XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG B TRONG MẪU CAO SU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PGNAA - LUẬN VĂN VẬT LÝ HẠT NHÂN

Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệpMỞ ĐẦU Đối với Đối với các kỹ tcác kỹ thuật huật phân tích phân tích hạt nhân hạt nhân khác khác nhau như kỹ nhau như kỹ thuật phân thuật phân tích

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

I.8 Ưu điểm và nhược điểm của pược điểm của phương pháp PGNAA hương pháp PGNAA

Chương II: Thiết bị phân tích PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

II.1 II.1 Giới thiệu các Giới thiệu các hệ PGNAA sử hệ PGNAA sử dụng nguồn neutron từ dụng nguồn neutron từ lò phản ứng lò phản ứng trên thếtrên thếgiới

giới II.2 Tìm hiểu về

II.2 Tìm hiểu về vấn đề vấn đề kỹ thuật trong phương pháp Gkỹ thuật trong phương pháp GNAA NAA II.2.1 Kỹ thuật nguồn

II.2.1 Kỹ thuật nguồn neutron nhiệt chất lưneutron nhiệt chất lượng cao dùng ợng cao dùng phin lọc phin lọc II.2.2 Che chắn neutron và gamma II.2.3

II.2.3 Hệ Hệ phổ phổ kế kế II.2.4 Chuẩn năng

II.2.4 Chuẩn năng lượng và chuẩn hlượng và chuẩn hiệu suất iệu suất

Chương III: Các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp Chương III: Các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp phân tích PGNAA phân tích PGNAA

III.1 Ảnh III.1 Ảnh hưởng của hưởng của kích thước kích thước mẫu mẫu III.2

III.2 Ảnh Ảnh hưởng hưởng của của hydro hydro III.3 Các

III.3 Các hạt nhâhạt nhân cản cản trở n trở III.4 Ảnh

III.4 Ảnh hưởng hưởng của của phông phông gamma gamma

Chương Chương IV: IV: Áp Áp dụng dụng phương phương pháp pháp PGNAA PGNAA để để phân phân tích tích Boron Boron

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

B IV.3.5 Phân tích

IV.3.5 Phân tích hàm lượng hàm lượng B trong B trong mẫu cao mẫu cao su su

Chương V: Kết luận

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

MỞ ĐẦU  

Đối với Đối với các kỹ tcác kỹ thuật huật phân tích phân tích hạt nhân hạt nhân khác khác nhau như kỹ nhau như kỹ thuật phân thuật phân tíchtíchkích hoạt neutron dụng cụ (INAA), kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron có xử lý

hoá (RNAA) và kỹ thuật phân tích kích hoạt gamma tức thời PGNAA thì phươngpháp phân tích PGNAA có nhiều ưu điểm như: phân tích nhanh, phân tích đượcđồng thời các nguyên tố có mặt trong mẫu, các mẫu sau khi phân tích bằngphương pháp này lại có thể dùng được cho các phương pháp phân tích khác,không huỷ mẫu, không bị nhiễm bẩn trong quá trình phân tích và độ phóng xạ dưcủa mẫu rất

của mẫu rất thấp, thấp, đặc biệt thuận lđặc biệt thuận lợi cho việc phân ợi cho việc phân tích nhiều nguyên tố tích nhiều nguyên tố nhe nhưnhe như

được và được ứng dụng ở nhiều nước nước trên thế giới cũng như trên thế giới cũng như ở Việt Nam.ở Việt Nam

Trên thế giới phương pháp này đã được phát triển từ lâu ở nhiều nước như

có thể xác định được hàcó thể xác định được hàm lượng gần 73 nguyên tốm lượng gần 73 nguyên tố, trong nhiều dạng , trong nhiều dạng mẫu khácmẫu khácnhau như địa chất, sinh học, môi trường, dầu khí… Áp dụng phương pháp này, người ta đã phân tích thành công các nguyên tố nhẹ như H, B, C, S, N, O… với độ

nhạy tương đối cao

Ơû Việt Nam,

Ơû Việt Nam, từ trước đến nay các nhà từ trước đến nay các nhà khoa học không ngừng khoa học không ngừng nghiên cứunghiên cứuvề phương pháp này

về phương pháp này và đã đưa vào ứng và đã đưa vào ứng dụng trong sản xuất cũng dụng trong sản xuất cũng như đời sống.như đời sống.Các kết quả đã được liệt kê trong các bài báo hoặc báo cáo công trình khoa học

Tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, từ năm 1986 thiết bị phân tích PGNAAđã được xây dựng t

đã được xây dựng tại kênh ngang số 3 ại kênh ngang số 3 và kênh xuyên tâm và kênh xuyên tâm số 4 Ở số 4 Ở đây đây đã cóđã cómột số kết quả nghiên cứu và ứng dụng dựa vào thiết bị này Bằng thiết bị phântích PGNAA,

tích PGNAA, các mẫu như: các mẫu như: sinh sinh học, môi trường, học, môi trường, địa chất, dầuđịa chất, dầu khí… được phân

tích Kết quả được báo cáo trong các proceeding của hội nghị trong nước và quốc

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

tế Một số luận văn tốt nghiệp đại học và luận án thạc sĩ đã được thực hiện trênthiết bị này

Thiết bị Thiết bị phân tích PGNAA phân tích PGNAA tại kênh số 4 tại kênh số 4 của lò phản của lò phản ứng hạt nhân ứng hạt nhân ĐàĐàLạt đã được thiết kế lại với mục đích nhằm cải thiện các đặc trưng của thiết bịnhư tăng thông lượng neutron và tỷ số Cd tại vị trí chiếu mẫu, giảm phông bức xạgamma cho hệ đo gamma tức thời Từ đó nâng cao khả năng phân tích xác địnhhàm lượng nguyên tố có mặt trong mẫu cũng như giới hạn xác định hàm lượngnguyên tố

nguyên tố Luận văn Luận văn này tôi này tôi tiến hành tiến hành nghiên cứu phương nghiên cứu phương pháp PGNAA pháp PGNAA trên trên hệhệthiết bị

thiết bị vừa vừa mới thiết mới thiết kế này.kế này

Do nhu cầu phân tích B trong mẫu sinh học là rất lớn, lại không kinh tếkhi phân

khi phân tích bằng tích bằng các phương pháp các phương pháp khác như: khác như: ICP-AES (inductively coupledICP-AES (inductively coupledplasma-atomic emission spectrometry), quang phổ, RNAA do huỷ mẫu và tốnhoá chất

hoá chất Nhưng với Nhưng với phương pháp phương pháp PGNAA lPGNAA lại cho ại cho độ nhạy độ nhạy cao.cao

Do sự có mặt của B trong mẫu cao su cần phải được quan tâm vì sự có mặtcủa nó sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của cao su

Trong khuôn khổ luận văn tập trung giải quyết bài toán: “Xác định hàmlượng B trong mẫu cao su bằng phương pháp PGNAA”

Luận văn gồm:

Mở  đầuChương I: Tổng quan lý thuyết về phương pháp PGNAA

Chương II: Kỹ thuật phân tích PGNAA tại lò Chương II: Kỹ thuật phân tích PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đaphản ứng hạt nhân Đà Lạt.ø Lạt

Chương III: Các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp phân tích PGNAA

Chương IV : Áp dụng phương Chương IV : Áp dụng phương pháp phân tích PGNAA để phân tích pháp phân tích PGNAA để phân tích Boron.Boron

Kết luận

Trong luận Trong luận văn này văn này mục tiêu mục tiêu mới chỉ mới chỉ ““Xác định hàm lượng B trong mẫucao su bằng phương pháp PGNAA” bằng phương pháp PGNAA” và và được giải quyết được giải quyết trong điều kiện trong điều kiện còn có còn có

nhiều hạn chế về nhiều hạn chế về thời gian, thời gian, kiến thức, kinh kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn và nghiệm chuyên môn và bước đầubước đầutiếp xúc với

tiếp xúc với thực nghiệm nên thực nghiệm nên còn rất bỡ còn rất bỡ ngỡ Do vậy, ngỡ Do vậy, không thể tránh không thể tránh khỏikhỏinhững t

những thiếu sót hiếu sót về về mặt mặt nội nội dung dung cũng như cũng như quá quá trình trình trình trình bày Kbày Kính ính mong mong quýquý

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

Thầy, Cô và các bạn Sinh Thầy, Cô và các bạn Sinh Viên thông cảm và góp Viên thông cảm và góp ý ý để cho bản luận văn để cho bản luận văn đượcđượchoàn thiện hơn Xin chân thành cả

hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn!m ơn!

Chương I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ

I.1 Định nghĩa phương pháp PGNAA

Phương phương PGNAA là phương pháp phân tích đồng vị và nguyên tốbằng cách đo gamma tức thời phát ra từ phản ứng bắt hoặc phản ứng tán xạkhông ï đàn hồi khi mẫu được chiếu bởi trường neutron

PGNAA sử dụng nguồn phóng xạ lớn (neutron) để kích hoạt và phát hiệntia gamma, nó chịu hiệu ứng matrix không nhiều so với những phương pháp phântích

tích huỷ mẫu huỷ mẫu khác khác mà sử mà sử dụng những dụng những tia X tia X hoặc những hoặc những hạt hạt tích đitích điện ện để phânđể phântích

tích Do đó, Do đó, phương pháp PGNAA phương pháp PGNAA thích hợp để thích hợp để phân tích mẫu phân tích mẫu Hơn nữa Hơn nữa phươngphươngpháp PGNAA có thể phân tích

pháp PGNAA có thể phân tích các nguyên tố nhẹ như các nguyên tố nhẹ như B, H, N, S ,Si B, H, N, S ,Si và phóng xạvà phóng xạ

dư là không đáng kể,

dư là không đáng kể, đặc biệt thích hợp cho phân tđặc biệt thích hợp cho phân tích mẫu khảo cổ học.ích mẫu khảo cổ học

Những nguồn neutron được dùng trong phương pháp PGNAA : dòngneutron từ lò phản ứng, những nguồn đồng vị như: 252Cf , 241Am-Be, 239Pu-Be vàmáy

máy neutron dựa trên neutron dựa trên các máy gia các máy gia tốc tốc

Tuy nhiên t

Tuy nhiên thay vì hay vì thông lượng neutrthông lượng neutron thấp những on thấp những nguồn neutron nguồn neutron như:như:nguồn đồng vị, máy phát neutron sử dụng máy gia tốc thuận lợi để sử dụng trongsuốt quá trình thăm dò địa chất, phân tích quặng than đá và khoáng sản, chuẩnđoán y học, phát hiện chất dễ cháy ở sân bay hay bến cảng

Dựa trên định Dựa trên định nghĩa về phương pháp PGNAA nghĩa về phương pháp PGNAA ta có nguyên tắc ta có nguyên tắc phân tíchphân tíchcủa

của phương phương pháp pháp như như sau:sau:

I.2 Nguyên lý của phương pháp PGNAA

Cơ sở của phương pháp phân tích kích hoạt nói chung là dựa trên phảnứng hạt nhân (n,  ) Nguyên tắc chung là bắn phá mẫu bằng chùm neutron Doneutron là hạt trung hoà, không lệch bởi trường vật chất nên đa số các trườnghợp thường dùng

hợp thường dùng dòng neutron để dòng neutron để bắn mẫu Khi tbắn mẫu Khi tương tác với ương tác với mẫu nếu năngmẫu nếu nănglượng neutron vượt quá năng

lượng neutron vượt quá năng lượng liên kết của lượng liên kết của hạt nhân hạt nhân trong mẫu thì sẽ trong mẫu thì sẽ xảy raxảy ra

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

phản ứng hạt nhân và tạo thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích, trạngthái kích thích này tồn tại với thời gian sống trung bình rất ngắn khoảng 10-14s.Trong khoảng thời gian này để khử trạng thái kích thích (Chuyển về trạng thái cơbản), hạt nhân hợp phần phát tia gamma tức thời đặc trưng và trở thành đồng vịphóng xạ hoặc hạt nhân bền Phản ứng hạt nhân tiêu biểu cho quá trình nói trênlà:

On11   ++ ZXA    ((ZXA+1))**  ZXA+1   ++    

Trong Trong đó: đó: Z Z : : là là điện điện tích tích của của hạt hạt nhân nhân bia bia X.X

A

A : : Là Là số số khối khối của của hạt hạt nhân nhân bia bia X.X

Dùng hệ phổ kế gamma để ghi nhận, ta sẽ thu được phổ gamma biểu diễncho sự

cho sự phụ thuộc giphụ thuộc giữa năng lượng ữa năng lượng và số và số đếm Xử đếm Xử lý phổ lý phổ gamma này gamma này ta có ta có thểthểxác định được định tính hay định lượng các thành

xác định được định tính hay định lượng các thành phần của các phần của các nguyên tố có mặtnguyên tố có mặttrong

trong mẫu mẫu Năng lNăng lượng và ượng và cường đôï cường đôï của tcủa tia gamia gamma ma sẽ cho sẽ cho chúng ta chúng ta biết biết tên tên vàvàhàm lượng của

hàm lượng của nguyên tố có tnguyên tố có trong mẫu rong mẫu

Ta có sơ đồ biểu diễn quá trình bắt neutron tiêu biểu của NAA như sau:

Hình I.2.1: sơ đồ biểu diễn quá trình bắt neutron tiêu biểu của NAA

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

Trong phương pháp PGNAA quá trình chiếu mẫu và đo phổ được thựchiện đồng thời (Ti=Tc) do vậy phổ thu được bao gồm cả gamma tức thời vàgamma trễ của một số đồng vị có chu kỳ bán huỷ ngắn (T1/2: giây đến vài phút).Từ đó ta cũng có thể sử dụng phổ thu được để xác định một số nguyên tố bằngphương pháp gamma trễ

II 33 Phương trình cơ bản

Tốc đôï kích hoạt được cho bới biểu thức sau:

Trong đó:     : : Độ Độ phổ phổ biến biến đồng đồng vị vị (%).(%)

M : : Hàm Hàm lượng lượng nguyên nguyên tố tố quan quan tâm tâm (ppm).(ppm).  

G : : Khối Khối lượng lượng mẫu mẫu (g).(g)

NA ::  Số avogadro (NA=6,023 1023 nguyên tử/mol)

A : : Số Số khối khối của của nguyên nguyên tố tố cần cần quan quan tâm (g/mol).tâm (g/mol)

Fn : : Hệ Hệ số số hiệu hiệu chỉnh chỉnh sự sự tự tự hấp hấp thụ thụ nentron nentron trong trong mẫumẫuđược tính theo biểu thức sau:

Nii   :Số :Số hạt hạt nhân nhân trong trong nguyên nguyên tố tố thứ thứ i.i

d : : Độ Độ dày dày khối khối của của mẫu(g.cmmẫu(g.cm-2)

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

     : : Tiết Tiết diện diện bắt bắt neutron neutron nhiệt nhiệt (barn).(barn)

Khi đó tốc Khi đó tốc độ đếm đỉnh độ đếm đỉnh được được xác định theo xác định theo phương trình sau:phương trình sau:

C : : Tốc Tốc độ độ đếm đếm thực thực (cps).(cps)

C00 : : Tốc độ Tốc độ đếm đếm phông (cps).phông (cps)

a

  f    : Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp  : Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ giữa nguồn và detector.thụ giữa nguồn và detector

 

     : : Hiệu Hiệu suất suất ghi của ghi của hệ phổ hệ phổ kế kế đối với đối với đỉnh quan đỉnh quan tâm tâm (%).(%)

 I     : Cường độ phát : Cường độ phát gamma được đo trong gamma được đo trong đơn vị số photon đơn vị số photon phát raphát ratrong một 100 sự kiện bắt neutron

Từ (I.3.1) và (I.3.3) ta có

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

Từ phương trình (I.3.4) ta thấy rằng tốc độ đếm tỷ lệ với hàm lượng củanguyên tố phát tia gamma

nguyên tố phát tia gamma tương ứng trong mẫu tương ứng trong mẫu và từ (I.3.4) ta và từ (I.3.4) ta suy ra công thứcsuy ra công thứctính hàm lượng và đây là phương trình cơ bản của phương pháp PGNAA

pháp khác nhằm loại bỏ sự khác nhằm loại bỏ sự có mặt của các có mặt của các tham số này.tham số này

I.4 Các phương pháp định lượng I.4.1 Phương pháp tuyệt đối

Tính toán trên phổ gamma tức thời sẽ biết được giá trị của diện tích đỉnhquan tâm (số đếm tổng của đỉnh).  

Từ phương trình (I.3.5) với cách đặt S=(C-Coo) T là giá trị của diện tíchđỉnh cần quan tâm (T: là thời gian ch

đỉnh cần quan tâm (T: là thời gian chiếu = thời gian đo (s))iếu = thời gian đo (s))

Khi đó hàm lượng của nguyên tố được xác định theo công thức:

.  A (( o o th th epi )) n a

S

S A A m

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

I.4.2 Phương pháp so sánh

Với phương pháp này ta phải sử dụng mẫu chuẩn Mẫu chuẩn và mẫuphân tích phải được chiếu và đo trong cùng điều kiện thiết bị và hình học nhưnhau Hàm lượng củ

nhau Hàm lượng của nguyên tố quan tâm a nguyên tố quan tâm trong mẫu trong mẫu chuẩn là được biết chuẩn là được biết với độvới độchính xác đáng

chính xác đáng tin cậy sẽ tin cậy sẽ được được dùng để xác định dùng để xác định hàm lượng của các hàm lượng của các nguyên tốnguyên tốtrong mẫu phân tích bằng cách so sánh như sau:

 A ,, n ((a o o th th epi))

S

S A A m

n a A o o tth h e ep pii

S

S A A m

m : : hàm hàm lượng lượng của của nguyên nguyên tố tố cần cần xác xác định định (ppm).(ppm)

SSnc : Độ : Độ nhạy của nhạy của nguyên quan tâm nguyên quan tâm trong mẫu chuẩn trong mẫu chuẩn (count/g/s).(count/g/s)

SSnn   : : Độ Độ nhạy nhạy của của nguyên nguyên tố tố tương tương ứng ứng trong trong mẫu mẫu phân phân tích tích (count/g/s).(count/g/s)

S, Scc : diện tích tương ứng trong mẫu phân tích và mẫu chuẩn

G, Gcc : khối lượng mẫu phân tích và mẫu chuẩn (g)

mcc   : : hàm lhàm lượng đã ượng đã biết cbiết của nguyên ủa nguyên tố ctố chuẩn (ppm).huẩn (ppm)

,, cc

     : hiệu suất ghi tại đỉnh tương ứng với nguyên tố chuẩn và

nguyên tố cần phân tích

Công thức (Công thức (I.4.2.3) là I.4.2.3) là công thức tính công thức tính hàm lượng hàm lượng bằng phương pháp bằng phương pháp sososánh trong trường hợp tổng quát Với phép phân tích của mẫu chuẩn và mẫuphân tích trong cùng một nguyên tố kh

phân tích trong cùng một nguyên tố khi đó phương trình (I.4.3) trở thành:i đó phương trình (I.4.3) trở thành:

c c c

S G

G S 

   (g/g) (I.4.2.4)

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

Theo công thức (I.4.2.4), nếu biết trước hàm lượng của một nguyên tốtrong mẫu thì có thể được dùng để xác định hàm lượng của tất cả các nguyên tốcòn lại trong mẫu Tuy nhiên, ca

còn lại trong mẫu Tuy nhiên, cần àn phải biết tỷ số hiệu phải biết tỷ số hiệu suất của đỉnh gamma , tỷsuất của đỉnh gamma , tỷsố cường độ

số cường độ phóng xạ gamma phóng xạ gamma và tỷ số và tỷ số tiết diện tiết diện phản ứng bắt phản ứng bắt neutron củaneutron củanguyên tố quan tâm trong mẫu phân tích và mẫu chuẩn Điều này đã làm chophương pháp không thể cho kết quả với độ chính xác cao

Trong luận văn này như đã trình bày ở phần mở bài là chỉ quan tâm đếnnguyên tố B

nguyên tố B nên ở đây nên ở đây phương pháp tương phương pháp tương đối được sử đối được sử dụng là hợp dụng là hợp lý và thulý và thuđược kết quả khá tin cậy

I.4.3 Phương pháp hệ số K

Từ công thức tính hàm lượng bằng phương pháp so sánh (I.4.2.3) ta thấyrằng có thể dùng mẫu chuẩn tin cậy để phân tích so sánh với nhiều nguyên tốkhác nhau trên các đối tượng mẫu khác nhau Mặt khác, việc chuẩn bị hay làmmẫu chuẩn cho mỗi lần

mẫu chuẩn cho mỗi lần phân tích là tốn kém phân tích là tốn kém và sẽ gặp sai số tvà sẽ gặp sai số trong quá trình làmrong quá trình làmmẫu chuẩn vì không phải lúc nào ta cũng có thể tìm mẫu chuẩn một cách phùhợp với đối tượng phân tích Do vậy trong phương pháp PGNAA một số mẫuchuẩn thường có

chuẩn thường có độ độ nhạy nằm trong nhạy nằm trong khoảng trung bình khoảng trung bình của dãy các của dãy các nguyên tốnguyên tốquan tâm phân tích (ở đây là K, Cl,Si)

Tỷ số độ nhạy (Snn) của các nguyên tố chuẩn (K, Cl,Si) đối với cácnguyên tố cần phân tích là các hằng số ổn định Để đơn giản trong quá trình tínhtoán phân tích, người ta xây dựng bảng các tỷ số này và được gọi là bảng các hệsố K Như vậy mỗi nguyên tố sẽ có ba hệ số K xác định, tương ứng đối với banguyên

nguyên tố chuẩn (K, tố chuẩn (K, Cl,Si) Tuỳ tCl,Si) Tuỳ theo mỗi nguyên tố cheo mỗi nguyên tố cần phân tích ần phân tích mà ta chọnmà ta chọnmột trong ba hệ số K (KK, Kcl,KSi) để phân tích hoặc chọn cả ba để phân tích sauđó lấy giá trị trung bình Mẫu chuẩn được dùng là các hợp chất tinh khiết củaPotassium clloride và Sillicon dipxide Hàm lượng của nguyên tố quan tâm trongmẫu sẽ được xác định bằng cách so sánh vơi Cl, K hoặc Si và sử dụng các hệ số

K tương ứng đã biết từ đó ta có công thức tính:

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

c c c

c c

  : Hệ số K tương ứng với Cl,  : Hệ số K tương ứng với Cl, K, hoặc Si.K, hoặc Si

m : : Hàm Hàm lượng lượng của của của của nguyên nguyên tố tố cần cần phân phân tích tích

Trong trường hợp đối với các nguyên tố có độ nhạy cao như Gd, B, Sm…

thì phương pháp này thì phương pháp này không phù hợp Hệ không phù hợp Hệ số K và độ số K và độ nhạy nhạy của một số của một số nguyên tốnguyên tốđược cho trong bảng sau

NguyênTố

Nănglượng(keV)

Độ nhạy(count/g/s)

Bảng I.4.3.1: Độ nhạy và hệ số K của một số nguyên tố sử du  Độ nhạy và hệ số K của một số nguyên tố sử dụng trong ïng trong

 phương pháp PGNAA ở lo  phương pháp PGNAA ở lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ø phản ứng hạt nhân Đà Lạt.

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

Phương pháp này chỉ tỏ ra Phương pháp này chỉ tỏ ra ưu điểm khi phân tích một ưu điểm khi phân tích một lúc lúc nhiều nguyên tốnhiều nguyên tốtrong

trong mẫu, nhưng mẫu, nhưng lại không lại không thuận lợi thuận lợi khi chỉ khi chỉ quan tâm quan tâm phân tích phân tích một nguyên một nguyên tốtốtrong mẫu Trong trường hợp này phương pháp tương đối (so sánh) tỏ ra thuận lợihơn vì việc làm mẫu chuẩn đơn nguyên tố là không khó khăn

Nhược điểm của phương pháp này là đòi hỏi cấu hình đo cố định trongsuốt quá trình làm việc, khi một đại lượng nào đó biến thiên do thay đổi cấu hìnhthì phải xác định lại hệ số K

I.5 Sai số của kết quả phân tích

Để đánh giá phép đo của phương pháp có đạt độ tin cậy hay không là nhờvào đại lượng sai số Do đó, đại lượng này không thể thiếu đối với mỗi phép đo.Trong phương pháp PGNAA thì sai số tương đối của kết quả phân tích được tính

như sau:

2 2

   :  : các thành các thành phần số hạng phần số hạng và sai số và sai số tương ứngtương ứng

K : : Độ Độ tin tin cậy cậy (K=1 (K=1 mức mức tin tin cậy cậy 68.2%, 68.2%, K=2 K=2 mức mức tin tin cậy cậy 95.4%)95.4%)

Trong luận văn này hàm lượng được tính bằng phương pháp so sánh Dovậy sai số chủ yếu ảnh hưởng đến kết quả phân tích là sai số của diện tích đỉnhvà sai số hàm lượng chuẩn (do nhà sản xuất cung cấp) Sai số diện tích đỉnh cơbản có tính chất thống kê do đặc trưng thống kê của các quá trình ghi nhận bứcxạ, ta có thể giảm sai số này bằng cách tăng thời gian đo Ví dụ nếu tăng thờigian đo 2 lần thì sai số diện tích đỉnh giảm đi 2lần

Trong trường hợp sTrong trường hợp số đếm ghi ố đếm ghi nhận được là nhỏ nhận được là nhỏ (cường độ bức xạ (cường độ bức xạ yếu )yếu )thì sai số của số đếm đỉnh theo quy luật phân bố Poisson

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

Sai số tuyệt đối  S    S   

Ta có S=I ––  B B với: với: I: I: Diện Diện tích tích tổng tổng của của đỉnh đỉnh và và phông.phông

cường độ lớn) thì sai số của số đếm đỉnh tính theo qui luật phân bđếm đỉnh tính theo qui luật phân bố Gauss.ố Gauss

Sai số phần trăm

100

ngược, tạo cặp, phông gamma từ lò phản ứng, phông tự nhiên bức xạ huỷ… Do

vậy ta nên hạn chế sử dụng những đỉnh ở năng lượng thấp để hạn chế phần đónggóp của sai số này

Ngoài ra, còn có cNgoài ra, còn có các ác yếu tố khác cũng gây nên sai yếu tố khác cũng gây nên sai số của kết quả phânsố của kết quả phântích như sau:

   Sự khác nhau về hình học và dạng matrix giữa mẫu chuẩn và mẫu

   Sai số trong quá trình thu góp và xử lý mẫu

   Giới hạn ghi nhận

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

   Sự không đồng đều của thông lượng neutron

   Sự hiện diện của các phản ứng như: ……  

Để đánh giá chất lượng của kết quả phân tích, người ta thực hiệnphương pháp phân tích PGNAA trên mẫu chuẩn và so sánh kết quả thu được vớigiá trị chuẩn kèm theo

I.6 Độ nhạy của phương pháp PGNAA

Trong vật lý hạt nhân, đối với các nguyên tố khác nhau thì các thông sốvật lý đặc trưng của chúng cũng khác nhau Cũng như các phương pháp phân tíchkhác, khả năng phân tích của phương pháp PGNAA đối với các nguyên tố khácnhau là không hoàn toàn giống nhau Nguồn gốc sự khác nhau trên là do sự thamgia của một số tham số vật lý như:  (( ,, )),, n   I   và số khối A vào phương trình cơbản của phương pháp phân tích

Từ phương trình (I.3.4) ta giả thiết rằng chùm neutron nhiệt đã đượcchuẩn đơn năng cao, như vậy trong điều kiện chiếu và đo ổn định thì các tham số

, , , , , tth n a h n a ,  f  f f , f N  , N A

 



      là hằng số đối với mỗi nguyên tố đã cho

Từ đó ta viết được:

 A

 I  n

 M   A

 I  n G m

 A

 I  n

S n  (( ,, ))     (count/g/s)

Như Như vậy, vậy, đại đại lượng lượng SSnn (count/s/g) chính l(count/s/g) chính là số đếm à số đếm tương đối của ctương đối của các bứcác bứcxạ gamma phát ra từ nguyên tôù tương ứng trong mẫu Đại lượng này sẽ xác định

)) ,, ((

), ,, ((

), ,, ((

), ,, (( n n         n n           n n   n,,   n n  

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

Từ Từ biểu biểu thức thức SSnn   ta thấy ta thấy đôï nhạy đôï nhạy của phương của phương pháp PGNAA pháp PGNAA tỷ lệ tỷ lệ với tiếtvới tiếtdiện bắt bức xạ neutron  (( ,, )) n    và tỷ lệ nghịch với số khối Do đó đối với cácnguyên tố nhẹ có tiết diện bắt bức xạ neutron không quá bé thì sẽ được phân tíchrất tốt với phương pháp PGNAA, trong khi đó các nguyên tố nhẹ thường khó xácđịnh bằng phương pháp INAA và các phương pháp phân tích kích hoạt khác

Ta có bảng đôï nhạy và giới hạn ghi nhận của các nguyên tố trongphương pháp

phương pháp PGNAA được PGNAA được tìm thấy tìm thấy ở Trường ở Trường Tổng Hợp Tổng Hợp Maryland và Maryland và ViệnViệnQuốc Gia Về Tiêu Chuẩn và Công Nghệ(NIST) của Mỹ được cho trong bảngsau:

Khoảng độ nhạy(Count/g/s)

Giới hạn ghi nhận

0,10-0,22 10 -1 Pr, Tb, Ho, Lu, Ta, Re, Pt , Th, U 0,03-0,10 1 Be Be , , Ge, Ge, Br, Br, Sr, Sr, Mo, Mo, Pb, Pb, Sb, Sb, I, I,

Ce, Os, Te, Pb 0,01-0,03 10 C, C, Rb, Rb, Zr, Zr, Ru Ru

<

< 0,01 0,01 He, He, Li, Li, F, F, O, O, Sn, Sn, Bi Bi

Bảng I.6.1: Độ nhạy và giới hạn ghi nhận của các nguyên tố trong phương

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

Trong bảng số liTrong bảng số liệu này ta thấy ệu này ta thấy một phần lớn một phần lớn các nguyên tố quan trọngcác nguyên tố quan trọngnhư B, Gd, Sm, Cd, Hg, H, Si, N thường quan tâm phân tích trong các mẫu sinh

học, môi t học, môi trường, rường, địa chất… có địa chất… có độ nhạy tương độ nhạy tương đối cao đối cao  

I.7 Giới hạn ghi nhận

Giới hạn ghi nhận của phương pháp đối với nguyên tố nào đó là giá trịhàm lượng nhỏ nhất của nguyên tố đó có trong mẫu, sao cho đỉnh gamma đặctrưng của nguyên tố tương ứng nhô lên khỏi nền phông liên tục của phổ gammatức thời Hay nói cách khác là giá trị hàm lượng nhỏ nhất có thể phát hiện bằngphương pháp PGNAA

Giới hạn ghi nhận được xác định bằng công thức:

 M 

T 

k   MR

k : Hệ sHệ số tin ố tin cậy.cậy

S n: : Độ nhạy Độ nhạy của nguyên tcủa nguyên tố tương ứố tương ứng (count/s/g).ng (count/s/g)

S b   : : Độ Độ lệch lệch chuẩn chuẩn của của số số đếm đếm phông.phông

T:

T: Thời Thời gian gian đo(s)đo(s)

M

M : : Khối Khối lượng lượng mẫu mẫu (g).(g)

  : : Hiệu Hiệu suất suất ghi ghi của của detector detector (%).(%)

Trong công thức (I.6.1) ta thấy để có giới hạn ghi nhận thấp thì cần thiếtphải có chùm neutron thông lượng cao, độ nhạy và hiệu suất ghi lớn Trongphương pháp PGNAA có thể làm giảm giới hạn ghi nhận bằng cách tăng khốilượng mẫu hoặc tăng thời gian đo

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

Tuy nhiên việc xác Tuy nhiên việc xác định giới hạn ghi định giới hạn ghi nhận bằng lý thuyết gặnhận bằng lý thuyết gặp khó khăn p khó khăn vìvìthông lượng tại vị trí chiếu mẫu không thuần nhiệt có lẫn phần trên nhiệt do đómà ta không xác định được từ lý thuyết mà chỉ tính gần đúng bằng thực nghiệmnhư sau:

2 0

   (I.7.3)(I.7.3)Với: Nbb= = NNb,I+Nb,r   số đếm số đếm phông liên tục phông liên tục dưới vùng đỉnh dưới vùng đỉnh được xác địđược xác địnhnhbằng thực nghiệm

Trong đó  N b  được tí  được tính gần đúng : nh gần đúng : là là tổng số đếm tổng số đếm phông của các kênhphông của các kênhbên trái

bên trái và và bên bên phải của phải của đỉnh với đỉnh với đường phông đường phông là tuyến là tuyến tính Đtính Điều kiện iều kiện tốt nhấttốt nhất

để chọn tổng số kênh bên trái và bên phải để tránh giới hạn ghi nhận quá lớnhoặc quá nhỏ thì cách chọn tối ưu nhất là I=1,2.W ( I được làm tròn), W là độrộng nửõa chiều cao của đỉnh cần quan tâm (FWHM)

Từ giá trị C  LOD trong công thức (I.7.3) đưa vào công thức tính hàm lượng tacó được LOD cho từng nguyên tố

400 600

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

   Xác định đồng thời nhiều nguyên Xác định đồng thời nhiều nguyên tố mà không phá huỷ mẫu.tố mà không phá huỷ mẫu

   Có khả năng phân tích nhiều nguyên tố nhẹ, những nguyên tố này rấtkhó phân tích bằng các phương pháp khác

   Các phản ứng tạo thành của hạt nhân bền vẫn có thể được sử dụng đểphân tích nguyên tố bằng phương pháp PGNAA

Phép phân tích Phép phân tích chỉ phụ thuộc chỉ phụ thuộc vào tiết diện, vào tiết diện, khối lượng mẫu, khối lượng mẫu, thôngthônglượng neutron, không phụ thuộc vào tốc độ phân rã

   Các mẫu phân tích sẽ có độ phóng xạ thấp sau khi chiếu

   Do quảng chạy tự do lớn của neutron trong vật chất và sự hấp thụ củacác tia gamma năng lượng cao đã cho phép sử dụng các mẫu phân tíchthể tích lớn

Nhược điểm

   Cần phải có nguồn neutron với thông lượng lớn như lò phản ứng    Thông lượng neutron và hiệu suất nhận thấp hơn đã làm cho phươngpháp PGNAA có độ nhạy phân tích thấp hơn so với phương pháp INAA.    Năng lượng kích thích ban đầu cao hơn của hạt nhân có thể được tạothành sau khi giải phóng năng lượng kích thích và các đỉnh thoát đơn,thoát đôi của các

thoát đôi của các bức bức xạ huỷ cặp cũng txạ huỷ cặp cũng tăng do sự hấp thụ taăng do sự hấp thụ tăng cườngêng cườngcùng với

cùng với việc tạo việc tạo thành cặp thành cặp ee++  ,e,e  do đó mà phản ứng gamma tức thờitrở nên phức tạp hơn rất nhiều so với phản ứng gamma phân rã

   Thời gian phân tích tương đối dài đối với một mẫu, do đó mà hiệusuất phân tích của phương pháp PGNAA là không cao

   Các neutron tán xạ có thể gây tổn hại cho Deteector và vì vậy yêu cầuvề che chắn rất nghiêm ngặt

   Do độ nhạy phân tích thấp nên thời gian chiếu xạ dài hơn và kíchthước mẫu tương đối lớn và đòi hỏi đo

thước mẫu tương đối lớn và đòi hỏi đối với phương pháp PGNAA.ái với phương pháp PGNAA

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

Chương II THIẾT BỊ PHÂN TÍCH PGNAA TẠI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

II.1 Hệ PGNAA tại lò phản ứng hạt II.1 Hệ PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt nhân Đà Lạt

Sơ đồ mặt cắt

Sơ đồ mặt cắt ngang của hệ thống PGNAA ở ngang của hệ thống PGNAA ở kênh số 4 của lò phản kênh số 4 của lò phản ứngứnghạt nhân Đà Lạt được mô tả ở hình II.1.1

 Hình II.1.1: Sơ đồ mặt c  Hình II.1.1: Sơ đồ mặt cắt ngang của hệ thống PGNAA ơ ắt ngang của hệ thống PGNAA ở kênh số 4 của lò û kênh số 4 của lò

 phản  phản ứng hạt nhân Đà Lạt ứng hạt nhân Đà Lạt

Mô tả sơ bộ như sau: Dòng nơtron từ lò phản ứng được nhiệt hóa bằng phin lọc Siqua ống chuẩn trực bằng LiF đập vào mẫu được đựng trong hộp đựng mẫu bằngPTFE Tia gamma tức thời phát ra từ mẫu sẽ được ghi nhận bởi detector HP-Ge.Bẫy nơtron có tác dụng bắt toàn bộ nơtron từ chùm và các nơtron tán xạ Thiết bị

   Luận Luận văn văn tốt tốt nghiệp nghiệp

bắt dòng nơtron làm nhiệm vụ đóng hoặc mở dòng nơtron khi thay mẫu hoặcthực hiện các thao tác khác

II.2.3

II.2.3 Hệ Hệ phổ phổ kế kế

Sơ đồ hệ phổ kế gamma thông thường gồm những bộ phận sau:

   Detector HP Ge: Dùng để ghi bức xạ gamma Detector HP Ge: Dùng để ghi bức xạ gamma khi bức xạ gamma.khi bức xạ gamma

   Tiền khuyếch đại: Dùng để khuyếch đại cơ bản khi có tín hiệu từ detectorđến ở dạng Analog

   Khuyếch đaị: Dùng để khuyếch đại tín hiệu Analog từ tiền khuyếch đại.    ADC : Dùng để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

   MCA: Bộ phân tích đa kênh MCA: Bộ phân tích đa kênh nhằm phân tích tín hiệu số từ bộ ADC.nhằm phân tích tín hiệu số từ bộ ADC

   PC: Chương trình thu phổ

Hệ phổ kế gamma sử dụng trong luận văn này bao gồm detector HPGe

ccủa hãng ORTEC với hiệu suất tương đối 58%, độ phân giải tại năng lượng 1332keV (60Co) là 1.9 keV và hệ DSPECT là thiết bị tích hợp khuyếch đại, ADC 16K,MCD được nối ghép với máy tính qua cổng USB Các thiết lập về cao thế,khuếch đại, ADC cũng như ghi nhận phổ đều được thực hiện thông qua phầnmềm GammaVision 3.2

II.2.4 Chuẩn năng lượng và chuẩn hiệu suất



   Chuẩn năng lượng:  

Cũng như các phương pháp khác, trong phương pháp PGNAA một yêucầu rất quan trọng là phải biết chính xác giá trị năng lượng tại đỉnh năng lượng

Detetor HPGe

Pre.

Amp

DSPECT

PC