Nghiên cứu phát triển phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng trên lò phản ứng hạt nhân đà lạt để xác định các hạt nhân sống ngắn tt

Phân tích kích hoạt neutron lặp vòng hay còn gọi tắt là kích hoạt lặp vòng - CNAA được xem là một phương pháp bổ sung cho kỹ thuật NAA dùng để xác định nguyên tố thông qua hạt nhân sống

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

HỒ VĂN DOANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG TRÊN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

2

Công trình được hoàn thành tại:

Viện Nghiên cứu hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học:

TS Hồ Mạnh Dũng PGS TS Nguyễn Nhị Điền

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp viện chấm luận án tiến sĩ họp tại: ………

……… Vào hồi ……… giờ … ngày … tháng … năm …

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Thư viện Trung tâm Đào tạo hạt nhân

3

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron (NAA) trên lò phản ứng có khả năng xác định khoảng 70 nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn [1] Trong đó, nhiều nguyên tố cần thời gian phân tích khá dài vì chúng được xác định dựa vào các hạt nhân

có chu kỳ bán hủy dài (hay còn gọi là hạt nhân sống dài), chẳng hạn như 75Se (T1/2 = 120 ngày), 46Sc (T1/2 = 84 ngày), 181Hf (T1/2

= 42 ngày) và 110mAg (T1/2 = 250 ngày) Để đạt được độ nhạy yêu cầu thì tổng thời gian chiếu – rã – đo có thể từ vài ngày đến vài tuần Điều này làm giảm tính cạnh tranh của NAA so với các

kỹ thuật phân tích khác Với các hạt nhân có chu kỳ bán hủy ngắn (hay còn gọi là hạt nhân sống ngắn) như 77mSe (T1/2 = 17,45 giây), 46mSc (T1/2 = 18,75 giây), 179mHf (T1/2 = 18,68 giây) và 110Ag (T1/2

= 24,60 giây) của cùng một nguyên tố với các hạt nhân sống dài,

có thể giảm đáng kể thời gian phân tích, do đó có thể tăng số lượng mẫu đo được trong cùng thời gian Vì vậy, nếu khai thác

sử dụng các hạt nhân sống ngắn trong kỹ thuật NAA sẽ mang lại hiệu quả và tăng tính cạnh tranh so với các kỹ thuật phân tích khác Hơn nữa, nhiều nguyên tố có thể được xác định bằng kỹ thuật NAA thông qua chỉ một hạt nhân sống ngắn duy nhất như

20F (T1/2 = 11,03 giây), 19O (T1/2 = 26,9 giây), 207mPb (T1/2 = 0,8 giây), 28Al (T1/2 = 2,24 phút), 52V (T1/2 = 3,75 phút), 51Ti (T1/2 = 5,76 phút), v.v Điều này mở rộng khả năng phân tích so với việc

sử dụng hạt nhân sống dài trong kỹ thuật NAA Do đó, sử dụng NAA để phân tích các nguyên tố thông qua các hạt nhân sống ngắn ngày càng thu hút được nhiều sự chú ý [2] Tuy nhiên, một

số vấn đề khi sử dụng hạt nhân sống ngắn trong NAA là thời gian

4

chiếu và thời gian đo bị hạn chế dẫn đến thống kê đếm cũng như

độ chính xác của phép đo không đạt yêu cầu đối với hầu hết các đối tượng mẫu quan tâm Vấn đề này có thể được cải thiện nhờ

áp dụng phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (CNAA) Trong CNAA, mẫu được chiếu và đo lặp lại nhiều lần

để tích lũy số đếm thống kê trong phổ gamma, từ đó cải thiện giới hạn phát hiện nguyên tố cần xác định trong mẫu [3] Phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (hay còn gọi tắt là kích hoạt lặp vòng - CNAA) được xem là một phương pháp bổ sung cho kỹ thuật NAA dùng để xác định nguyên tố thông qua hạt nhân sống ngắn Khoảng hơn 20 nguyên tố có các hạt nhân sống ngắn được xác định bằng CNAA Từ năm 1960, phương pháp này đã được đề xuất [4], sau đó phát triển nhanh chóng vào thập niên 80 Từ đó đến nay, phương pháp CNAA được áp dụng rộng rãi bởi có nhiều ưu điểm như: (1) Thời gian phân tích nhanh nhờ sử dụng các hạt nhân sống ngắn; (2) Cải thiện đáng kể giới hạn phát hiện và độ chính xác của phép phân tích; (3) Cho phép xác định đa nguyên tố thông qua các hạt nhân sống ngắn và trung bình; (4) Cho phép đánh giá được độ đồng nhất của mẫu bằng cách chia mẫu để phân tích nhiều phần khác nhau với nhiều vòng lặp đơn lẻ Hơn nữa, việc chiếu và đo lặp lại nhiều lần sẽ tránh được sai số ngẫu nhiên

Tuy nhiên, phương pháp CNAA cũng có những nhược điểm như: (1) Qui trình thực nghiệm khá phức tạp bởi chiếu - đo lặp lại nhiều lần cho cả mẫu cần phân tích và mẫu chuẩn để áp dụng phương pháp tương đối nhằm tính toán hàm lượng nguyên

tố quan tâm; (2) Trong CNAA để xác định các hạt nhân sống ngắn, việc thực hiện phép đo ngay sau khi chiếu cũng như chiếu

5

và đo lặp lại nhiều lần dẫn đến thời gian chết rất cao, thường lớn hơn 20% Điều này dẫn đến sai số lớn trong việc xác định số đếm đỉnh của hạt nhân quan tâm [5]

Vì vậy, trong luận án của tác giả, phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng dựa vào chuẩn hóa k0 (k0-CNAA) đã được nghiên cứu phát triển cùng với một số hiệu chính để khắc phục các nhược điểm nêu trên nhằm xác định một số hạt nhân sống ngắn như: 77mSe, 110Ag, 179mHf, 46mSc, 165mDy, v.v… Tất cả các thí nghiệm trong luận án này được thực hiện trên hệ phân tích kích hoạt lặp vòng tại LPƯĐL ở mức công suất danh định 500 kW Phần mềm k0-IAEA sau khi nâng cấp bởi Dr Menno Blaauw cho k0-CNAA đã được nghiên cứu và áp dụng lần đầu tiên tại LPƯĐL để xử lý phổ tích lũy trong phương pháp k0-CNAA Ngoài ra, hệ kích hoạt lặp vòng đã được nâng cấp thông qua Đề tài cấp Bộ giai đoạn 2015 – 2016, nên một số hiệu chính liên quan đến phương pháp k0-CNAA cũng được thực hiện trong nghiên cứu này

Qua kết quả nghiên cứu của luận án, phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng dựa trên chuẩn hóa k0 (k0-CNAA) đã được phát triển và ứng dụng tại Lò phản ứng hạt nhân

Đà Lạt Phương pháp k0-CNAA cho kết quả nhanh, tin cậy và có

độ nhạy cao cho phép xác định các nguyên tố vi lượng có tính chất chỉ thị dùng trong nghiên cứu y – sinh học và môi trường

6

Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về phương pháp CNAA

Nhu cầu về các kỹ thuật phân tích nhanh, tin cậy cùng với yêu cầu độ nhạy cao để xác định các nguyên tố vi lượng và khả năng phân tích đa nguyên tố, đặc biệt liên quan đến các chương trình quan trắc và nghiên cứu môi trường (cần phân tích một số lượng lớn mẫu) đã thúc đẩy sự phát triển của phương pháp kích hoạt lặp vòng Ngoài sự cạnh tranh về yếu tố thương mại so với các kỹ thuật phân tích khác, một lý do khác mà CNAA phương pháp ngày càng nhận được nhiều mối quan tâm là do một số hạt nhân sống ngắn là đối tượng nghiên cứu chỉ thị liên quan đến các vấn đề về môi trường và y sinh [5] Khoảng 20 nguyên tố có hạt nhân sống ngắn với thời gian bán rã dưới 100 giây được phân tích bằng phương pháp CNAA được liệt kê trong Bảng 1.1 Trong thời gian gần đây, nhiều thiết bị dùng cho CNAA đã được nghiên cứu thiết kế và lắp đặt như ở Anh, Mỹ, Hàn Quốc và Áo cùng với phương pháp luận và hàng loạt các nghiên cứu ứng dụng đã được thực hiện

Bảng 1.1: Số liệu hạt nhân của một số nguyên tố được xác định bằng CNAA thông qua các hạt nhân sống ngắn [3]

TT Ng

tố Phản ứng hạt nhân Hạt nhân ,

%

T 1/2 , giây E

γ , keV

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước về phương pháp CNAA

Năm 2013, qua dự án viện trợ kỹ thuật (RER/4/028) của IAEA, LPƯĐL đã được trang bị một hệ chuyển mẫu bằng khí nén phục vụ cho việc kích hoạt mẫu ở hai vị trí chiếu là Kênh 13-

2 và Cột nhiệt Hệ này được áp dụng để xác định hàm lượng của các nguyên tố thông qua các hạt nhân sống ngắn Tuy nhiên, độ chính xác và giới hạn phát hiện thì chưa tốt ở mức hàm lượng dưới ppm Sau đó, các nỗ lực nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện độ nhạy bằng việc áp dụng các phương pháp kích hoạt lặp vòng khác nhau, bao gồm lặp vòng (CNAA) can thiệp bằng tay, giả lặp vòng (Pseudo-CNAA hay PCNAA), chiếu mẫu lặp (Replicate-NAA hay Re-NAA) và kết hợp Re-NAA với CNAA hoặc PCNAA Kết quả khảo sát cho thấy các kỹ thuật này có khả năng xác định tốt một số nguyên tố thông qua hạt nhân sống ngắn, kết quả khảo sát được trình bày chi tiết trong bài báo của chính tác giả [6]

8

1.3 Phương pháp CNAA theo chuẩn hóa k0

Phương pháp k0-CNAA đã được nghiên cứu lần đầu tiên năm 2012 [7] Tại thời điểm đó, chương trình k0-IAEA được nghiên cứu áp dụng với các bước xử lý phổ bằng tay vì tại thời điểm đó chương trình này chưa được nâng cấp cho k0-CNAA Hiệu chính về thời gian chết chưa được đề cập đến trong phép tính k0-CNAA

Theo đề xuất của Nghiên cứu sinh vào năm 2016, ông Menno Blaauw, tác giả của chương trình k0-IAEA đã đến và làm việc tại Viện Nghiên cứu hạt nhân nhằm nâng cấp phần mềm k0-IAEA cho việc xử lý số liệu của k0-CNAA Trong thời gian này,

lò phản ứng Đà Lạt đã hoạt động định kỳ theo kế hoạch, nhờ đó các thí nghiệm phục vụ việc thử nghiệm phần mềm cũng đã được tiến hành Phần mềm k0-IAEA hiện nay đã có thể được áp dụng cho CNAA Chức năng này được xem là mới của phần mềm k0-IAEA, phiên bản k0-IAEA V.8 được sử dụng cho mục đích áp dụng k0-CNAA trên phần mềm k0-IAEA

1.4 Thời gian chết và chồng chập xung

Trong phân tích kích hoạt neutron tại LPƯĐL, thời gian chết khoảng 10  20% khi thực hiện các phép đo để xác định nhóm các hạt nhân sống ngắn như 28Al, 51Ti, 52V, 49Ca và 27Mg

có chu kỳ bán rã khoảng 2  10 phút Thời gian chết có thể lên đến 20  50% khi đo để xác định nhóm các hạt nhân có chu kỳ bán rã ngắn hơn như 77mSe, 110Ag, 179mHf và 46mSc có chu kỳ bán

rã dưới 100 giây Ngoài ra, khi áp dụng phương pháp CNAA, mẫu được chiếu và đo lại nhiều lần để tích lũy số đếm, cũng đồng nghĩa với việc hoạt độ tổng của mẫu tăng liên tục dẫn đến thời

9

gian chết rất cao Do đó một phần số đếm không được ghi nhận

bởi hệ đo do thời gian chết cao và chồng chập xung [8-9]

Thông thường, mẫu có hoạt độ thấp (thời gian chết dưới

10%) và không thay đổi trong suốt quá trình đo thì số đếm được

hiệu chính theo kỹ thuật “Live-Time-Clock” (LTC – đồng hồ đo

thời gian sống) Kỹ thuật LTC hiệu chính sự mất số đếm bằng

cách kéo dài thời gian đo để bổ sung số đếm bị mất Tuy nhiên,

kỹ thuật này không phù hợp vì các hạt nhân sống ngắn rã rất

nhanh nên cần phải đo trong khoảng thời gian rất ngắn Hơn nữa,

hoạt độ của các hạt nhân sống ngắn giảm rất nhanh sau khi chiếu,

dẫn đến thời gian chết cũng thay đổi nhanh chóng trong quá trình

đo, trong khi kỹ thuật LTC chỉ phù hợp với phép đo mà thời gian

chết gần như không thay đổi

Các kỹ thuật “Loss-Free Counting” (LFC – số đếm không

bị mất trong khi đo) và “Zero Dead-Time” (ZDT – thời gian chết

bằng không) là những kỹ thuật mạnh nhất để hiệu chính sự mất

số đếm ở thời gian chết cao và biến đổi nhanh trong phổ kế hạt

nhân, đặc biệt là các ứng dụng kỹ thuật phân tích kích hoạt đo

các hạt nhân sống rất ngắn Bằng cách thực hiện nhiều phép toán

hiệu chính cho phổ thay vì một lần như kỹ thuật LTC, cho nên về

cơ bản kỹ thuật LFC có khả năng khôi phục tốt hầu hết các sự

kiện bị mất của hệ phổ kế Về nguyên lý, kỹ thuật này chia

khoảng thời gian đo thành rất nhiều khoảng thời gian rất ngắn

dựa vào tỉ số “real-time” trên “live-time”, cho nên kỹ thuật LFC

có khả năng hiệu chính tốt trường hợp tốc độ đếm thay đổi nhanh

cơ bản cho phương pháp k0-CNAA đã được xây dựng để tính toán hàm lượng nguyên tố, ước tính độ không đảm bảo đo và giới hạn phát hiện Bên cạnh đó, dựa vào việc khảo sát thực nghiệm, công thức hiệu chính mất số đếm khi đo mẫu ở thời gian chết cao trong CNAA đã được đề xuất

2.1 Lý thuyết phương pháp phân tích kích hoạt neutron

Từ cơ sở lý thuyết của quá trình kích hoạt, phân rã và ghi

đo hoạt độ phóng xạ, phương trình tính toán hàm lượng của một nguyên tố trong kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron được xây dựng như sau:

1

εpTrong đó: ρ là hàm lượng của nguyên tố quan tâm; NP là số đếm đỉnh tại năng lượng quan tâm; tc là thời gian đo, S là hệ số bão hòa trong khi chiếu; D là hệ số hiệu chính sự phân rã; C là hệ số hiệu chính sự phân rã trong khi đo; W là khối lượng mẫu; M là khối lượng nguyên tử; NA là hằng số Avogadro;  là độ phổ biến đồng vị; γ là xác suất phát của tia gamma; Gth là hệ số hiệu chính

tự che chắn neutron nhiệt; th là thông lượng neutron nhiệt; 0 là

11

tiết diện bắt neutron nhiệt; Gepi là hệ số hiệu chính tự che chắn neutron trên nhiệt; e là thông lượng neutron trên nhiệt; I0(α) là tiết diện tích phân cộng hưởng đối với phổ neutron trên nhiệt dạng phân bố 1/E1+α

2.2 Phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng

Trong phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng, mẫu được chiếu trong một khoảng thời gian ngắn, và sau khoảng thời gian rã, mẫu được đo cũng trong một khoảng thời gian ngắn, sau đó mẫu được chiếu lại và toàn bộ quá trình được lặp lại một

số vòng lặp Số đếm của tia gamma quan tâm được tích lũy qua các vòng lặp, dẫn đến tỉ số tín hiệu trên nhiễu có thể được cải thiện Vì vậy, độ nhạy phân tích của các hạt nhân sống ngắn được cải thiện đáng kể

Từ nguyên lý của phương pháp, phương trình cơ bản để tính toán hàm lượng của một nguyên tố trong phân tích kích hoạt

neutron lặp vòng được xây dựng như sau:

1

εp Trong đó, Fc là hệ số hiệu chính số đếm tích lũy, Fc=[(1−eN−λT)−e−λT(1−e−NλT)

(1−e −λT ) ] với N là số vòng lặp;  là hằng số phân

rã; T là chu kỳ của một vòng lặp

2.3 Phương pháp CNAA theo chuẩn hóa k0

Từ phương trình cơ bản của phương pháp k0-NAA và phương trình CNAA, phương trình cơ bản để tính toán hàm lượng nguyên tố quan tâm trong mẫu bằng phương pháp k0-

CNAA được xây dựng như sau:

hệ số k0; f là tỉ số thông lượng neutron nhiệt trên thông lượng neutron trên nhiệt; Q0(α) là tỉ số tích phân cộng hưởng trên tiết diện đối với phổ neutron trên nhiệt phân bố dạng 1/E1+α; p là hiệu suất của đầu dò.

2.4 Thời gian chết và chồng chập xung

Sự phụ thuộc tốc độ đếm vào thời gian chết của đầu dò GMX-4076 đã được khảo sát và trình bày trong Hình 2.4 Số liệu chỉ ra rằng khi đo mẫu ở thời gian chết nhỏ hơn 10% thì tốc độ đếm đỉnh gần như không thay đổi nhiều, nghĩa là số đếm không

bị mất đáng kể khi đo ở thời gian chết thấp Tuy nhiên, khi đo ở thời gian chết lớn hơn 10%, tốc độ đếm của đỉnh giảm tuyến tính theo thời gian chết tăng Phần số đếm bị mất được biểu thị bằng tích giữa hệ số đặc trưng (a) của đầu dò và thời gian chết cao gây

Trong đó, A0 là hoạt độ thực; ADT là hoạt độ ghi nhận được ứng với thời gian chết; tích a × (DT − DT0) biểu thị phần số đếm bị mất trong đầu dò Với hệ số a là giá trị đặc trưng của đầu dò, biểu thị cho sự phụ thuộc của phần số đếm bị mất theo thời gian chết

13

DT là thời gian chết ứng với từng phổ đo mẫu, DT0 là giá trị thời gian chết tối đa của hệ đo khi không cần hiệu chính hiệu ứng chồng chập sự kiện trong đầu dò

Hình 2.4: Sự phụ thuộc của tốc độ đếm đỉnh vào thời gian chết

14

Chương 3 THỰC NGHIỆM CNAA TRÊN LPƯĐL

Để tiến hành thực nghiệm kiểm chứng phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng theo chuẩn hóa k0 (k0-CNAA),

hệ phân tích kích hoạt neutron lặp vòng tại Lò phản ứng hạt nhân

Đà Lạt đã được trình bày chi tiết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các thông số kỹ thuật đặc trưng, v.v Qua quá trình thực nghiệm, mẫu được chiếu và đo với các chức năng chiếu - đo lặp vòng hoàn toàn tự động Các thông số phổ neutron dùng trong k0-CNAA và

sự biến thiên thông lượng tại hai vị trí chiếu mẫu Kênh 13-2 và Cột nhiệt đã được xác định khi lò hoạt động tại công suất danh định 500 kW Hệ phổ kế GMX-4076 kết nối với hệ lặp vòng đã được hiệu chuẩn hiệu suất ứng với cấu hình đo mẫu thực tế Hiệu chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết cũng đã được thực hiện Các phổ riêng lẻ thu được qua các lần đo được cộng thành phổ tổng bằng “phần mềm tích lũy phổ” Phổ tổng ứng với số vòng lặp được xử lý thông qua phần mềm k0-IAEA phiên bản V.8 để tính hàm lượng nguyên tố, độ không đảm bảo đo và giới hạn phát hiện

Hình 3.1: Sơ đồ minh họa hệ phân tích kích hoạt lặp vòng