Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong bụi khí Hà Nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong bụi khí Hà Nội bằng phương pháp phân tích PIXE trên máy gia tốc Pelletron 5SDH 2.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hiệu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Mậu Chung
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Nghiên cứu ô nhiễm các kim loại nặng trong bụi khí ở Hà Nội bằng phương pháp phân tích PIXE trên máy gia tốc Pelletron 5SDH-2
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các dịch chuyển tia X
• 1.2. Công thức tính suất lượng tia X đối với mẫu mỏng
• 1.3. Tốc độ phát tia X và cường độ vạch phổ tia X
• 1.4. Hiệu suất huỳnh quang và các dịch chuyển Coster-Kronig
• 1.5. Hàm khớp đa thức đối với dữ liệu tiết diện ion hóa
• 1.6. Hiệu ứng thứ cấp
• 1.7. Giới hạn phát hiện
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp thu ghóp mẫu bụi khí
• 2.2. Thiết bị thu ghóp mẫu
• 2.3. Chọn vị trí thu góp mẫu
• 2.4. Thiết bị và quy trình phân tích mẫu bụi khí bằng kỹ thuật PIXE
• 2.5. Buồng gia tốc chính
• 2.6. Các hệ thống phụ trợ
• 2.7. Bố trí thí nghiệm và buồng phân tích
• 2.8. Phần mềm ghi nhận và xử lý số liệu
• 2.9. Phần mềm ghi nhận phổ RC43
• 2.10. Phần mềm phân tích phổ PIXE – GUPIX
• 2.11. Tiến hành phép đo và xử lý số liệu
• 2.12. Các phương pháp đo đối với mẫu mỏng
• 2.13. Tiến hành phép đo
• 2.14. Xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Các kết quả phép đo đối chứng với giá trị chuẩn trên mẫu V83
• 3.2. Các kết quả phép đo đối với các mẫu bụi khí trên phin lọc
• 3.3. Một số khuyến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng trong bụi khí Hà Nội

Ô nhiễm kim loại nặng trong bụi khí là một vấn đề nghiêm trọng tại Hà Nội, nơi có mật độ dân số cao và hoạt động công nghiệp phát triển. Các kim loại nặng như chì, cadmium, và arsenic không chỉ gây hại cho sức khỏe con người mà còn ảnh hưởng đến môi trường. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phân tích ô nhiễm kim loại nặng trong bụi khí Hà Nội bằng phương pháp PIXE, một kỹ thuật hiện đại cho phép xác định thành phần hóa học của bụi khí một cách chính xác.

1.1. Ô nhiễm kim loại nặng và tác động đến sức khỏe

Ô nhiễm kim loại nặng trong không khí có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm bệnh hô hấp, ung thư và các bệnh mãn tính khác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ kim loại nặng cao trong bụi khí có thể dẫn đến giảm tuổi thọ và chất lượng cuộc sống của người dân.

1.2. Tình hình ô nhiễm bụi khí tại Hà Nội

Hà Nội là một trong những thành phố ô nhiễm nhất châu Á, với nồng độ bụi PM2.5 và PM10 vượt mức cho phép. Các nguồn ô nhiễm chủ yếu bao gồm giao thông, xây dựng và hoạt động công nghiệp. Việc theo dõi và phân tích ô nhiễm bụi khí là cần thiết để đưa ra các biện pháp giảm thiểu hiệu quả.

II. Thách thức trong nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng

Nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong bụi khí gặp nhiều thách thức, bao gồm sự biến đổi của các yếu tố môi trường và sự phức tạp trong việc thu thập mẫu. Các yếu tố như thời tiết, địa hình và hoạt động con người đều ảnh hưởng đến nồng độ kim loại nặng trong không khí. Do đó, việc áp dụng các phương pháp phân tích chính xác là rất quan trọng.

2.1. Khó khăn trong việc thu thập mẫu bụi khí

Việc thu thập mẫu bụi khí cần phải được thực hiện tại các vị trí đại diện và trong các điều kiện thời tiết khác nhau. Điều này đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng và thiết bị chuyên dụng để đảm bảo tính chính xác của mẫu thu thập.

2.2. Sự biến đổi của nồng độ kim loại nặng

Nồng độ kim loại nặng trong bụi khí có thể thay đổi theo thời gian và không gian. Các yếu tố như gió, mưa và hoạt động công nghiệp có thể làm tăng hoặc giảm nồng độ kim loại nặng, gây khó khăn trong việc phân tích và đánh giá ô nhiễm.

III. Phương pháp phân tích ô nhiễm kim loại nặng bằng PIXE

Phương pháp PIXE (Particle Induced X-ray Emission) là một kỹ thuật phân tích hiện đại cho phép xác định thành phần hóa học của bụi khí một cách nhanh chóng và chính xác. Kỹ thuật này sử dụng chùm ion để kích thích mẫu, từ đó phát ra tia X đặc trưng cho từng nguyên tố. Điều này giúp xác định nồng độ kim loại nặng trong bụi khí một cách hiệu quả.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp PIXE

Phương pháp PIXE hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa chùm ion và nguyên tử trong mẫu. Khi chùm ion va chạm với nguyên tử, nó tạo ra lỗ trống trong lớp electron, và electron từ lớp ngoài sẽ nhảy vào lấp lỗ trống này, phát ra tia X. Tia X phát ra sẽ được ghi nhận và phân tích để xác định thành phần hóa học của mẫu.

3.2. Ưu điểm của phương pháp PIXE trong nghiên cứu ô nhiễm

Phương pháp PIXE có nhiều ưu điểm như khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố, độ nhạy cao và không phá hủy mẫu. Điều này làm cho PIXE trở thành một công cụ lý tưởng cho việc nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong bụi khí.

IV. Kết quả nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng tại Hà Nội

Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ kim loại nặng trong bụi khí Hà Nội vượt mức cho phép, với các nguyên tố như chì, cadmium và arsenic có nồng độ cao. Những kết quả này cho thấy sự cần thiết phải có các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm không khí tại thành phố.

4.1. Phân tích kết quả mẫu bụi khí

Các mẫu bụi khí được phân tích cho thấy nồng độ kim loại nặng cao hơn so với các tiêu chuẩn cho phép. Điều này cho thấy sự ô nhiễm nghiêm trọng và cần có các biện pháp khắc phục kịp thời.

4.2. So sánh với các nghiên cứu khác

Kết quả nghiên cứu được so sánh với các nghiên cứu trước đây và cho thấy sự gia tăng nồng độ kim loại nặng trong bụi khí. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc theo dõi ô nhiễm không khí thường xuyên.

V. Kết luận và khuyến nghị cho tương lai

Nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong bụi khí Hà Nội bằng phương pháp PIXE đã chỉ ra mức độ ô nhiễm nghiêm trọng và cần thiết phải có các biện pháp giảm thiểu. Các khuyến nghị bao gồm việc tăng cường giám sát ô nhiễm không khí và áp dụng các công nghệ sạch trong sản xuất.

5.1. Tầm quan trọng của việc giám sát ô nhiễm

Việc giám sát ô nhiễm không khí là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Cần có các chương trình giám sát định kỳ để theo dõi nồng độ kim loại nặng trong bụi khí.

5.2. Đề xuất các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm

Cần áp dụng các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm như cải thiện hệ thống giao thông công cộng, khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo và tăng cường quản lý chất thải. Những biện pháp này sẽ giúp cải thiện chất lượng không khí tại Hà Nội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm không khí đô thị đang là thách thức y tế và môi trường nghiêm trọng trên phạm vi toàn cầu. Theo số liệu thống kê từ Tổ chức Y tế Thế giới, ô nhiễm không khí đô thị cướp đi sinh mạng của khoảng 800.000 người và làm suy giảm tuổi thọ của 4,6 triệu người mỗi năm, trong đó hơn 66% số ca tập trung tại các quốc gia đang phát triển ở châu Á. Một nghiên cứu chuyên sâu công bố trên tạp chí Environmental Research Letters ước tính có tới 2,1 triệu ca tử vong sớm hàng năm do con người làm gia tăng nồng độ bụi mịn PM2.5. Hàng năm, bầu khí quyển toàn cầu phải tiếp nhận hơn 700 triệu tấn bụi cùng hàng triệu tấn kim loại nặng độc hại như 1,53 triệu tấn silic dioxit, 1,5 triệu tấn asen, hơn 1 triệu tấn niken, 900 tấn coban và 600.000 tấn kẽm. Tại Việt Nam, thủ đô Hà Nội đối mặt với tình trạng nồng độ bụi lơ lửng thường xuyên vượt ngưỡng quy chuẩn môi trường, tiềm ẩn nguy cơ cao gây tổn thương hệ hô hấp và tim mạch cho cộng đồng. Nhằm giải quyết bài toán cấp thiết này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý nguyên tử tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tiến hành nghiên cứu xác định nồng độ các kim loại nặng trong bụi khí tại trạm quan trắc Láng. Mục tiêu cốt lõi của công trình là thiết lập và chuẩn hóa quy trình phân tích huỳnh quang tia X kích thích bởi chùm hạt (PIXE) trên máy gia tốc tĩnh điện kép Pelletron 5SDH-2 với điện áp vận hành 1,7 MV. Luận văn thực hiện phân tích định lượng 20 mẫu phin lọc bụi khí thực tế, kiểm chứng độ tin cậy thông qua mẫu đối chứng quốc tế V83 của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) và đối chuẩn trực tiếp với kết quả đo tại Tổ chức Khoa học và Công nghệ Hạt nhân Úc (ANSTO).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở khoa học của luận văn xây dựng trên lý thuyết tương tác giữa chùm hạt proton năng lượng cao (từ 1 đến 4 MeV) với các lớp vỏ electron của nguyên tử bia, gây phát xạ tia X đặc trưng (kỹ thuật PIXE). Quá trình này được mô tả qua mô hình gần đúng sóng phẳng Born (PWBA) kết hợp hiệu chỉnh trạng thái dừng bị nhiễu loạn, hiệu ứng tương đối tính và hiệu ứng Coulomb trong khuôn khổ lý thuyết ECPSSR đối với lớp vỏ K, L và lý thuyết CPWBA đối với lớp vỏ M. Ba khái niệm vật lý then chốt điều khiển quá trình phát xạ bao gồm: tiết diện ion hóa nguyên tử, hiệu suất huỳnh quang biểu thị xác suất phát photon tia X khi lỗ trống electron được lấp đầy, và các chuyển dịch Coster-Kronig giữa các phân lớp trong cùng một lớp vỏ năng lượng. Bên cạnh đó, hiện tượng bức xạ hãm liên tục (Bremsstrahlung) của electron thứ cấp tạo ra nền phông chính trong phổ đo, đòi hỏi các hàm khớp đa thức bậc 5 để tính toán chính xác diện tích đỉnh phổ thực tế. Kỹ thuật PIXE cho phép phân tích đồng thời 25 đến 30 nguyên tố hóa học có số nguyên tử từ natri trở đi với giới hạn phát hiện cực thấp (dưới 1 µg/g), giữ nguyên vẹn cấu trúc mẫu sau khi chiếu xạ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập từ 20 mẫu bụi khí (ký hiệu từ Fi-21 đến Fi-40) thuộc phân đoạn bụi thô PM2.5-10 và bụi mịn PM2.5 tại trạm khí tượng Láng, Hà Nội. Thiết bị thu mẫu chuyên dụng là máy lấy mẫu nhiều tầng GENT-SFU, sử dụng phin lọc màng xốp Polycarbonate (Nuclepore) đường kính 47 mm, diện tích hiệu dụng 11,95 cm2, vận hành ở lưu lượng dòng khí chuẩn 16 lít/phút liên tục trong 24 giờ, tương ứng tổng thể tích khí lọc qua khoảng 20 đến 30 m3. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ quy chuẩn quốc tế với độ cao đặt đầu thu 1,6 m cách mặt đất, cách xa các vật cản trên 20 m nhằm đảm bảo tính đại diện cao cho không gian đô thị. Để phân tích thành phần nguyên tố, mẫu phin lọc được gắn lên đế graphit và chiếu xạ trong buồng chân không cao dưới 5x10^-6 Torr của máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2. Chùm proton có năng lượng 3,4 MeV, cường độ dòng 16 nA và điện tích tích lũy đạt 20 µC cho mỗi lần đo. Phổ huỳnh quang tia X được ghi nhận bằng đầu dò bán dẫn Silicon Drift Detector (SDD) Sirius có độ phân giải năng lượng 138 eV tại đỉnh 5,9 keV của mangan, kết hợp tấm lọc Mylar 100 µm. Dữ liệu phổ được xử lý qua phần mềm RC43 và khớp bình phương tối thiểu phi tuyến bằng chương trình GUPIX kết hợp chuẩn hóa với mẫu chuẩn niken Micromatter (38,8 µg/cm2).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu mang lại bốn phát hiện quan trọng có ý nghĩa học thuật và giá trị thực tiễn cao:

• Chuẩn hóa thành công hệ số độ nhạy: Phép đo mẫu chuẩn ngoài đơn nguyên tố niken (hàm lượng 38,8 µg/cm2) đã xác định chính xác hệ số chuẩn H đạt 1,2779 mSr, hiệu chỉnh hoàn hảo so với góc khối danh định 1,722 mSr của đầu dò SDD.
• Độ chính xác cao trên mẫu chuẩn quốc tế: Phân tích kiểm chứng trên mẫu đối chứng IAEA V83 cho thấy sự tương thích xuất sắc giữa giá trị thực nghiệm đo được trên hệ Pelletron 5SDH-2 và giá trị chứng nhận của IAEA, với độ lệch tương đối của hầu hết các nguyên tố kim loại nặng duy trì dưới ngưỡng 8%.
• Định lượng thành công đa nguyên tố trong bụi khí Hà Nội: Phân tích 20 mẫu phin lọc thực tế (Fi-21 đến Fi-40) đã định lượng đồng thời hàm lượng của hàng loạt kim loại nặng và nguyên tố vết như titan, mangan, sắt, niken, đồng, kẽm và chì trong cả hai phân đoạn bụi PM2.5 và PM2.5-10.
• Đối chuẩn quốc tế đồng nhất: Kết quả so sánh thống kê giữa hệ đo tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và hệ phân tích PIXE của Tổ chức Khoa học và Công nghệ Hạt nhân Úc (ANSTO) cho thấy hệ số tương quan rất cao, với tỷ lệ hàm lượng đo được giữa hai phòng thí nghiệm phân bố tập trung quanh mốc 1,00 trên toàn bộ dải mẫu.

Thảo luận kết quả

Quá trình phân tích phổ PIXE bằng phần mềm GUPIX cho thấy hàm khớp mô tả chính xác biên dạng các đỉnh phổ tia X đặc trưng, với đồ thị sai số thặng dư (Residual) trên toàn dải năng lượng luôn nhỏ hơn 10, chứng minh thuật toán trừ phông số học và tính toán ma trận mỏng đạt hiệu quả cao. Kết quả được trực quan hóa rõ nét qua các biểu đồ hộp (box plot) thể hiện tỷ lệ nồng độ nguyên tố giữa hai phòng thí nghiệm, qua đó phản ánh độ tán xạ dữ liệu rất hẹp đối với các nguyên tố như sắt, kẽm và titan. Sự hiện diện nồng độ cao của các kim loại nặng như kẽm, chì và đồng trong các phân đoạn hạt mịn tại trạm Láng phản ánh trực tiếp áp lực từ hoạt động giao thông cơ giới dày đặc (bào mòn lốp xe, má phanh, phụ gia dầu nhớt) kết hợp với khí thải từ các công trình xây dựng và cụm công nghiệp ngoại thành. Nền phông bức xạ hãm liên tục được khống chế thành công dưới 10% nhờ cấu trúc đế graphit và tấm lọc Mylar 100 µm, khẳng định máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 tại Việt Nam hoàn toàn làm chủ kỹ thuật phân tích hạt nhân tiên tiến tương đương các trung tâm nghiên cứu bức xạ quốc tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường đồng bộ:

• Cải tiến thiết kế buồng chiếu phân tích: Nhóm nghiên cứu phòng thí nghiệm máy gia tốc cần thiết kế và lắp đặt cốc Faraday graphit hình trụ chuyên dụng ngay phía sau giá đỡ mẫu trong vòng 6 đến 12 tháng tới. Mục tiêu cụ thể là triệt tiêu hoàn toàn tia X tán xạ ngược từ đế đỡ, giảm 30% đến 40% phông bức xạ hãm nền và hạ thấp giới hạn phát hiện đối với các kim loại nặng có hàm lượng siêu vết.
• Tối ưu hóa cấu hình đầu dò với hệ bẫy từ trường: Phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên cần nghiên cứu ứng dụng cụm nam châm vĩnh cửu để làm lệch hướng chùm proton tán xạ thay thế cho tấm lọc Mylar 100 µm trong thời gian 1 năm. Giải pháp này hướng tới mục tiêu tăng hiệu suất ghi nhận tia X của các nguyên tố nhẹ từ natri đến silic thêm 25%, giúp mở rộng dải phân tích toàn diện thành phần khoáng vật trong bụi khí.
• Mở rộng mạng lưới quan trắc hạt nhân đô thị: Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội phối hợp cùng Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam triển khai lắp đặt trạm thu mẫu bụi khí nhiều tầng GENT-SFU và máy cyclone ASP tại 5 điểm nút giao thông trọng điểm trong giai đoạn 2 năm. Target đề ra là thu thập liên tục 365 mẫu bụi phân đoạn/năm nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa theo thời gian thực về nguồn phát thải kim loại độc hại.
• Chuẩn hóa quy trình liên phòng và thư viện hệ số H: Đơn vị vận hành máy gia tốc cần bổ sung định kỳ bộ mẫu chuẩn mỏng đa nguyên tố Micromatter và cập nhật tập tin tham số cho phần mềm GUPIX trong 6 tháng, đảm bảo sai số định lượng phân tích định kỳ luôn được kiểm soát chặt chẽ dưới 5%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu này mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn to lớn cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Các nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Vật lý Hạt nhân, Vật lý Nguyên tử: Luận văn cung cấp toàn bộ nền tảng toán học về lý thuyết ECPSSR, cơ chế phát tia X, phương pháp hiệu chỉnh phông và hướng dẫn chi tiết quy trình vận hành phần mềm GUPIX để xử lý dữ liệu thực nghiệm trên máy gia tốc tĩnh điện.
• Kỹ sư và chuyên gia quan trắc chất lượng không khí: Tài liệu là cẩm nang hữu ích hướng dẫn kỹ thuật lấy mẫu bụi khí phân đoạn PM2.5-10 bằng máy GENT-SFU tại hiện trường, bảo quản phin lọc Nuclepore và phân tích hóa học bụi khí mà không làm biến tính hay phá hủy mẫu vật.
• Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách bảo vệ môi trường: Cán bộ thuộc các Sở Tài nguyên và Môi trường, Cục Kiểm soát Ô nhiễm có thể khai thác bộ dữ liệu thực chứng về ô nhiễm kim loại nặng (chì, kẽm, sắt, đồng) tại Hà Nội để xây dựng các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng phát thải bụi đô thị.
• Giảng viên và sinh viên các khối ngành Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Hạt nhân: Luận văn đóng vai trò là tài liệu tham khảo giảng dạy mẫu mực về việc ứng dụng kỹ thuật chùm ion (IBA) hiện đại vào giải quyết các bài toán liên ngành giữa vật lý, hóa học môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

Kỹ thuật phân tích PIXE có ưu điểm gì vượt trội so với các phương pháp hóa ướt truyền thống như AAS hay ICP-MS?

Kỹ thuật PIXE sở hữu ưu thế vượt bậc là phương pháp phân tích hoàn toàn không phá hủy mẫu, cho phép giữ nguyên vẹn phin lọc bụi khí sau khi chiếu xạ để phục vụ các phân tích bổ trợ khác. Phương pháp này có khả năng định lượng đồng thời 25 đến 30 nguyên tố từ natri đến urani chỉ trong khoảng 5 đến 10 phút đo với độ nhạy đạt mức dưới 1 µg/g, không đòi hỏi quá trình hòa tan mẫu bằng axit độc hại.

Vì sao phin lọc Nuclepore Polycarbonate lại được ưu tiên lựa chọn hơn phin lọc Teflon trong nghiên cứu bụi khí tại Hà Nội?

Phin lọc Nuclepore Polycarbonate đường kính 47 mm có khối lượng nền nhẹ và khả năng duy trì độ dày khối lượng dưới 1 mg/cm2 ngay cả khi tải lượng bụi không khí thu vào lên đến 500 µg/cm3. Đặc tính này đảm bảo mẫu bụi thu được tại khu vực có độ ô nhiễm cao như Hà Nội vẫn thỏa mãn điều kiện mẫu mỏng lý tưởng cho phân tích PIXE, tránh hiện tượng tự hấp thụ tia X bên trong mẫu.

Phần mềm GUPIX đóng vai trò gì trong việc xử lý phổ huỳnh quang tia X và đánh giá sai số phân tích?

Phần mềm GUPIX sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu phi tuyến để làm khớp chính xác các đỉnh phổ tia X đặc trưng với dữ liệu lý thuyết ECPSSR. Chương trình tự động trừ nền bức xạ hãm, tính toán ma trận hấp thụ và xuất đồ thị sai số thặng dư Residual; khi giá trị Residual duy trì dưới 10 trên toàn dải phổ, kết quả tính toán hàm lượng nguyên tố được đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối.

Tại sao cần sử dụng mẫu chuẩn ngoài niken Micromatter và mẫu đối chứng IAEA V83 trong thực nghiệm?

Mẫu chuẩn ngoài niken Micromatter với hàm lượng chuẩn 38,8 µg/cm2 được sử dụng để xác định chính xác hệ số chuẩn hình học H bằng 1,2779 mSr, loại bỏ hoàn toàn sai số hệ thống về góc khối và điện tích đo. Đồng thời, việc phân tích mẫu đối chứng quốc tế IAEA V83 giúp kiểm chứng chéo và khẳng định độ chuẩn xác của toàn bộ quy trình đo đạc trước khi áp dụng trên mẫu thực tế.

Luận văn đã áp dụng những giải pháp kỹ thuật nào để triệt tiêu bức xạ hãm liên tục trong buồng phân tích?

Nghiên cứu đã sử dụng đế đỡ mẫu làm từ vật liệu graphit có số hiệu nguyên tử cácbon thấp (Z=6) nhằm giảm thiểu tối đa bức xạ hãm sinh ra do hạt proton tương tác với đế. Ngoài ra, việc kết hợp tấm lọc Mylar dày 100 µm đặt trước cửa sổ đầu dò SDD đã giúp loại bỏ hiệu quả các photon năng lượng thấp gây nhiễu phông, nâng cao tỷ số đỉnh trên phông cho các kim loại nặng.

Kết luận

Tóm lại, luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Văn Hiệu đã đạt được những dấu ấn khoa học xuất sắc với 5 điểm nhấn trọng tâm:

• Chuẩn hóa và làm chủ thành công quy trình phân tích huỳnh quang tia X kích thích bởi chùm hạt (PIXE) trên máy gia tốc tĩnh điện Tandem Pelletron 5SDH-2 tại Việt Nam.
• Định lượng chính xác nồng độ đa nguyên tố kim loại nặng độc hại trong các phân đoạn bụi khí PM2.5 và PM2.5-10 tại khu vực trạm khí tượng Láng, Hà Nội.
• Kiểm chứng độ chính xác và độ lặp lại xuất sắc qua mẫu chuẩn quốc tế IAEA V83 với sai số thực nghiệm duy trì dưới 8%.
• Đạt độ tin cậy và sự tương quan đồng nhất khi đối chuẩn kết quả với Tổ chức Khoa học và Công nghệ Hạt nhân Úc (ANSTO).
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cải tiến cấu hình buồng chiếu và cốc Faraday graphit nhằm nâng cao năng lực phân tích vi lượng hạt nhân.

Về lộ trình tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến hoàn thiện hệ thống bẫy từ trường và mở rộng quan trắc chuỗi dữ liệu đa điểm tại Hà Nội trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới. Các viện nghiên cứu môi trường, trường đại học và cơ quan quản lý nhà nước hãy chủ động liên hệ hợp tác và khai thác quy trình phân tích PIXE trên máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ hạt nhân hòa bình vào công tác giám sát và bảo vệ môi trường không khí tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 – TỔNG QUAN Kỹ thuật phân tích bằng tia X gây bởi chùm hạt (Particle Induced X-ray Emission – PIXE) có lịch sử hình thành từ năm 1976 từ bài báo tổng quan của Johansson [2]. Khoảng thời gian đó có nhiều công bố khoa học về phương pháp cũng như ứng dụng liên quan đến kỹ thuật này, cụ thể là trong tuyển tập hội nghị quốc tế về PIXE tổ chức năm 1977, 1981 và 1984. Kỹ thuật PIXE là một công cụ mạnh và tiên tiến cho phân tích không phá hủy thành phần vi lượng của các nguyên tố trong mẫu với thời gian đo mỗi mẫu điển hình chỉ khoảng vài phút. Kỹ thuật này sử dụng chùm Ion có năng lượng vào khoảng từ 0.5 đến 10 MeV/amu và sử dụng detector bán dẫn Si để ghi nhận tia X sinh ra.

Hầu hết các nguyên tố từ Na trở đi có thể được phân tích trong dải năng lượng tia X từ 1 đến 100 keV. Năng lượng của tia X phát ra đặc trưng cho nguyên tố bị bắn phá bởi chùm ion và số lượng tia X đặc trưng này sẽ tỉ lệ với hàm lượng nguyên tố. Khoảng từ 25 đến 30 nguyên tố có thể được phân tích đồng thời với ngưỡng phát hiện (LOD) dưới µg/g trong một số trường hợp. Định nghĩa Sự phát tia X (đặc trưng) gây bởi chùm hạt (PIXE) là một quá trình gồm nhiều giai đoạn, đầu tiên chùm ion tới tương tác với nguyên tử bia, tạo ra lỗ trống ở các lớp electron bên trong, sau đó electron lớp ngoài nhảy vào lấp lỗ trống này và năng lượng sinh ra do quá trình chuyển mức năng lượng này sẽ được truyền cho photon phát ra (tia X) hay electron Auger.1 biểu diễn một số dịch chuyển có thể xảy ra đối với một lỗ trống tại một phân lớp thuộc lớp K hoặc L kèm theo ký hiệu tương ứng của dịch chuyển đó, được đặt tên dựa trên sự khác nhau về mức năng lượng của electron nhảy vào chiếm chỗ.

Các vạch phổ tia X tương ứng được phân thành 3 phân nhóm chính là α, β, γ dựa vào năng lượng của chúng. Các vạch phổ loại α có năng lượng lớn hơn các vạch phổ loại β và vạch phổ loại này lại có năng lượng cao hơn vạch phổ loại γ. Có khoảng 13 vạch nhóm K, 37 vạch nhóm L 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu và 39 vạch nhóm M thường quan sát được mặc dù đối với các nguyên tố nhẹ thì chỉ có detector có độ phân giải rất cao mới có thể quan sát được toàn bộ các vạch này. Các dịch chuyển tia X Hệ thống ký hiệu Siegbahn sử dụng các ký tự như K, L1, L2, L3, M1… để đặt tên cho các phân lớp electron theo thứ tự từ phân lớp gần hạt nhân nhất ra bên ngoài.

Lớp K không chia thành phân lớp nào trong khi lớp L được chia thành 3 phân lớp ký hiệu Li (i từ 1 cho đến 3), lớp M có 5 phân lớp ký hiệu Mi (i từ 1 cho đến 5) và lớp N có 7 phân lớp ký hiệu Ni (i từ 1 cho đến 7). Các chữ cái này được sử dụng để ký hiệu cho các vạch tia X tương ứng với dịch chuyển electron tới các phân lớp tương ứng. Sơ đồ mức năng lượng nguyên tử, bên trái là hệ thống ký hiệu Siegahn (cũ) và bên phải là ký hiệu phổ (lượng tử). Các dịch chuyển tương ứng cũng được biểu diễn.

5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu Hệ thống ký hiệu phổ (lượng tử) sử dụng 3 số lượng tử n,l và j để ký hiệu cho từng phân lớp electron. Các số lượng tử chính n=1,2,3… tương ứng với các lớp chính K, L, M… Các ký hiệu s, p, d, f… đại diện cho các phân lớp với số lượng tử quỹ đạo tương ứng l=0, 1, 2 ,3… trong khi số lượng tử tổng j=l+s với s là số lượng tử spin. Mỗi phân lớp được ký hiệu là nlj, ví dụ phân lớp L3 trong ký hiệu Siegahn sẽ được ký hiệu là 2p3/2, tia X Lα1 được tạo ra bởi dịch chuyển từ phân lớp này đến phân lớp 3d5/2. Theo cơ học lượng tử, các dịch chuyển cho phép phải thỏa mãn điều kiện Δn>0, Δl=±1 và Δj=0, ±1, các dịch chuyển không thỏa mãn điều kiện này xảy ra với xác suất rất nhỏ và được gọi là dịch chuyển cấm.

Các detector bán dẫn sử dụng đo tia X hiện nay có độ phân giải năng lượng lớn hơn hoặc vào cỡ 140 eV, vì độ mỏng cửa sổ của detector có giới hạn nên năng lượng tia X nhỏ nhất có thể ghi nhận được vào khoảng 1 keV. Các giới hạn này của detector do đó chỉ cho phép ghi nhận được 2 đến 3 vạch tia X loại K, 9 đến 13 vạch tia X loại L và ít hơn 6 vạch tia X loại M. Các detector hiện đại có hiệu suất ghi lớn đối với tia X năng lượng tử 1 đến 60 keV có thể ghi nhận được tia X vạch K phát ra từ các nguyên tố từ Na đến W, tia X loại L từ nguyên tố Zn trở đi và tia X loại M từ nguyên tố Dy trở đi. Công thức tính suất lượng tia X đối với mẫu mỏng Suất lượng tia X tương ứng với mỗi khoảng năng lượng chùm tia tới từ E cho đến (E+∆ ) trong bia được cho bởi tích số giữa số hạt tới tương tác với bia, số nguyên tử bia trong vùng năng lượng đó trên một đơn vị diện tích, tiết diện tạo lỗ trống trong lớp vỏ nguyên tử (tiết diện ion hóa), hiệu suất huỳnh quang tương ứng, tỉ lệ số tia X tương ứng với các vạch (ví dụ vạch Kα, Kβ…), sự suy giảm của tia X sinh ra này khi đi qua độ dày x (là độ dày mà tia X phải đi qua để ra khỏi mẫu hướng tới detector và quãng đường tia X đi qua tấm lọc) và hiệu suất ghi tuyệt đối của detector tại hình học xác định đã bao gồm góc khối của detector.

Bia dạng rắn được coi là bia mỏng trong trường hợp năng lượng bị suy giảm trong quá trình hạt tới đi trong mẫu và sự tự hấp thu của tia X trong mẫu là không 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu đáng kể. Trong trường hợp của bia mỏng, nếu cho trước số hạt proton tới với năng lượng E0 đi qua một bia mỏng đồng nhất có bề dày x (đơn vị μgcm-2) có khối lượng nguyên tử Z và số khối A, suất lượng tia X đối với vạch thứ i (ví dụ Kα, Lα) là [4] ( ) = 4.968 ∗ 10 /sin ( ) (1) Trong đó N 2 là số nguyên tử bia trên một cm-3, x là bề dày bia (đơn vị μgcm-2),  px là tiết diện sinh tia X (X-ray production cross section),  là góc khối của detector (đơn vị steradian), Q là tổng số điện tích của hạt tới trên mẫu (đơn vị μC),  i là góc giữa mặt phẳng mẫu và hướng chùm tia,  là hiệu suất ghi nội của detector tia X. Đối với mẫu mỏng, nếu tính đến sự suy giảm năng lượng của chùm tia tới và sự tự hấp thụ tia X trong mẫu thì ta phải đưa vào hiệu chỉnh đối với công thức 1 bằng cách thay giá trị E1 bằng E1  E / 2 với ΔE là năng lượng chùm tia tới bị suy giảm trong mẫu và bề dày mẫu được thay bằng giá trị bề dày hiệu dụng x' được tính bằng công thức sau:     t sec  0  x'  x exp       (2)   2  Trong đó  /  là hệ số suy giảm khối của tia X (đơn vị cm2/g),  là mật độ khối (đơn vị g cm-3), mật độ khối của bia là t   x (g cm2),  0 là góc giữa hướng của detector tới bia và pháp tuyến mặt phẳng bia. Khi đó công thức trở thành: ( − ∆ /2) = 4.5( / ) ( )]/sin ( ) (3) Đối với bia có độ dày nhỏ hơn 500 μg/cm2 và tia X năng lượng lớn hơn 5 keV hiệu chỉnh này nhỏ hơn 10%.

Tốc độ phát tia X và cường độ vạch phổ tia X Như đã đề cập ở phần trên, lỗ trống được tạo ra tại các phân lớp nằm sâu bên trong nguyên tử sẽ được lấp bằng các chuyển dịch của electron từ các phân lớp 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu ngoài. Để tính toán xác suất đối với một dịch chuyển i ta phải biết tỉ lệ giữa độ rộng phát xạ riêng phần (partial radiative width) i ( R) đối với dịch chuyển đó và tổng độ rộng phát xạ đối với phân lớp s là  s ( R ) : Si   i ( R ) /  s ( R ). Tỉ lệ này được gọi là tốc độ phát tia X tương đối của dịch chuyển i đối với phân lớp s. Độ rộng này có đơn vị là eV và tốc phát tia X có đơn vị là eV / .

Tốc độ phát tia X của các vạch tia X phát ra từ một phân lớp đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện nguyên tố. Hiệu suất huỳnh quang và các dịch chuyển Coster-Kronig Tiết diện sinh tia X ( X-ray production cros-section) bao gồm tiết diện ion hóa và xác suất phát tia X từ một sự kiện ion hóa, còn được gọi là hiệu suất huỳnh quang . Hiệu suất huỳnh quang đối với một lớp vỏ electron bằng số photon phát ra khi các lỗ trống trong một lớp được lấp đầy, chia cho số lỗ trống ban đầu được tạo ra N S ở lớp vỏ đó. Đối với lớp K chỉ có 1 phân lớp thì hiệu suất huỳnh quang được ký hiệu là  K trong khi đối với các lớp L và M thì được ký hiệu là i với i=L1, L2, L3, hay M1, M2, M3, M4, M5.

Tiết diện ion hóa đối với lớp K  KI liên hệ với tiết diện sinh tia X của lớp K và hiệu suất huỳnh quang  K theo biểu thức sau đây:  px  K  KI (4)  K nhận giá trị từ 0 đến 1. Hiệu suất huỳnh quang nói chung phụ thuộc vào nguyên tử số Z 2 của bia và trạng thái điện tích ban đầu của nó nhưng không phụ thuộc vào nguyên tử số Z1 và năng lượng của hạt tới.