detector GEM – 20180 (Sys#1) và GEM- 35 (Sys#5) 45

Bảng 4.2 Dữ liệu hạt nhân được dùng trong nguồn điểm 47

Bảng 4.3 Thời gian chiếu xạ,thời gian phân rã và thời gian đếm của một số lá dò 48

Bảng 4.4 Thông số neutron của hốc chiếu xạ NAA#3 ở lò nghiên cứu HANARO 49

Bảng 4.5 Thời gian chiếu xạ, phân rã và đếm được tính theo khối lượng của mẫu chuẩn 49

Bảng 4.6 Bảng so sánh kết quả hàm lượng nguyên tố trong mẫu SMEL loại I 50

Bảng 4.7 Bảng so sánh kết quả hàm lượng nguyên tố trong mẫu SMELS loại II 50

Bảng 4.8 Bảng so sánh kết quả hàm lượng nguyên tố trong mẫu SMELS loại III 51

Bảng 4.9 Bảng so sánh kết quả hàm lượng nguyên tố trong mẫu đất (NIST- SRM- 2586) 52

Hình 1.1 Năng lượng neutron biểu diễn theo thông lượng neutron 6

Hìng 3.1 Danh sách năng lượng đã được hiệu chuẩn 25

Hình 3.2 Thông tin năng lượng đã được hiệu chuẩn 26

Hình 3.3 Nhập thông tin về việc hiệu chuẩn đường cong theo năng lượng 26

Hình 3.4 Hiệu chuẩn hình dạng phổ 27

Hình 3.5 Nhập thông tin về vùng phổ quan tâm 29

Hình 3.6 Nhập thông tin về vùng phổ sau khi được làm khớp 29

Hình 3.7 Lược đồ biểu thị hình dáng của phổ sau khi hiệu chuẩn bề rộng một nửa 30

Hình 3.8 Lược đồ biểu thị hình dạng của đuôi phổ bên trái đã hiệu chuẩn 30

Hình 3.9 Lược đồ biểu thị hình dạng đuôi phổ bên phải đã được hiệu chuẩn 31

Hình 3.10 Lược đồ biểu thị hình dạng phổ đã hiệu chuẩn theo năng lượng và số kênh 32

Hình 3.11 Lược đồ biểu thị sự đánh giá một đỉnh 32

Hình 3.12 Lược đồ biểu thị làm khớp đỉnh 33

Hình 3.13 Thông tin về phổ sau khi được làm khớp 34

Hình 3.14 Lược đồ mô tả hình dạng và thông số của đỉnh 34

Hình 3.15 Lược đồ biểu thị đỉnh tích phân theo số đếm và năng lượng 35

Hình 3.16 Sơ đồ khối mô tả tổng quan về chương trình K0- IAEA 38

Hình 3.17 Sơ đồ khối các quá trình đăng nhập thông tin cơ sở dữ liệu ban đầu 39

Hình 3.18 Sơ đồ khối mô tả quá trình đăng nhập thông tin về mẫu cần phân tích 39

Hình 3.19 Sơ đồ khối mô tả các quá trình phân tích mẫu của chương trình K0- IAEA 40

Hình 4.1 Chọn nhà phân tích 42

Hình 4.2 Mô tả thông tin về hàm lượng nguyên tố được chiếu xạ 43

Hình 4.3 Thông tin của Detector K1-7 44

Hình 4.4 Thông tin Detector K5-7 44

Hình 4.5 Thông tin về các thông số của nguồn neutron 45

Hình 4.6 Thông tin gói mẫu 46

Ký hiệu Tiếng Việt Tiếng Anh

Tài liệu mẫu chuẫn

Cơ quan năng lượng châu Âu

Viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Hàn Quốc

Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế

Viện đo đạt và cung cấp thông tin về mẫu chuẩn

Viện khoa học hạt nhân (Bỉ)

Phân tích kích hoạt neutron

Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Quốc gia ( Hoa Kỳ)

Mẫu chuẩn tổng hợp đa nguyên

tố

Mẫu đất chuẩn

Certified Reference Materials

European Energy Community

Korea Atomic Energy Research Institute

International Atomic Energy Agency

Institute for Reference Materials and Measurements

Institute for Nuclear Sciences

Neutron Activation Analysis

National Institute of Standards and Technology

Synthetic Multielement Standard

Soil Reference Materials

LỜI MỞ ĐẦU

Phân tích kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis-NAA) là một kĩ thuật hạt nhân được sử dụng để xác định hàm lượng nguyên tố có trong mẫu bất kì Các hạt nhân của các nguyên tố có trong mẫu được chiếu bằng neutron sẽ chuyển từ trạng thái bền (cơ bản) lên trạng thái kích thích ( không bền hay phóng xạ) Các hạt nhân ở trạng thái này sẽ tự động phóng ra những bức xạ gamma để chuyển về trạng thái bền với những chu kì bán rã khác nhau Các bức xạ này được ghi nhận bởi các detector ghi bức xạ Mỗi nguyên tố sẽ có một loại bức xạ đặc trưng, thông qua các bức xạ này chúng ta có thể xác định định tính và định lượng các nguyên tố trong mẫu

Trong NAA thì phương pháp chuẩn hóa Ko có ưu điểm là không dùng mẫu chuẩn hay mẫu tham khảo mà có khả năng phân tích đa nguyên tố với sai số phân tích khá ổn định [1].Chính vì vậy mà các phòng thí nghiệm NAA của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) và Tổ chức Năng lượng Châu Âu (EEC) đã khuyến cáo dùng K0-NAA như một phương pháp chuẩn cho nhiều đối tượng nghiên cứu

Ở Việt Nam, phương pháp K0-NAA trên lò phản ứng Hạt nhân Đà Lạt đã được nghiên cứu từ cuối thập niên 1980 Vào giữa thập niên 1990, TS Hồ Mạnh Dũng đã xây dựng quy trình K0 thực nghiệm cho phân tích đa nguyên tố với độ chính xác cao trên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [1]

Hiện nay, với sự phát triển khoa học kĩ thuật trên thế giới, cùng với những yêu cầu cấp bách từ IAEA Vào đầu năm 2005, một hội nghị khoa học diễn ra ở Bangkok, Thailand đã chính thức đưa vào hoạt động phần mềm chương trình phân tích hàm lượng nguyên tố Ko-IAEA Chương trình này có dạng mô phỏng, giúp các nhà phân tích không phải mất nhiều thời gian để vào phòng thí nghiệm phân tích Nhờ chương trình mô phỏng này, chúng ta có thể có một kết quả phân tích hàm lượng của nguyên

tố với độ chính xác cao nhờ tính ổn định mang tính hệ thống của sai số và tránh những sai số khi thao tác

Điểm mạnh thực sự của phần mềm này là chỉ cần nhà phân tích ở một nơi cũng

có thể phân tích được hàm lượng các các nguyên tố có trong mẫu với bất kì thông lượng nào của tất cả các lò trên thế giới, nếu nhà phân tích biết được các thông tin về

những thông số lò phản ứng hạt nhân cùng với các thông tin liên quan khác như điều kiện chiếu và detector ghi nhận bức xạ

Một ưu điểm nữa của chương trình này giúp nhà phân tích vượt qua được những rào cản về kinh tế, chính trị và xã hội trong vấn đề yêu cầu xây dựng lò phản ứng hạt nhân để kích hoạt mẫu cần phân tích

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT

NEUTRON (NAA)

1.1 Giới thiệu phương pháp kích hoạt neutron

Phân tích kích hoạt neutron (neutron activation analysis – NAA) là một phương pháp phân tích nguyên tố hiện đại, sử dụng kỹ thuật hạt nhân để xác định phân tích hàm lượng nguyên tố trong vật chất Phương pháp này ra đời vào năm 1936 và được VonHevesy và Levi lần đầu tiên áp dụng cho đến nay, phân tích kích hoạt là một phương pháp phân tích nguyên tố trong mẫu chính xác và tiện lợi nhất [2]

Trong NAA, những mẫu trước khi đem phân tích được kích hoạt bởi neutron Các hạt nhân trong mẫu có một xác suất bắt neutron xác định, xác suất này có thứ nguyên diện tích và được gọi là tiết diện bắt neutron ( ) Trong quá trình chiếu xạ các hạt nhân có đồng vị bền ở dạng tự nhiên được chuyển thành các hạt nhân phóng xạ do

sự bắt neutron Khi neutron tương tác với hạt nhân bia qua quá trình tán xạ không đàn hồi, một hạt nhân lập phần ở trạng thái kích thích được tạo ra và khi trở về trạng thái

cơ bản (cân bằng) chúng phát xạ tia gamma tức thời đặc trưng Trong nhiều trường hợp trạng thái cân bằng mới này lại tạo ra một hạt nhân phóng xạ phân rã bằng cách phát ra tia gamma trễ đặc trưng nhưng ở tốc độ chậm hơn nhiều so với quá trình phát

ra tia gamma tức thời Tia gamma sinh ra được phát hiện bằng dectector bán dẫn có độ phân giải năng lượng cao Trong phổ gamma, năng lượng của đỉnh xác định sự có mặt của nguyên tố trong mẫu hay còn gọi là phép định tính, hơn nữa diện tích của đỉnh cho phép ta định lượng nguyên tố đó

1.2 Nguyên tắc của phương pháp kích hoạt neutron

Cơ sở của phương pháp phân tích kích hoạt neutron (NAA) là phản ứng của các neutron với hạt nhân nguyên tử Điều mà ta quan tâm là phản ứng (n, ); trong đó X (hạt nhân bia) hấp thụ một neutron tạo ra một hạt nhân phóng xạ X*

nặng hơn hạt nhân

X một đơn vị khối lượng và sau đó X*

tự động phát ra tia  và trở về trạng thái cân bằng



XX

(*) Biểu diễn hạt nhân ở giai đoạn trung gian

Z: Bậc số nguyên tử của nguyên tố X

A: Số khối của nguyên tử X

v.v

Dựa vào yếu tố năng lượng người ta chia neutron ra thành ba loại:

+ Neutron nhanh: Năng lượng của các neutron nằm trong khoảng 100keV  20 MeV đối với 235U phân hạch tuân theo phân bố Watt [1] Thông lượng phân hạch f(E) theo một hàm của năng lượng neutron En :

Các neutron nhiệt (thermal) có năng lượng En trong miền 0 < En ≤ 0,1 eV

Các neutron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt độ với các phân

tử môi trường Mật độ neutron nhiệt phụ thuộc vào năng lượng neutron theo quy luật Maxwell- Boltzmann :

T.K

n 2E

K = 8,61.10-5 eV: hằng số Boltzmann

T: Nhiệt độ môi trường

Với nhiệt độ phòng T = 293,60K thì v = 2200ms-1 và năng lượng neutron nhiệt

độ bằng ET = 0,025eV

+ Neutron trên nhiệt (neutron trung gian):

Các neutron này nằm trong vùng năng lượng từ 0,1eV < En < 100keV.Trong miền năng lượng này tiết diện tương tác của neutron với vật chất có dạng cộng hưởng

và miền này gọi là miền cộng hưởng và neutron trung gian còn gọi là neutron cộng hưởng

Các neutron này được làm chậm do va chạm với nhiên liệu chất làm chậm cho

ra sự phân bố thông lượng e E thay đổi theo E-1 và liên hệ với nhau bởi hệ thức

: là hệ số không phụ thuộc năng lượng, biểu diễn độ lệch khỏi quy luật 1/E,

có giá trị nằm trong khoảng [-1; +1], tùy theo nguồn neutron, vị trí chiếu xạ và vật liệu xung quanh

Hình 1.1 Năng lượng neutron biểu diễn theo thông lượng neutron

E 

quy ước mô tả tốc độ phản ứng dựa trên việc biến đổi theo (1.2), những độ lệch này được tính bằng cách đưa vào hệ số Wescott g(Tn)- phụ thuộc vào nhiệt độ neutron

1.2.4 Các nguồn neutron dùng trong phân tích kích hoạt

Neutron được dùng rộng rãi trong phân tích kích hoạt là do chúng có những đặc điểm ưu việc sau:

+ Không làm cho vật liệu mẫu nóng lên ở nhiệt độ cao

+ Do neutron là hạt trung hòa về điện nên dễ dàng đi sâu vào bên trong hạt nhân của nguyên tử

+ Neutron xuyên sâu vào nhiều loại vật chất điều này có lợi cho việc loại trừ được sự nguy hiểm nhiễm xạ như khi kích hoạt Các vật liệu dạng bột còn có lợi khi rọi các chất dễ bay hơi

Những nguồn neutron dùng cho phân tích kích hoạt gồm neutron đồng vị, lò phản ứng hạt nhân, máy phát neutron

1.2.4.1 Nguồn neutron đồng vị

Ƣu điểm: Nguồn neutron đồng vị nhỏ chặt, vận chuyển dễ dàng Sự nguy hiểm

đến sức khỏe được hạn chế và ít tốn kém

Nhƣợc điểm: Những nguồn này có thông lượng nhỏ (cỡ 10+7n.cm-2.s-1 đến

109n.cm-2.s-1) cho nên chỉ giới hạn trong việc xác định vài nguyên tố có độ phổ cập tự nhiên và tiết diện neutron ở nhiệt độ cao và chỉ thích hợp với các hạt nhân có chu kỳ bán hủy ngắn Các nguồn này cũng không thể “đóng mở” khi không dùng

Có 3 loại nguồn neutron đồng vị:

+ Nguồn photoneutron (,n):

MeV 67 , 1 n Be

+ Nguồn alpha (,n):

MeV7,5nCHe

Be 4 13 10

+ Nguồn phân hạch tự phát:

Qn4RuXe

Cf 140 108

QnTeCs

1.2.4.2 Lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng có khả năng kích hoạt neutron mạnh nhất Tùy theo cách cấu tạo

lò mà chúng có thể cung cấp các thông lượng neutron không đổi Đa phần lớn lò phản ứng cho thông lượng neutron = 1011 ÷ 1012 n.cm-2.s-1 (các lò phản ứng nhỏ); = 1015n.cm-2.s-1 (lò phản ứng lớn)

Nhược điểm: Việc xây dựng lò phản ứng gặp rất nhiều khó khăn bởi các yếu tố

chủ quan và khách quan khác nhau (giá thành, môi trường, chính trị…)

1.2.4.3 Máy phát neutron

Nguồn neutron được phát ra từ máy gia tốc Máy gia tốc làm việc dựa trên nguyên tắc, các vật liệu bia bị bắn phá bởi những hạt tích điện được gia tốc và các hạt neutron được sinh ra từ các phản ứng hạt nhân Máy gia tốc thường dùng và có giá trị thương mại thì các hạt deuteron được gia tốc và vật liệu bia là triti Neutron sinh ra từ phản ứng 3H(d,n)4He Năng lượng của những neutron đơn năng tạo ra là 14Mev và thông lượng của chúng xấp xỉ 109

n.cm-2.s-1 [1]

Ưu điểm: Tạo ra những neutron đơn năng có năng lượng cao và dòng neutron

có thể điều chỉnh được

Nhược điểm: Không tạo được neutron nhiệt, thông lượng neutron không ổn

định, phụ thuộc mạnh vào khoảng cách từ máy phát đến bia và dao động theo thời gian, do đó ảnh hưởng rất lớn đến các phương pháp phân tích phụ thuộc vào thông lượng neutron Ngoài ra, tuổi thọ bia ngắn và chế tạo máy gia tốc đắc tiền

Nhìn chung, trong các loại nguồn neutron dùng trong phân tích kích hoạt thì nguồn neutron đồng vị là nguồn đơn giản và mang lại lợi ích kinh tế cao trong phân tích kích hoạt ở ngành công nghiệp

1.3 Phương trình kích hoạt

Phương trình cơ bản cho việc xác định tốc độ xung đo đỉnh tia gamma quan tâm của một nguyên tố dùng phản ứng (n, ) và hệ phổ kế gamma (), theo quy ước Hogdahl được trình bày như sau:

 

A tc /

M

w N

tc / P

N.w

M

SDC

NR







NP/tc : Tốc độ xung đo được của đỉnh tia gamma quan tâm (đã qua hiệu chỉnh)

NP: Số đếm trong vùng đỉnh năng lượng toàn phần

: Xác suất phát tia  cần đo

NA: Hằng số Avogadro

W: khối lượng nguyên tố được chiếu xạ (g)

M: Khối lượng nguyên tố bia

: Độ phổ cập đồng vị bia

Gth: Hệ số hiệu chỉnh tự che chắn neutron nhiệt

Ge: Hệ số hiệu chỉnh tự che chắn neutron trên nhiệt

 texp1

1 N

M.SDC

NW

e e 0 th th p A

tc / p

(1.13)

1.4 Các phương pháp phân tích kích hoạt neutron

1.4.1 Phương pháp tương đối

Trong phương pháp chuẩn hóa tương đối, hàm lượng của nguyên tố được tính bằng công thức:

   SDCW 

SDCW

N

Ng/g

*

* tc / p

tc / p

*

sp

SDCW

N

A  : hoạt độ riêng của nguyên tố chuẩn (phân rã/ giây/ gam) (1.16)

Kết hợp (1.15), (1.16) vào (1.14) ta được công thức tính hàm lượng nguyên tố được viết gọn như sau:

+ Mẫu và chuẩn phải được hiệu chỉnh hiệu ứng tự che chắn neutron trong khi chiếu và hiệu ứng suy giảm gamma trong mẫu khi đo

+ Cấu hình đo của mẫu và chuẩn phải được đồng nhất

Nhược điểm:

Không phù hợp cho phân tích đa nguyên tố vì không thể tìm ra mọi loại mẫu tham khảo đóng vai trò như mẫu chuẩn và càng khó khăn hơn khi phải chuẩn bị một loạt mẫu chuẩn có dải hàm lượng tương ứng để chiếu làm mẫu phân tích

1.4.2 Phương pháp tuyệt đối

Đây là phương pháp có tính khả thi cao nếu ta biết trước tất cả các thông số trong công thức tính hàm lượng nguyên tố quan tâm trong mẫu

P 0 e th

* P

* 0

* e

* th 0

*

* 0

*

*

* SP

SP

10 Q.Gf.G

.Q.Gf.G M

M.A

Ag/g

N

SP  hoạt độ riêng của nguyên tố phân tích (phân rã/giây/gam)

.)WSDC(

)N(

* tc / P

IQ

12E

429,0E

429,0QI

Q

cd r

0 0

0 0

IQ





Ecd: Năng lượng cắt cadmium (ECd = 0,55eV)

Er: Năng lượng cộng hưởng hiệu dụng (eV)

: Biểu diễn độ lệch phân bố phổ neutron trên nhiệt độ khỏi quy luật 1  

E / 1

Tuy nhiên trong phương pháp này, biết trước tất cả các thông số trên không phải đơn giản bởi chúng được xác định bằng các phương pháp độc lập, độ không chính xác của các thông số này sẽ đóng góp vào khi tính hàm lượng bằng công thức tuyệt đối, dẫn đến sai số lớn

1.4.3 Phương pháp chuẩn đơn

Phương pháp chuẩn đơn làm cho phân tích đa nguyên tố với NAA trở nên khả thi hơn

* th

0 e th

* P

P

* 0

*

* 0

*

Q.Gf.G

Q.Gf.G M

M

tc / P

10.K

1.AWSDCNg

/g

* SP

: Hàm lượng nguyên tố cần phân tích g/g

Với phương pháp chuẩn đơn việc phân tích đa nguyên tố trở nên dễ dàng hơn Tuy nhiên hệ số K phụ thuộc vào các thông số của thiết bị chiếu và hệ đo, do đó phương pháp này bất tiện khi thay đổi yếu tố trên

1.4.4 Phương pháp K o

Phương pháp K0 là giao thức chuẩn đơn của phân tích kích hoạt neutron dụng

cụ (INAA) Mẫu so sánh và lá dò thông lượng là đồng nghĩa trong phương pháp K0 Tốc độ tạo ra nguyên tử phóng xạ từ nguyên tử bền quan tâm liên quan với tốc độ kích

hoạt này thông qua hệ số được gọi là K0 Tốc độ tạo hạt nhân phóng xạ tương ứng này phụ thuộc vào điều kiện chiếu cụ thể và detector ghi nhận gamma sử dụng

Hằng số được định nghĩa đối với loại phân rã đơn giản nhất như sau:

c c c a

a a a c 0

M

MK

a, c : Chỉ mẫu so sánh và mẫu phân tích

M: khối lượng nguyên tử [g.mol-1

]

0

 : Tiết diện neutron nhiệt (m2)

: Độ phổ cập đồng vị

: Độ phổ cập gamma tuyệt đối

Hằng số này không phụ thuộc vào điều kiện chiếu và detector, nó cần thiết trong việc tính toán hàm lượng trong K0 – INAA

1.5 Phương pháp chuẩn hóa K 0

Do Simonits đưa ra vào năm 1975 đã khắc phục được những hạn chế của phương pháp tuyệt đối, tương đối và chuẩn đơn

+ Đơn giản trong thực nghiệm so với phương pháp tương đối

+ Độ chính xác cao so với phương pháp tuyệt đối

+ Linh hoạt thay đổi điều kiện chiếu và đo so phương pháp chuẩn đơn

+ Phù hợp với xu hướng máy tính hóa

Phương trình cơ bản của K0 – INAA:

Với chất so sánh là 197Au, nguyên tố phân tích là “a” thì hệ số K0 được định nghĩa:

 

Au , 0 Au au a

a , 0 a a au Au

, 0

M

Ma

      6

P

* P 0

e th

* 0 e

* th Au , 0 SP

SP

10 Q G f G

Q G f G K

1 A

A q / g

K0: Được xác định từ thực nghiệm với độ chính xác cao (~1%), chất so sánh tối

ưu 197Au(n,  ) 198Au với các số liệu hạt nhân

Điều kiện chiếu được mô tả bằng thông số xác định phổ neutron có nghĩa là phải xác định các hệ số f,  và detector được mô tả bằng đường cong hiệu suất về mặt thực nghiệm, phương pháp K0 – INAA cải tiến hơn so với phương pháp chuẩn đơn là tránh các quá trình lặp lại việc khảo sát thiết bị chiếu và hệ đo mỗi khi thay đổi chúng

Bảng 1.2: Sai số ước lượng của phương pháp K0 – INAA

CHƯƠNG 2 CÁC THÔNG SỐ TRONG PHƯƠNG PHÁP NAA

2.1 Giới thiệu

Các thông số được dùng trong phương pháp NAA bao gồm các hệ số K0 , , f,

Rt/f , RCd,Au, FCd, Q và Asp,Au nhưng đặc biệt chú ý đến hai hệ số , f Ý nghĩa quan

trọng của các hệ số này được trình bày ở những phần dưới đây

a , 0 a a Au Au

, 0

M

M a

Au , P a

, 0 a , e a

, th

* Au , 0 Au , e Au , th

Au , SP

a , SP Au

,

Q.Gf.G

Q.Gf.G.A

AaK

Au P SP

Au , th cd , a cd P SP

a P SP

Au , 0

G F

.

A A

G F

.

A A

a K

Thực tế, mẫu được chiếu với một monitor m, bằng cách đổi K0,m(a) =

K0,Au(a).K0,Au(m), trong đó a ký hiệu cho nguyên tố phân tích, m ký hiệu cho nguyên

tố dùng làm monitor Lúc này hàm lượng của nguyên tố phân tích được xác định thông qua công thức (1.21)

2.3 Thông số 

Thông số  được biết như là sự phân bố phổ neutron trên nhiệt được giả định tuân theo quy luật 1/E [1] Với việc kèm theo các điều kiện môi trường chứa các neutron nhanh được làm chậm phải thuần nhất và vô hạn, các neutron nhanh được phân bố một cách đồng nhất trong toàn không gian, tốc độ làm chậm không phụ thuộc vào năng lượng, trong quá trình làm chậm không có sự hấp thụ các nguyên tử của chất làm chậm được xem như những hạt tự do và có khối lượng bằng khối lượng neutron Nhưng trong thực tế các điều kiện trên không được thỏa mãn Vì vậy phân bố 1/E1sẽ

bị lệch và được mô tả theo dạng 1/E,  hệ số biểu diễn độ lệch phân bố phổ neutron trên nhiệt, từ đó đổi I0  I0(), Q0  Q0 ()

Hệ số  có thể âm hoặc dương và nằm trong [-1;1] phụ thuộc vào nguồn neutron và cấu hình xung quanh

Có ba phương pháp xác định hệ số  :

+ Phương pháp “ Đa lá dò bọc Cd ”

+ Phương pháp “ Tỉ số Cd cho đa lá dò”

+ Phương pháp “ Đa lá dò chiếu trần ”

Vì tính giới hạn của đề tài nên tác giả không đi chi tiết về việc khảo sát chi tiết

ba phương pháp này Nếu bạn đọc quan tâm có thể tham khảo trong [1]

2.4 Xác định tỉ số thông lƣợng neutron nhiệt / nhanh (R t/f )

Tỉ số Rt/f có thể được tính bằng cách chiếu đồng thời một monitor thông lượng nhanh (F) và nhiệt (T) Các phản ứng:

F(n,x)G* : Phương trình phản ứng biễu diễn quá trình bắt neutron và giải phóng

ra các hạt x để chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích của lá dò thông lượng nhanh

Trong đó: x ={p, ,2n…}

Và T(n, )T* : Phương trình phản ứng biễu diễn quá trình bắt neutron đồng thời giải phóng tia  để chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích của lá dò thông lượng nhiệt

G , p

T , 0 T

T , 0 T F

G F , r F T

G , SP

T , SP f

Qf

f M

M.A

AR

 : tiết diện trung bình phổ neutron phân hạch của 235U

Bảng 2.1: Một số thông số cần thiết của các monitor

2.5 Xác định thông lƣợng (neutron nhiệt, trên nhiệt và nhanh)

2.5.1 Thông lƣợng neutron nhiệt

Thông lượng neutron nhiệt được định nghĩa như sau:

0 A

T SP

th

.Qf

f N

M

: Độ lệch phổ neutron trên nhiệt độ dạng 1  

E /

429 , 0 Q I

Q

cd r

0 0

0 0

E

dEE

Ecd: Năng lượng ngưỡng Cd (Ecd = 0,55eV)

Dựa vào khái niệm năng lượng hưởng hiệu dụng Er, (2.6) được viết lại:

 

0,55 2 1

.429,0E

.429,0I

r

0 0

E

dEE

Trong quá trình phát triển chương trình K0 – NAA, cho đến nay người ta đã xác định chính xác các giá trị Q0 dựa trên phép đo Cd và tổng hợp lại một bộ số hiệu tin cậy của 114 phản ứng (n ,)

2.5.2 Thông lƣợng neutron trên nhiệt

Đem chiếu monitor dưới vỏ bọc cadmium :

 

Au P

Au 0

A Cd

Au SP

ep

I.N

M

Trong đó: (ASP)Cd tốc độ đếm riêng dưới vỏ bọc Cadmium

2.5.3 Thông lƣợng neutron nhanh

F F

G , sp f

.

M

Cd

G

Q.G.1R.F

Trong đó:

FCd: Hệ số truyền qua Cd đối với neutron trên nhiệt độ, RCd là tỉ số Cadmium

Gth: Hệ số tự che chắn neutron nhiệt

Ge: Hệ số tự che chắn neutron trên nhiệt

Các monitor thích hợp nhất để xác định f bằng phương pháp này là 197Au(n,

)198Au, 59Co(n, )60Co

2.6.2 Phương pháp chiếu trần

Dùng monitor Zr chiếu trần các phản ứng 94Zr(n,)195Zr 196Zr(n, )97Zr/97mNb xảy ra

Au , 0

Au , 0 1 , th 2 , SP

1 , SP 2 , th

2 , 0 2 , SP

1 , SP 2 , e 1

, 0 2 , p

1 , p

Au , 0

Au , 0 1 , e

.2k

1k.GA

A.G

Q.A

A.GQ

2k

1k.Gf

Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH K0-IAEA

3.1: Giới thiệu chương trình Ko –IAEA

 Vào đầu tháng giêng năm 2005 chương trình Ko-IAEA đã chính thức đi vào hoạt động trong một cuộc họp báo ở phòng năng lượng nguyên tử phục vụ mục đích hòa bình ở Bangkok, Thái Lan Chương trình này được phát triển bởi Marcio Bacchi

và Menno Blaauw dưới những yêu cầu cầp bách từ IAEA Chương trình này có giá trị miễn phí Những ai quan tâm đến chương trình này xin vui lòng gửi email đến văn phòng Matthias Rossbach của IAEA để được cập nhật những thông tin mới nhất liên quan đến chương trình [5]

Việc phân tích hàm lượng của nguyên tố có trong mẫu khi sử dụng phương pháp

K0-NAA đều dựa trên hằng số k0 đã được chuẩn hóa Hằng số k0 được tìm ra gần đây nhất là vào tháng 1 năm 1997 ở Viện IRI trực thuộc Delft với giá trị là 0.30 barn (giá trị cũ là 0.23 barn), do Blaauw và Lin Xilei làm việc ở viện hóa học phóng xạ Munchen Hàn Quốc tìm ra [5]

 Trước khi sử dụng chương trình một điều cần lưu ý đối với phân tích là cần nắm những thông tin về cấu trúc của chương trình và các file liên quan

Mỗi một loại thông tin dưới đây sẽ được lưu trữ theo những con đường riêng Một vài thông tin như thời gian bán hủy của nhân phóng xạ, giản đồ phân rã và hằng số k0được coi như là những giá trị không thay đổi

Tất cả các dữ liệu được lưu trữ trong tập tin K0-IAEA\inaa-sys\catalogs IAEA sẽ thường xuyên cập nhật các files và những phiên bản mới có giá trị từ website Agency [5]

Cấu hình detector, phương tiện chiếu xạ và quá trình hiệu chuẩn là những thông tin cần thiết mang tính đặc thù đối với từng thí nghiệm riêng Hồ sơ của các cấu trúc vật liệu và nguồn đã hiệu chuẩn phải được quản lý một cách chặt chẽ Tất cả các thông tin này được lưu trữ trong k0-IAEA\inaa-sys\pernament-data.koi [3]

3.2: Phương pháp đọc File (phổ)

- Trước khi bắt đầu sử dụng chương trình trong việc phân tích hàm lượng pxngười sử dụng cần làm quen với cơ sở của IAEA và Ko- IAEA Việc hỗ trợ các chủ

đề này được trình bày trong File help

- Sau đó người sử dụng cần hiểu biết sơ lược những thông tin về tổ chức của chương trình với các file liên quan Dưới đây là các bước mà người sử dụng chương trình cần nắm:

Bước 1: Soạn thảo permanent database và nhập thông tin detector với điều kiện chiếu bạn sắp sử dụng

Bước 2: Hiệụ chuẩn detector tương ứng với năng lượng theo số kênh , độ rộng đỉnh theo năng lượng photon để các diện tích đỉnh có thể xác định từ hàm lượng kênh (channel content) thô (nó liên quan mật thiết đối với việc xác định tốc độ đếm phông )

Bước 3: Hiệu chuẩn hiệu suất detector

Bước 4: Mô tả điều kiện chiếu

Bước 5: Phân tích mẫu và báo cáo

Từ bước 1 đến bước 5 tất cả đều liên quan đến chuỗi của mẫu và phổ kết hợp Vì vậy người sử dụng cần sử dụng lệnh Edit/series database để tạo Series và các mẫu mỗi khi thực hiện

3.2.1: Trình đơn File [5]

File menu cho các lệnh sau :

- New : Sử dụng lệnh này để tạo một chuỗi(series) mới trong Ko-IAEA

- Open: Dùng để mở một series đang có bằng File open dialogbox Nếu một Series mở rồi ,nó sẽ được lưu và đóng tự động trước khi mở một Series mới

- Report: tạo và lưu báo cáo của các series hiện hành, chỉ thực hiện việc báo cáo đối với các mẫu thông thường ,vỏ bọc mẫu và các vật liệu tham khảo

- Close: Đóng một series đang mở

- Exit : Thoát khỏi chương trình Ko-IAEA

Bạn cũng có thể sử dụng lệnh Close trên Control menu, Ko-IAEA nhắc nhở bạn lưu các document với những thay đổi chưa lưu

3.2.2: Trình đơn Edit[5]

- Sereies database : Gọi chương trình soạn thảo nguồn (permanent) bên ngoài

- Permanent database: gọi chương trình soạn thảo dữ liệu nguồn (permanent database) bên ngoài

- Select sample: Chọn mẫu quan tâm trong chuỗi (series)

- Next sample : Chọn mẫu quan tâm kế tiếp trong chuỗi (series)

- Previuos sample: Chọn mẫu quan tâm trước đó Mẫu này và phổ của nó họăc các dữ liệu liên quan sẽ được hiển thị

- Map fluxes : Tạo một bản đồ thông lượng trong vật chất chiếu xạ , xác định thông lượng của mẫu từ thông lượng quan sát được bằng comparator

- Interpret selected sample: Thông dịch mẫu được chọn

+ Nếu mẫu là nguồn hiệu chuẩn thì các đường cong hiệu suất sẽ được xác định + Nếu mẫu là mẫu thông thường, tất cả các phổ của mẫu sẽ được thông dịch cùng một lúc

+Nếu mẫu là mẫu so sánh (comparator), các thông số thông lượng sẽ được tính dựa vào Interpret option setting

- Option for interpretation: Thiết lập một số lựa chọn ảnh hưởng đến quá trình thông dịch

- Fit peaks in spectrum: Xác định diện tích đỉnh và năng lượng đỉnh phổ

3.2.3 Trình đơn phân tích phổ (Spectrum analysis)[5]

Không chọn được tùy chọn nào trong menu này, nếu bạn không chọn một phổ cụ thể nào bằng View/ select spectrum of interest

-Perform pear seach: Biễu diễn sự tìm đỉnh

+ Đối với các detertor chưa được hiệu chuẩn thì độ rộng của phin lọc được xác định bằng cách thiết lâp “FWHM for smoothing” bằng hộp thoại Edit/ options for interpretation

+ Đối với các detector có sự hiệu chuẩn trong cơ sở dữ liệu nguồn (permanent database) thì độ rộng của phin lọc lấy từ việc hiệu chuẩn hình dạng và được điều chỉnh như độ rộng của các đỉnh tăng lên từ năng lượng thấp đến năng lượng cao