Luận án về khả năng phân tích định lượng nguyên tố boron

Luận án phân tích khả năng đánh giá định lượng nguyên tố boron, cung cấp cái nhìn sâu sắc về phương pháp và ứng dụng trong nghiên cứu khoa học.

• Trường học: Lò Phản Ứng Hạt Nhân Đà Lạt
• Chuyên ngành: Phân Tích Định Lượng
• Đề tài: Đánh Giá Khả Năng Phân Tích Định Lượng Boron
• Loại tài liệu: Đề Tài Nghiên Cứu
• Địa điểm: Đà Lạt

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 1.1. GIỚI THIỆU
• 1.2. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON - GAMMA TỨC THỜI
• 1.2.1. Cơ sở vật lý
• 1.2.2. Phương trình cơ bản của phương pháp phân tích kích hoạt neutron - gamma tức thời (PGNAA)
• 1.2.3. Đặc điểm của PGNAA
• 1.2.4. Nguyên tắc cơ bản của phân tích kích hoạt Gamma tức thời
• 1.2.5. Các thành phần chính của một thiết bị PGNAA
• 1.3. Vật liệu che chắn và hấp thụ neutron sử dụng cho thiết bị PGNAA
• 1.4. Các dụng cụ giá đỡ mẫu, đóng mở và che chắn chùm tia

Tóm tắt

I. Giới thiệu về khả năng phân tích định lượng boron

Khả năng phân tích định lượng boron là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu hạt nhân. Phương pháp phân tích này sử dụng kỹ thuật phân tích định lượng để xác định hàm lượng boron trong các mẫu khác nhau. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về tính chất của boron mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như hóa học, vật lý và môi trường. Đặc biệt, phương pháp PGNAA (Phân tích kích hoạt neutron đo gamma tức thời) đã chứng minh được hiệu quả trong việc phân tích các nguyên tố có số nguyên tử thấp như boron. Theo nghiên cứu, boron có vai trò quan trọng trong nhiều phản ứng hóa học và vật lý, do đó việc xác định chính xác hàm lượng của nó là rất cần thiết.

1.1. Tính chất và ứng dụng của boron

Boron là một nguyên tố hóa học có tính chất độc đáo, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tính chất của boron bao gồm khả năng hấp thụ neutron, điều này làm cho nó trở thành một thành phần quan trọng trong các lò phản ứng hạt nhân. Ứng dụng của boron không chỉ giới hạn trong ngành công nghiệp hạt nhân mà còn mở rộng ra các lĩnh vực như sản xuất thủy tinh, gốm sứ và vật liệu composite. Việc phân tích định lượng boron giúp xác định hàm lượng của nó trong các sản phẩm, từ đó đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.

II. Phương pháp phân tích định lượng boron

Phương pháp PGNAA là một trong những kỹ thuật hiện đại được sử dụng để phân tích định lượng boron. Kỹ thuật này dựa trên nguyên lý phản ứng bắt neutron, trong đó boron hấp thụ neutron và phát ra bức xạ gamma. Quá trình này cho phép xác định hàm lượng boron trong mẫu một cách chính xác và nhanh chóng. Đặc biệt, phương pháp này không phá hủy mẫu, cho phép thực hiện nhiều lần phân tích trên cùng một mẫu. Việc sử dụng thiết bị PGNAA tại các lò phản ứng hạt nhân như Đà Lạt đã cho thấy khả năng phân tích định lượng boron với độ nhạy và độ chính xác cao.

2.1. Quy trình thực hiện phân tích

Quy trình phân tích định lượng boron bằng phương pháp PGNAA bao gồm các bước chính như chuẩn bị mẫu, chiếu xạ neutron và đo bức xạ gamma phát ra. Mẫu được chuẩn bị dưới dạng dung dịch hoặc rắn, sau đó được chiếu xạ bằng chùm neutron từ lò phản ứng. Bức xạ gamma phát ra sẽ được ghi nhận và phân tích bằng hệ thống phổ kế. Kết quả thu được sẽ cho biết hàm lượng boron trong mẫu, từ đó có thể đánh giá khả năng phân tích của phương pháp này. Việc thực hiện đồng thời các phép đo giúp tăng độ chính xác và giảm thiểu sai số trong quá trình phân tích.

III. Đánh giá khả năng phân tích định lượng boron

Khả năng phân tích định lượng boron thông qua phương pháp PGNAA đã được chứng minh là hiệu quả và đáng tin cậy. Nghiên cứu cho thấy phương pháp này có thể phát hiện hàm lượng boron ở mức rất thấp, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Đặc biệt, việc sử dụng thiết bị hiện đại tại các lò phản ứng hạt nhân đã nâng cao khả năng phân tích, giúp các nhà nghiên cứu có thể thực hiện các thí nghiệm phức tạp hơn. Đánh giá khả năng phân tích định lượng boron không chỉ dừng lại ở việc xác định hàm lượng mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc ứng dụng boron trong các lĩnh vực khác nhau.

3.1. Tính ứng dụng trong thực tiễn

Việc phân tích định lượng boron có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như môi trường, y tế và công nghiệp. Trong môi trường, việc xác định hàm lượng boron trong nước và đất giúp đánh giá mức độ ô nhiễm và tác động đến sức khỏe con người. Trong y tế, boron được sử dụng trong các liệu pháp điều trị ung thư, do đó việc phân tích chính xác hàm lượng của nó là rất cần thiết. Trong công nghiệp, boron được sử dụng trong sản xuất vật liệu chịu nhiệt và gốm sứ, việc kiểm soát hàm lượng boron trong các sản phẩm này đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phân tích định lượng nguyên tố Boron trong mẫu vật liệu là một vấn đề quan trọng trong nhiều lĩnh vực như môi trường, địa chất và công nghiệp hạt nhân. Theo ước tính, hàm lượng Boron trong đất dao động từ 10 mg/kg đến 300 mg/kg, trong khi nồng độ Boron trong nước mặt thường dưới 0,6 mg/lít. Việc xác định chính xác hàm lượng Boron đóng vai trò thiết yếu trong kiểm soát chất lượng môi trường và ứng dụng kỹ thuật hạt nhân. Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp phân tích kích hoạt neutron - gamma tức thời (PGNAA) để xác định hàm lượng Boron trong mẫu chuẩn dạng dung dịch và rắn, sử dụng hệ thiết bị PGNAA tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng áp dụng phương pháp PGNAA trong phân tích định lượng Boron, xây dựng hàm chuẩn tuyến tính giữa tốc độ đếm phổ gamma 478 keV và hàm lượng Boron trong mẫu, đồng thời xác định độ nhạy và giới hạn phát hiện của hệ thống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mẫu chuẩn Boron với hàm lượng từ 2 µg đến 200 µg, thực hiện trên dòng neutron nhiệt KS2 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt với thông lượng neutron nhiệt đạt 1.6×10^6 n/cm²/s và tỉ số Cadmium là 420.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong việc nâng cao kiến thức về phản ứng hạt nhân (n,γ) và ứng dụng PGNAA trong phân tích nguyên tố, góp phần phát triển kỹ thuật phân tích không phá hủy, nhanh chóng và chính xác cho các mẫu vật liệu đa dạng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Phương pháp PGNAA dựa trên phản ứng bắt neutron bức xạ gamma (n,γ), trong đó hạt nhân bia hấp thụ neutron tạo thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích, sau đó phân rã tức thời phát ra tia gamma đặc trưng. Năng lượng gamma phát ra phản ánh cấu trúc hạt nhân và thành phần nguyên tố trong mẫu. Các khái niệm chính bao gồm:

• Phản ứng bắt neutron (n,γ): Hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra gamma tức thời trong khoảng thời gian sống ngắn (~10^-14 giây).
• Hiệu suất ghi đỉnh gamma (ε): Tỷ lệ tia gamma được detector ghi nhận tại năng lượng quan tâm.
• Thông lượng neutron (Φ): Số neutron đi qua đơn vị diện tích trong đơn vị thời gian, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng.
• Hiệu ứng Doppler: Mở rộng đỉnh phổ gamma do giật lùi của hạt nhân sản phẩm, đặc biệt quan trọng với đỉnh 478 keV của Boron.
• Phương pháp tương đối: Xác định hàm lượng nguyên tố dựa trên tỷ số tốc độ đếm giữa mẫu thử và mẫu chuẩn trong cùng điều kiện đo.

Ngoài ra, luận văn áp dụng mô hình hiệu suất ghi detector HPGe, hiệu chỉnh tự hấp thụ neutron và gamma trong mẫu, cũng như kỹ thuật giảm phông Compton để nâng cao độ chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các phép đo thực nghiệm trên hệ PGNAA tại KS2, Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Hệ thiết bị gồm chùm neutron nhiệt có thông lượng 1.6×10^6 n/cm²/s, detector HPGe giảm phông Compton, hệ phổ kế đa kênh và phần mềm thu nhận phổ Genie-2000.

Cỡ mẫu chuẩn Boron dạng dung dịch và rắn được chuẩn bị với khối lượng Boron từ 0.5 µg đến 200 µg, mẫu được nén thành đĩa đường kính 20 mm, độ dày 0.1-0.5 cm, bọc màng polyethylene hoặc Teflon. Mẫu được chiếu neutron tại góc 45° so với chùm tia neutron, khoảng cách đến detector là 26 cm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thu phổ gamma tức thời, tập trung vào đỉnh 478 keV đặc trưng của Boron.
• Khớp hàm phân tách đỉnh phổ 478 keV để xử lý hiệu ứng Doppler và tách đỉnh chồng chập với đỉnh 472 keV của Na-23.
• Xây dựng hàm chuẩn tuyến tính giữa tốc độ đếm đỉnh gamma và hàm lượng Boron.
• Tính toán độ nhạy, giới hạn phát hiện và sai số theo quy luật Poisson và phương pháp truyền sai số.
• Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ cuối năm 2011 đến hiện tại, tập trung vào việc vận hành và hiệu chuẩn hệ PGNAA tại KS2.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng hàm chuẩn tuyến tính: Tốc độ đếm đỉnh gamma 478 keV tỷ lệ thuận với hàm lượng Boron trong dải từ 2 µg đến 200 µg, với hệ số tương quan tuyến tính rất cao (R² gần 1). Điều này cho phép xác định hàm lượng Boron trong mẫu thử với độ chính xác cao.

2. Độ nhạy và giới hạn phát hiện: Độ nhạy phân tích Boron đạt khoảng 333 - 1000 counts/s/g, giới hạn phát hiện ước tính khoảng 10^-4 mg/g, phù hợp với các yêu cầu phân tích môi trường và công nghiệp. Tốc độ đếm phông gamma tức thời của hệ đo là khoảng 5.78 cps, đảm bảo độ nhạy cao.

3. Phân tích đỉnh phổ 478 keV: Hiệu ứng Doppler gây mở rộng đỉnh phổ, đỉnh chồng chập với đỉnh 472 keV của Na-23 được xử lý hiệu quả bằng kỹ thuật khớp hàm, giúp tách biệt chính xác diện tích đỉnh Boron. Sai số diện tích đỉnh phổ được kiểm soát dưới 5%, đảm bảo độ tin cậy kết quả.

4. Hiệu suất ghi detector HPGe: Đường cong hiệu suất ghi được xây dựng từ nguồn chuẩn 152Eu và phản ứng 35Cl(n,γ)36Cl, hiệu suất ghi tại 478 keV đạt khoảng 68%, phù hợp với thiết kế detector và hình học đo mẫu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp PGNAA tại KS2 Lò phản ứng Đà Lạt có khả năng phân tích định lượng Boron với độ chính xác và độ nhạy cao, tương đương hoặc vượt trội so với các hệ thống PGNAA quốc tế như tại Hàn Quốc, Nhật Bản và Ấn Độ. Việc sử dụng phin lọc đơn tinh thể Si và Bi giúp tạo chùm neutron nhiệt ổn định, giảm phông gamma nền, nâng cao chất lượng phổ thu được.

So với các nghiên cứu trước đây, kỹ thuật khớp hàm phân tách đỉnh phổ 478 keV là bước tiến quan trọng, giải quyết hiệu ứng Doppler và chồng chập phổ, vốn là thách thức lớn trong phân tích Boron bằng PGNAA. Phương pháp tương đối giúp giảm thiểu sai số hệ thống do hiệu suất detector và thông lượng neutron, tăng tính thực tiễn trong ứng dụng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hàm chuẩn tuyến tính CPS vs. hàm lượng Boron, bảng tổng hợp độ nhạy và giới hạn phát hiện, cũng như phổ gamma tức thời với đỉnh 478 keV được khớp hàm phân tách rõ ràng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa hình học đo mẫu: Điều chỉnh khoảng cách và góc đặt mẫu để giảm thiểu hiệu ứng tự hấp thụ neutron và gamma, nâng cao độ chính xác phân tích Boron trong mẫu có khối lượng lớn hoặc phức tạp.

2. Nâng cấp hệ thống detector: Áp dụng detector HPGe với kích thước lớn hơn hoặc hệ thống đa detector để tăng hiệu suất ghi và giảm thời gian đo, hướng tới phân tích nhanh và đa nguyên tố.

3. Phát triển phần mềm phân tích phổ: Tích hợp thuật toán khớp hàm tự động để xử lý hiệu ứng Doppler và chồng chập phổ, giảm sai số do phân tích thủ công, nâng cao độ tin cậy kết quả.

4. Mở rộng phạm vi ứng dụng: Áp dụng phương pháp PGNAA để phân tích Boron trong các mẫu môi trường, sinh học và công nghiệp khác nhau, đồng thời nghiên cứu khả năng phân tích các nguyên tố nhẹ khác có tiết diện bắt neutron cao.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, phối hợp giữa các đơn vị nghiên cứu và vận hành Lò phản ứng Đà Lạt nhằm nâng cao năng lực phân tích hạt nhân.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân: Nắm bắt kiến thức về phản ứng (n,γ), kỹ thuật PGNAA và ứng dụng trong phân tích nguyên tố, phục vụ phát triển nghiên cứu cơ bản và ứng dụng.

2. Chuyên gia phân tích môi trường: Áp dụng phương pháp PGNAA để xác định hàm lượng Boron và các nguyên tố khác trong đất, nước, giúp đánh giá ô nhiễm và quản lý tài nguyên.

3. Kỹ sư vận hành lò phản ứng hạt nhân: Hiểu rõ về thiết bị PGNAA, kỹ thuật chiếu neutron và phân tích phổ gamma để nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn bức xạ.

4. Sinh viên và học viên cao học: Học tập phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, xử lý dữ liệu phổ gamma và phát triển kỹ năng phân tích định lượng nguyên tố bằng kỹ thuật hạt nhân hiện đại.

Mỗi nhóm đối tượng có thể ứng dụng kết quả luận văn để cải tiến quy trình phân tích, phát triển thiết bị hoặc nâng cao kiến thức chuyên môn trong lĩnh vực hạt nhân và phân tích nguyên tố.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp PGNAA có ưu điểm gì so với các kỹ thuật phân tích khác?
   PGNAA không phá hủy mẫu, cho phép phân tích đồng thời nhiều nguyên tố với độ nhạy và độ chính xác cao, đặc biệt hiệu quả với nguyên tố nhẹ có tiết diện bắt neutron lớn như Boron. Ví dụ, PGNAA có thể phân tích Boron trong mẫu đất mà không cần xử lý hóa học phức tạp.

2. Tại sao cần xử lý hiệu ứng Doppler trong phân tích Boron?
   Hiệu ứng Doppler làm mở rộng đỉnh phổ gamma 478 keV của Boron, gây chồng chập với các đỉnh lân cận như 472 keV của Na-23, làm sai lệch diện tích đỉnh và kết quả phân tích. Kỹ thuật khớp hàm giúp tách biệt chính xác các đỉnh này, đảm bảo độ tin cậy.

3. Giới hạn phát hiện Boron trong hệ PGNAA tại Đà Lạt là bao nhiêu?
   Giới hạn phát hiện ước tính khoảng 10^-4 mg/g, đủ để phân tích Boron trong các mẫu môi trường và công nghiệp với hàm lượng thấp, đáp ứng yêu cầu nghiên cứu và kiểm soát chất lượng.

4. Sai số trong phương pháp tương đối được kiểm soát như thế nào?
   Sai số chủ yếu đến từ sai số thống kê diện tích đỉnh phổ và sai số hàm lượng mẫu chuẩn. Phương pháp tương đối giảm thiểu sai số hệ thống do hiệu suất detector và thông lượng neutron, giúp kết quả ổn định và chính xác.

5. Có thể áp dụng PGNAA để phân tích nguyên tố nào khác ngoài Boron?
   PGNAA phù hợp với nhiều nguyên tố có tiết diện bắt neutron cao như Cl, Cd, Gd, Sm, Eu, và các nguyên tố nhẹ khác. Độ nhạy và giới hạn phát hiện tùy thuộc vào đặc tính hạt nhân và thiết bị đo.

Kết luận

• Phương pháp PGNAA tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã được phát triển và hiệu chuẩn thành công để phân tích định lượng Boron trong mẫu chuẩn dạng dung dịch và rắn.
• Hàm chuẩn tuyến tính giữa tốc độ đếm phổ gamma 478 keV và hàm lượng Boron được xây dựng với độ chính xác cao, độ nhạy đạt khoảng 333 - 1000 counts/s/g.
• Kỹ thuật khớp hàm phân tách đỉnh phổ 478 keV hiệu quả trong xử lý hiệu ứng Doppler và chồng chập phổ, nâng cao độ tin cậy kết quả.
• Giới hạn phát hiện Boron đạt khoảng 10^-4 mg/g, phù hợp với yêu cầu phân tích môi trường và công nghiệp.
• Đề xuất nâng cấp thiết bị, tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng PGNAA trong phân tích nguyên tố là hướng phát triển tiếp theo trong 1-2 năm tới.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu và chuyên gia kỹ thuật hạt nhân tiếp tục ứng dụng và phát triển phương pháp PGNAA nhằm nâng cao năng lực phân tích nguyên tố không phá hủy, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành hạt nhân và môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 1. GIỚI THIỆU Trong khi khảo sát phản ứng bắt giữ neutron trong vật liệu hydro, sự phát xạ của một bức xạ gamma xuyên thấu cao đã được quan sát thấy vào năm 1934 (Lea 1934) [1]. Đây là bức xạ gamma tức thời đầu tiên từng được phát hiện. Hiện nay nó được gọi là tia gamma tức thời năng lượng 2223 keV từ phản ứng 1H(n, 𝛾)2H.

Trong vùng năng lượng thấp, khi một hạt nhân hấp thụ một neutron, năng lượng liên kết của nó thường được giải phóng dưới dạng bức xạ gamma tức thời. Nếu hạt nhân sản phẩm sau phản ứng là hạt nhân bền quá trình phản ứng sẽ kết thúc ở đây. Nếu là hạt nhân không bền, thì đa số hạt nhân này sẽ phân rã beta, kèm theo thoát ra các tia gamma trễ. Cả hai loại bức xạ gamma là đặc trưng của hạt nhân bia, do đó phù hợp để đo phân tích định lượng nguyên tố.

Phân tích kích hoạt neutron dựa trên kỹ thuật đo phổ tia gamma trễ sau kích hoạt, trong khi phép phân tích kích hoạt neutron gamma tức thời (PGAA) sử dụng kỹ thuật đo phổ các tia gamma tức thời. Cả hai kỹ thuật phân tích kích hoạt đều yêu cầu nguồn neutron mạnh. Phép đo PGNAA sử dụng nguồn neutron từ lò phản ứng đầu tiên được thực hiện bởi Isenhour và Morrison vào năm 1966 (1966a, b) [1] bằng cách sử dụng một chùm neutron từ lò phản ứng và đo phổ các tia gamma tức thời bằng detector NaI(Tl). Vào cuối những năm 1960, một bước đột phá lớn là sự ra đời của các detector bán dẫn, có độ phân giải năng lượng cao.

Hiệu suất ghi đo của kỹ thuật PNGAA đã có nhiều cải tiến, nhờ áp dụng các kỹ thuật giảm phông Compton dùng hệ detector Ge (Li)-NaI(Tl). Tại các lò phản ứng nghiên cứu khác cũng được giới thiệu phương pháp phân tích này: đầu tiên tại lò phản ứng Saclay ở 1969, và sau đó tại lò phản ứng thông lượng cao ở Grenoble. Việc áp dụng phương pháp PGNAA đã tăng lên nhờ chùm neutron nhiệt và thông lượng cao trong những năm 1990 tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST), Hoa Kỳ (Lindstrom et al. 1993), tại Trung tâm Nghiên 7 cứu Ju ̈lich, Đức (Rossbach 1991) [1], tại Viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Nhật Bản (JAERI), Nhật Bản (Yonezawa et al.

1993) [1] và tại Trung tâm neutron Budapest, Hungary (Molna r et al. Một số hệ thống khác đã được đưa vào hoạt động kể từ đó. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON - GAMMA TỨC THỜI 1. Cơ sở vật lý Các nguyên tố trong tự nhiên thường tồn tại dưới dạng đồng vị bền có các thông số hạt nhân đặc trưng sau: khối lượng nguyên tử, độ phổ biến đồng vị, tiết diện bắt neutron v.

Cơ sở của phương pháp phân tích kích hoạt gamma tức thời thông qua phản ứng bắt neutron của các hạt nhân bền trong bia mẫu tạo thành hạt nhân ở trạng thái hợp phần, hạt nhân hợp phần giải kích thích về trạng thái cơ bản kèm theo phát các tia gamma tức thời, hạt nhân này thường có tính phóng xạ và tiếp tục phân rã Beta và kèm theo bức xạ gamma trễ (Hình 1. Phổ năng lượng gamma tức thời phát ra từ phản ứng được ghi đo chính xác khi sử dụng hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe, năng lượng ứng với các tia gamma trong phổ ghi nhận được có thể định tính và định lượng thành phần các nguyên tố trong mẫu. Để xem xét sự tương tác của neutron với vật chất, người ta chia các neutron theo năng lượng của chúng, thành các nhóm neutron nhiệt (năng lượng neutron En từ 0 đến 0.5 eV), neutron trên nhiệt (En từ 0.5 eV đến 10 keV), neutron nhanh (En từ 10 keV đến 10MeV) và nhóm neutron rất nhanh (En lớn hơn 10 MeV). Tương tác của neutron với hạt nhân bia phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó.

Tùy thuộc vào năng lượng hạt tới và tính chất của hạt nhân bia mà các phản ứng có khả năng xảy ra là: phản ứng bắt bức xạ (n,), tán xạ đàn hồi (n,n), tán xạ không đàn hồi (n,n’) và phản ứng phân hạch (n,f). Đối với phản ứng bắt bức xạ, một hạt nhân hợp phần trung gian ở trạng thái kích thích được hình thành. Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần bằng tổng của năng lượng liên kết của neutron với hạt nhân đó và động năng của hạt neutron tham gia phản ứng. Trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần tồn tại trong khoảng thời gian sống rất ngắn 10-14 giây và phân rã về 8 trạng thái cơ bản hoặc trạng thái giả bền kèm theo phát ra các tia gamma tức thời đặc trưng.

Trong nhiều trường hợp, hạt nhân sản phẩm (có số khối bằng A+1) thường không bền và có tính phóng xạ beta kèm theo phát ra một hoặc nhiều tia gamma trễ đặc trưng. Các tia bức xạ gamma có thể đo được bằng hệ phổ kế đa kênh dùng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe có độ phân giải năng lượng cao. Phổ các tia gamma tức thời, với thời gian sống ngắn như vậy, các phép đo cần phải được tiến hành đồng thời với phép chiếu mẫu. Kĩ thuật đo thực nghiệm này được gọi là phương pháp kích hoạt neutron đo gamma tức thời (PGNAA).

Phổ năng lượng các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt neutron (n,) có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân cơ bản (xác định tiết diện phản ứng, đo cường độ phát tia gamma, cấu trúc hạt nhân, nguyên tử khối, v.), phương pháp phân tích kích hoạt PGNAA (phân tích thành phần các nguyên tố trong mẫu môi trường, sinh học, địa chất, v.), nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức xạ lên vật chất, v. Phản ứng hạt nhân hợp phần được biểu diễn qua hai giai đoạn như được miêu tả như trong sơ đồ sau : n + A  (A+1)*  (A+1) + - (1.1) Trong đó: A: số khối của hạt nhân bia. n: hạt neutron tới. (A+1)*: hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích.

(A+1): hạt nhân sản phẩm. 𝛾: tia gamma tức thời. Giai đoạn hình thành hạt nhân hợp phần: Hạt nhân bia hấp thụ hạt neutron tới tạo thành hạt nhân hợp phần với số khối là (A+1)* và tồn tại ở trạng thái kích thích. Mức năng lượng kích thích tương ứng với tổng năng lượng liên kết của hạt nhân bia và động năng của hạt neutron tới.

Giai đoạn tạo thành hạt nhân sản phẩm sau phản ứng là giai đoạn trong đó các trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần phân rã về trạng thái cơ 9 bản hoặc trạng thái giả bền tạo thành hạt nhân sản phẩm của phản ứng đồng thời giải phóng năng lượng kích thích dưới dạng các tia gamma tức thời. Phổ năng lượng các tia gamma tức thời phụ thuộc mạnh vào các đặc trưng cấu trúc hạt nhân, năng lượng, momen động lượng, tính chẵn lẻ của hạt nhân. Phản ứng bắt neutron bức xạ gamma với hạt nhân bia có thể biểu diễn bằng phương trình sau: 1 A A+1 ∗ A+1 0 n + Z X → ( Z X) → ZX + γ (1.2) Kí hiệu (*) trong phản ứng trên biểu diễn cho nhân hợp phần ở trạng thái kích thích.1: Quá trình phản ứng (n, γ) của neutron với hạt nhân Trong phương pháp phân tích kích hoạt neutron – gamma tức thời, quá trình chiếu và đo phổ được thực hiện đồng thời, do vậy phổ thu được bao gồm cả gamma tức thời và gamma trễ của một số đồng vị có chu kỳ bán hủy ngắn (T1/2 từ giây đến vài phút). Từ đó ta cũng có thể sử dụng phổ thu được để xác định một số nguyên tố bằng phương pháp PGNAA.

Phương trình cơ bản của phương pháp phân tích kích hoạt neutron - gamma tức thời (PGNAA) Tốc độ kích hoạt được cho bởi biểu thức sau: dN∗ m.3) dt A Trong đó: θ : Độ phổ biến đồng vị (%) m : Hàm lượng nguyên tố quan tâm (ppm) 10 G : Khối lượng mẫu (g) NA : Số Avogadro (NA = 6,023. 1023 nguyên tử/mol) A : số khối của nguyên tố quan tâm (g). fn : hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ neutron trong mẫu.4) 2 Trong đó: ∑ r : Tiết diện vĩ mô toàn phần ∑ r = ∑ σi. Ni Ni : Số hạt nhân của nguyên tố thứ i d : độ dày khối của mẫu (g/cm2) ∫ σE (n, γ)ϕ(E)dE : Tích phân biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện bắt neutron và thông lượng neutron theo năng lượng En.

Khi đó tốc độ đếm đỉnh được xác định theo phương trình sau: dN∗ C = C 0 + εγ Iγ fa (1.5) dt Trong đó: C : Tốc độ đếm đỉnh phổ gamma (số đếm/giây) C0 : Tốc độ đếm phông (số đếm/giây) εγ : Hiệu suất ghi của hệ phổ kế đối với đỉnh gamma quan tâm (%) fa : Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ giữa nguồn và detector Iγ : Cường độ phát gamma (%). NA C − C0 = εγ θfn fa Iγ [σ0 ϕth + Iϕepi ] (1. NA Trong đó: ϕth : Thông lượng neutron nhiệt (n.cm-2s-1) 11 ϕepi : Thông lượng neutron trên nhiệt (n.cm-2s-1) σ0 : Tiết diện bắt neutron (barn) I : Tích phân cộng hưởng (barn) Phương trình (1.7) là phương trình tính hàm lượng cơ bản của phương pháp phân tích kích hoạt neutron – gamma tức thời. Đặc điểm của PGNAA Tiết diện phản ứng sinh gamma riêng phần có dạng: σγ = θσPγ (1.8) Trong đó 𝜃 và Pγ tương ứng là độ phổ biến đồng vị tự nhiên của hạt nhân đã cho và cường độ phát xạ của tia gamma này.

Đại lượng này được sử dụng để xác định (ργ), đó là tốc độ đếm (s-1) của một đỉnh gamma ở một năng lượng nhất định trong phổ gamma tức thời đo thực nghiệm. Trong trường hợp đơn giản hóa với chùm tia neutron là neutron nhiệt và một mẫu mỏng đồng nhất, công thức của ργ có dạng: ργ = ε(Eγ )nσγ Φ (1.9) Trong đó 𝜌𝛾 là diện tích của đỉnh chia cho thời gian đo, n là số lượng của hạt nhân bia trong mẫu, 𝜀(Eγ) là hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ quang điện của detector và Φ là thông lượng neutron.9) trở nên phức tạp hơn trong trường hợp thực tế phổ neutron không đơn sắc và độ dày của mẫu là hữu hạn làm suy giảm tia gamma hoặc tự che chắn neutron. Công thức bao gồm các hiệu ứng này là: ∞ μ(r) ργ = ∫ ∫0 NA σγ (En ) Φ′(En , r)ε(Eγ , r)dEn dr (1.10) M Trong đó μ(r) là mật độ khối lượng như là một hàm của vị trí trong mẫu, M là khối lượng nguyên tử của nguyên tố, NA là số Avogadro, σγ (En) là tiết diện phản ứng sinh tia gamma riêng phần như là một hàm của năng lượng neutron.