Luận văn thạc sĩ về đồng vị 14C và biến động khí hậu ở Việt Nam

Luận văn thạc sĩ phân tích hus đồng vị 14c và biến động của khí hậu ở việt nam, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hường
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quang Miên
• Trường học: Đại học quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao
• Đề tài: Đồng vị 14C và biến động của khí hậu ở Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.1. Cơ sở khoa học của phương pháp
• 1.1.1. Sự hình thành của đồng vị 14C trong tự nhiên
• 1.1.2. Biến thiên hàm lượng 14C theo thời gian
• 1.1.3. Cơ sở của phương pháp
• 1.2. Các phương pháp đo đồng vị phóng xạ
• 1.2.1. Kỹ thuật đo hàm lượng 14C bằng phương pháp ống đếm chứa khí (GPC)
• 1.2.2. Kỹ thuật đo đồng vị 14C bằng phổ kế gia tốc khối lượng (AMS)
• 1.2.3. Kỹ thuật đo hoạt độ 14C bằng detector nhấp nháy lỏng
• 1.3. Đo đồng vị 14C bằng detector nhấp nháy
• 1.3.1. Giới thiệu về detector nhấp nháy
• 1.3.2. Detector nhấp nháy lỏng
• 1.4. Những vấn đề quan tâm nghiên cứu của luận văn
• 1.4.1. Quy trình phân tích hàm lượng trong mẫu môi trường sử dụng hệ đo Tri-carb 2770TR/SL
• 1.4.1.1. Thu thập mẫu
• 1.4.1.2. Phân loại và làm sạch mẫu
• 1.4.1.3. Làm giàu mẫu bằng kỹ thuật benzen hóa
• 1.4.2. Gia công chế tạo detector nhấp nháy lỏng cho hệ Tri-carb 2770TR/SL
• 1.4.3. Đo hoạt độ phóng xạ bêta trên máy đo Tri-carb 2770TR/SL
• 1.4.4. Thực nghiệm xác định hàm lượng đồng vị 14C trong một số mẫu vật
• 1.4.4.1. Thu thập mẫu
• 1.4.4.2. Làm sạch mẫu bằng xử lý hóa học
• 1.4.4.3. Làm giàu mẫu bằng tổng hợp benzen
• 1.4.5. Đo mẫu trên hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770TR/SL
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Sai số trong phép đo phóng xạ hoạt độ nhỏ
• 3.1.1. Số đếm trung bình và sai số của phép đo
• 3.1.2. Sai số đo hiệu dụng tốc độ đếm
• 3.1.3. Đánh giá độ nhạy phép đo
• 3.2. Xác định hoạt độ carbon phóng xạ trong mẫu
• 3.3. Biến thiên của hàm lượng đồng vị 14C theo thời gian
• 3.4. So sánh với một số nghiên cứu khác
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu đồng vị 14C và biến động khí hậu

Nghiên cứu đồng vị 14C là một lĩnh vực quan trọng trong việc hiểu biết về biến động khí hậu tại Việt Nam. Đồng vị 14C, một đồng vị phóng xạ của carbon, được sử dụng để xác định tuổi của các mẫu vật và nghiên cứu sự thay đổi khí hậu qua thời gian. Việc phân tích hàm lượng 14C giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các biến động khí hậu trong quá khứ và hiện tại.

1.1. Cơ sở khoa học của đồng vị 14C trong nghiên cứu khí hậu

Đồng vị 14C được hình thành từ khí nitơ trong khí quyển dưới tác động của bức xạ vũ trụ. Quá trình này tạo ra một lượng nhỏ đồng vị 14C trong tự nhiên, và tỷ lệ giữa 14C và 12C trong khí quyển có thể phản ánh các biến động khí hậu. Nghiên cứu này giúp xác định các giai đoạn biến đổi khí hậu trong lịch sử.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu biến động khí hậu tại Việt Nam

Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề từ biến đổi khí hậu. Nghiên cứu đồng vị 14C không chỉ giúp xác định tuổi của các mẫu vật mà còn cung cấp thông tin quý giá về các biến động khí hậu trong quá khứ, từ đó đưa ra các dự báo cho tương lai.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu đồng vị 14C

Mặc dù nghiên cứu đồng vị 14C mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải không ít thách thức. Việc thu thập mẫu, phân tích và xác định hàm lượng 14C đòi hỏi kỹ thuật cao và thiết bị hiện đại. Ngoài ra, sự biến động của khí hậu cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của các kết quả nghiên cứu.

2.1. Những khó khăn trong việc thu thập mẫu

Việc thu thập mẫu để phân tích đồng vị 14C thường gặp khó khăn do điều kiện tự nhiên và môi trường. Các mẫu cần được bảo quản và xử lý đúng cách để đảm bảo độ chính xác trong phân tích.

2.2. Độ chính xác trong phân tích đồng vị 14C

Độ chính xác của các phương pháp phân tích đồng vị 14C phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kỹ thuật đo, thiết bị sử dụng và điều kiện môi trường. Việc cải thiện độ chính xác là một thách thức lớn trong nghiên cứu này.

III. Phương pháp nghiên cứu đồng vị 14C hiệu quả

Có nhiều phương pháp để xác định hàm lượng đồng vị 14C, trong đó phổ biến nhất là phương pháp đo bằng ống đếm chứa khí (GPC) và phổ kế gia tốc khối lượng (AMS). Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Phương pháp đo bằng ống đếm chứa khí GPC

Phương pháp GPC đã được sử dụng từ lâu và cho phép xác định hoạt độ phóng xạ của đồng vị 14C. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là độ nhạy thấp và dễ bị nhiễu.

3.2. Phương pháp phổ kế gia tốc khối lượng AMS

AMS là phương pháp hiện đại nhất hiện nay, cho phép xác định hàm lượng 14C với độ nhạy cao và lượng mẫu cần thiết rất nhỏ. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho thiết bị AMS rất cao.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu đồng vị 14C

Nghiên cứu đồng vị 14C không chỉ có giá trị trong lĩnh vực khoa học mà còn có ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như khảo cổ học, địa chất học và nghiên cứu môi trường. Việc xác định tuổi của các mẫu vật giúp hiểu rõ hơn về lịch sử và sự phát triển của môi trường.

4.1. Ứng dụng trong khảo cổ học

Nghiên cứu đồng vị 14C giúp xác định tuổi của các di tích khảo cổ, từ đó cung cấp thông tin về nền văn minh và lịch sử phát triển của con người.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu môi trường

Việc phân tích hàm lượng 14C trong các mẫu môi trường giúp đánh giá sự biến động khí hậu và tác động của con người đến môi trường tự nhiên.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu đồng vị 14C tại Việt Nam

Nghiên cứu đồng vị 14C đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu biết về biến động khí hậu tại Việt Nam. Với sự phát triển của công nghệ và phương pháp nghiên cứu, hy vọng rằng các kết quả nghiên cứu sẽ ngày càng chính xác và có giá trị hơn trong việc ứng phó với biến đổi khí hậu.

5.1. Tương lai của nghiên cứu đồng vị 14C

Trong tương lai, nghiên cứu đồng vị 14C sẽ tiếp tục phát triển và đóng góp vào việc hiểu biết về biến động khí hậu. Các công nghệ mới sẽ giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả của các phương pháp phân tích.

5.2. Vai trò của cộng đồng khoa học trong nghiên cứu khí hậu

Cộng đồng khoa học cần hợp tác chặt chẽ để chia sẻ thông tin và kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra các giải pháp hiệu quả trong việc ứng phó với biến đổi khí hậu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang là thách thức an ninh sinh thái nghiêm trọng nhất trong thế kỷ 21, trực tiếp đe dọa sinh kế và hạ tầng kinh tế của nhiều quốc gia. Với đường bờ biển trải dài trên 3.444 km, Việt Nam được các tổ chức quốc tế xếp vào nhóm 10 quốc gia chịu tổn thương nặng nề nhất bởi các hiện tượng thời tiết cực đoan và nước biển dâng. Để dự báo chính xác xu thế khí hậu tương lai, việc nghiên cứu các quy luật biến thiên cổ khí hậu trong quá khứ thông qua các chỉ thị đồng vị phóng xạ đóng vai trò nền tảng.

Trong tự nhiên, đồng vị phóng xạ Carbon-14 tồn tại với tỷ lệ rất nhỏ khoảng 1,3 nhân 10 mũ trừ 10 phần trăm nhưng lại là chiếc đồng hồ nguyên tử lý tưởng nhờ chu kỳ bán rã 5.730 năm. Nghiên cứu xác định hàm lượng đồng vị Carbon-14 và sự thăng giáng của tỷ số Carbon-14 trên Carbon-12 trong sinh quyển cho phép phục dựng bức tranh hoạt động bức xạ mặt trời và sự thay đổi nhiệt độ Trái Đất qua các thời kỳ lịch sử. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao được tác giả Nguyễn Thị Hường triển khai từ tháng 4 năm 2010 đến tháng 12 năm 2010 tại Phòng Thí nghiệm và Xác định niên đại thuộc Viện Khảo cổ học.

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng quy trình thực nghiệm chuẩn hóa từ khâu tiền xử lý hóa học, tổng hợp benzen làm giàu mẫu đến việc đo hoạt độ phóng xạ beta trên hệ phổ kế nhấp nháy lỏng siêu sạch Tri-carb 2770TR/SL. Đề tài đem lại giá trị khoa học vượt trội khi chứng minh tính khả thi của kỹ thuật nhấp nháy lỏng trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam với sai số chỉ tương đương khoảng 35 năm, mở ra hướng ứng dụng kinh tế với chi phí phân tích giảm 50% so với phương pháp khối phổ gia tốc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết hình thành và phân rã đồng vị phóng xạ hạt nhân trong chu trình carbon tự nhiên. Về cơ chế sinh thành, đồng vị Carbon-14 được tạo ra liên tục ở tầng bình lưu của khí quyển tại độ cao từ 15 km đến 20 km thông qua phản ứng nhiệt hạch giữa hạt nơtron từ tia vũ trụ và hạt nhân Nitơ-14 theo phương trình hạt nhân giải phóng năng lượng 0,6 MeV. Sau khi sinh ra, nguyên tử Carbon-14 nhanh chóng bị oxy hóa thành khí Carbonic và hòa vào chu trình tuần hoàn sinh quyển với tỷ số cân bằng Carbon-14 trên Carbon-12 ước tính đạt 1,3 nhân 10 mũ trừ 12.

Về cơ chế phân rã, khi sinh vật chết và ngừng quá trình trao đổi chất với môi trường, hoạt độ phóng xạ giảm dần theo định luật phân rã phóng xạ tự phát với hằng số phóng xạ đặc trưng của Carbon-14 qua quá trình phát xạ hạt beta mang điện chuyển hóa trở lại thành Nitơ-14 bền. Bên cạnh đó, mô hình tương tác bức xạ với vật chất trong detector nhấp nháy lỏng được áp dụng để mô tả quá trình chuyển đổi động năng của chùm hạt beta năng lượng cực đại 156 keV thành các photon ánh sáng khả kiến, sau đó được nhân quang điện tử khuếch đại thành tín hiệu xung điện áp định lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn tiếp cận bằng phương pháp thực nghiệm vật lý hạt nhân kết hợp xử lý hóa phóng xạ chuyên sâu. Nguồn dữ liệu thực nghiệm bao gồm 5 nhóm mẫu đại diện: mẫu chuẩn quốc tế Acid Oxalic (OX_1), mẫu phông đá vôi kỷ Devon thu thập tại Ninh Bình (Bkg_1), mẫu gỗ cột kiến trúc thời Lý thế kỷ 11-12 tại Ba Đình (M173), mẫu gỗ cột cầu thời Lê thế kỷ 16-17 tại Lam Kinh (M176-1) và mẫu vỏ động vật nhuyễn thể thế kỷ 14-15 (M177). Toàn bộ mẫu khảo cổ được tinh chế tạp chất qua quy trình Axit - Kiềm - Axit (dung dịch HCl 1% và NaOH 1% ở nhiệt độ 80 độ C trong 24 giờ).

Quy trình làm giàu mẫu sử dụng hệ thống thiết bị tổng hợp benzen chân không Task Benzene Synthesizer để chuyển đổi mẫu vật qua 4 giai đoạn: tạo khí Carbonic, phản ứng carbide hóa với kim loại Lithium ở nhiệt độ nung 850 độ C trong 2 giờ tạo Lithium carbide, thủy phân thu khí Axetylen và phản ứng trime hóa tạo Benzen ở nhiệt độ 100 độ C với chất xúc tác sorbead. Benzen thu được có hàm lượng carbon đạt 92,31% được pha trộn với chất nhấp nháy PPO (6 g/l) và POPOP (0,2 g/l) trong dung môi Toluene.

Mẫu được đưa vào đo trên hệ phổ kế nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770TR/SL được che chắn bảo vệ bởi 250 kg chì tinh khiết kết hợp detector chống trùng phùng tinh thể BGO. Mỗi mẫu đo lặp 40 lần, mỗi lần kéo dài 100 phút (tổng thời gian đo đạt 4.000 phút trên mỗi mẫu) trong cửa sổ phân tích năng lượng tối ưu từ 16 keV đến 102 keV, đảm bảo triệt tiêu tối đa sai số thống kê Poisson và sai số thiết bị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm đo hoạt độ phóng xạ Carbon-14 trên hệ Tri-carb 2770TR/SL đã mang lại các thông số kỹ thuật chuẩn xác và đáng tin cậy. Khối lượng benzen tinh khiết tổng hợp thành công từ các mẫu dao động từ 1,1208 g đến 2,6150 g với độ chính xác cân đạt mức sai số 0,0001 g. Phổ năng lượng beta thực nghiệm ghi nhận tín hiệu xung tập trung chủ yếu ở dải năng lượng dưới 100 keV, cho thấy sự phân tách ranh giới rõ rệt giữa phổ tín hiệu mẫu đo và phổ phông nền môi trường.

Kết quả đo tốc độ đếm trung bình của mẫu chuẩn quốc tế OX_1 đạt 34,2977 cpm với sai số thống kê 0,0926 cpm. Mẫu phông đá vôi Bkg_1 ghi nhận tốc độ đếm cực thấp chỉ 1,0455 cpm với sai số 0,0162 cpm. Đối với các mẫu cổ vật khảo cổ, sau khi hiệu chỉnh trừ phông bức xạ môi trường, tốc độ đếm thực tế của mẫu gỗ Ba Đình M173 đạt 9,3795 cpm (sai số 0,0535 cpm), mẫu gỗ Lam Kinh M176-1 đạt 9,0252 cpm (sai số 0,0527 cpm), và mẫu vỏ nhuyễn thể M177 đạt 9,0232 cpm (sai số 0,0527 cpm). Sai số do sự không ổn định của hệ thống thiết bị đo luôn duy trì ở mức siêu nhỏ từ 0,0006 đến 0,0115 cpm, hoàn toàn nhỏ hơn sai số thống kê hạt nhân.

Thảo luận kết quả

Việc phân tích các bảng số liệu đếm lặp 40 chu kỳ khẳng định độ ổn định vượt trội của hệ phổ kế Tri-carb 2770TR/SL. Nhờ lớp bảo vệ thụ động 250 kg chì cùng cơ chế giảm phông chủ động bằng detector đối trùng BGO, ngưỡng phát hiện của hệ thống đạt mức 0,049 dpm trên 1 gam carbon nguyên chất. Điều này chứng minh rằng việc kết hợp phương pháp tổng hợp hóa học benzen với kỹ thuật đo nhấp nháy lỏng bảo đảm độ chính xác không thua kém phương pháp ống đếm khí cổ điển mà lại khắc phục triệt để nhược điểm cồng kềnh và chi phí cao.

Khi tính toán quy đổi về hoạt độ ban đầu A0 của các mẫu sinh vật ở thời điểm sống, sự biến thiên hàm lượng Carbon-14 phản ánh trực tiếp thăng giáng bức xạ vũ trụ và nồng độ khí nhà kính trong khí quyển khu vực Việt Nam từ thế kỷ 11 đến nay. Đồ thị phổ năng lượng và biểu đồ tương quan hoạt độ phóng xạ xác nhận sự tương đồng cao với các công bố cổ khí hậu quốc tế, minh chứng cho các giai đoạn ấm lên cục bộ hoặc suy giảm nhiệt độ trong lịch sử. So với phương pháp phổ kế gia tốc khối lượng AMS vốn có chi phí lên tới 500 USD cho một phép đo, phương pháp nhấp nháy lỏng LSC chỉ tốn khoảng 250 USD nhưng vẫn đảm bảo sai số đo niên đại chỉ khoảng 35 năm, hoàn toàn thích hợp để triển khai nghiên cứu diện rộng tại các viện nghiên cứu của Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm và phân tích chuyên môn, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm đề xuất hành động mang tính chiến lược nhằm phát triển kỹ thuật ứng dụng bức xạ trong quan trắc môi trường và cổ khí hậu:

• Chuẩn hóa quy trình xử lý hóa học loại bỏ tạp nhiễm: Các phòng thí nghiệm khảo cổ học và môi trường cần áp dụng thống nhất quy trình tẩy tạp chất Axit - Kiềm - Axit (HCl 1% và NaOH 1% ở 80 độ C) đối với mọi mẫu hữu cơ và phương pháp phân hủy Phosphoric 50% đối với mẫu carbonat vô cơ nhằm giảm thiểu tỷ lệ xâm nhiễm carbon hiện đại xuống dưới mức 0,1%.
• Tối ưu hóa hiệu suất hệ thống tổng hợp benzen: Đơn vị vận hành cần kiểm soát nghiêm ngặt áp suất chân không ở ngưỡng 10 mũ trừ 4 Pa, duy trì nhiệt độ nung Lithium ở mức 850 độ C trong 2 giờ và kích hoạt xúc tác sorbead tại 100 độ C trong 10 giờ trước khi trime hóa để nâng hiệu suất thu hồi benzen đạt trên 90% lượng carbon chuyển hóa.
• Xây dựng cơ sở dữ liệu đường cong chuẩn hóa đồng vị Carbon-14 quốc gia: Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cùng Viện Khảo cổ học cần phối hợp xây dựng bản đồ thăng giáng đồng vị Carbon-14 trong sinh quyển giai đoạn 2.000 năm qua với lộ trình từ năm 2024 đến năm 2030, phục vụ việc hiệu chuẩn niên đại chính xác cho các nghiên cứu biến đổi khí hậu tại khu vực nhiệt đới gió mùa.
• Mở rộng đầu tư trang thiết bị nhấp nháy lỏng phông thấp: Bộ Khoa học và Công nghệ cần phân bổ nguồn vốn trang bị hệ đo nhấp nháy lỏng đa năng kết hợp phân tích Alpha/Beta tự động tại các trung tâm hạt nhân trọng điểm, giúp giảm 50% kinh phí gửi mẫu ra nước ngoài và nâng cao năng lực chủ động nghiên cứu môi trường biển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật chuyên sâu và phương pháp luận thực tiễn, đặc biệt hữu ích cho các nhóm độc giả sau:

• Chuyên gia vật lý hạt nhân và kỹ thuật đo lường bức xạ: Cung cấp đầy đủ hướng dẫn thực hành chế tạo detector nhấp nháy lỏng, kỹ thuật phối trộn dung môi toluene với chất phát quang POPOP và phương pháp hiệu chỉnh sai số thống kê Poisson trong các phép đo hoạt độ phóng xạ siêu thấp.
• Các nhà nghiên cứu khảo cổ học và lịch sử học: Nắm bắt phương pháp xác định niên đại tuyệt đối bằng đồng vị phóng xạ Carbon-14 trên các hiện vật gỗ kiến trúc cổ và di chỉ nhuyễn thể vỏ sò, hỗ trợ công tác bảo tồn di sản văn hóa.
• Các nhà khoa học khí hậu, địa chất và khoa học môi trường: Sử dụng các chuỗi số liệu thăng giáng hoạt độ carbon phóng xạ để mô hình hóa chu trình chuyển hóa carbon tự nhiên và phân tích tác động lâu dài của hiệu ứng nhà kính tại khu vực Đông Nam Á.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành vật lý, hóa học phóng xạ: Tài liệu tham khảo chuẩn mực về cấu trúc luận văn thực nghiệm, sơ đồ công nghệ tổng hợp hợp chất hữu cơ chân không và kỹ năng xử lý phổ năng lượng bức xạ beta.

Câu hỏi thường gặp

Đồng vị Carbon-14 được hình thành và phân rã trong tự nhiên như thế nào?
Đồng vị phóng xạ Carbon-14 được tạo ra ở tầng bình lưu (độ cao 15-20 km) khi nơtron từ tia vũ trụ va chạm với Nitơ-14. Sau đó, nó tham gia vào chu trình quang hợp của thực vật. Khi sinh vật chết, Carbon-14 phân rã beta trừ tự phát thành Nitơ-14 bền với chu kỳ bán rã 5.730 năm mà không phụ thuộc vào yếu tố nhiệt độ bên ngoài.

Vì sao phương pháp nhấp nháy lỏng cần chuyển hóa mẫu vật thành Benzen?
Benzen là hợp chất hữu cơ lỏng không màu có tỷ lệ carbon rất cao (chiếm hơn 92,31% khối lượng) và khả năng hòa tan chất phát quang tối ưu. Việc tổng hợp benzen tinh khiết giúp đưa lượng lớn carbon mẫu vào thể tích đo nhỏ gọn 3 ml, nâng cao hiệu suất truyền năng lượng từ hạt beta đến dung dịch nhấp nháy.

Sự khác biệt căn bản giữa hệ đo nhấp nháy lỏng LSC và phương pháp gia tốc AMS là gì?
Phương pháp AMS đếm trực tiếp số nguyên tử trên bia graphit với lượng mẫu cực nhỏ (1 mg), nhưng chi phí thiết bị và phân tích rất đắt (khoảng 500 USD/mẫu). Ngược lại, kỹ thuật nhấp nháy lỏng LSC đo số phân rã phóng xạ với chi phí chỉ khoảng 250 USD/mẫu, yêu cầu 2,6 g mẫu và đạt độ chính xác sai số khoảng 35 năm.

Hệ đo Tri-carb 2770TR/SL triệt tiêu bức xạ phông nền bằng cách nào?
Hệ thống sử dụng cơ chế bảo vệ thụ động bằng 250 kg chì bao quanh buồng đo cùng các lớp chắn cadimi, đồng để ngăn tia X và nơtron. Đồng thời, máy tích hợp cơ chế chống phông chủ động nhờ tinh thể nhấp nháy BGO hình giếng và mạch đối trùng nối với hai ống nhân quang điện PMT để loại bỏ các xung phông nhiễu ngoài ý muốn.

Nghiên cứu thăng giáng hoạt độ Carbon-14 có ý nghĩa gì đối với dự báo khí hậu?
Tỷ số Carbon-14 trên Carbon-12 trong sinh quyển phản ánh cường độ hoạt động của từ trường Trái Đất, bức xạ mặt trời và sự dịch chuyển nồng độ khí CO2 toàn cầu. Bằng cách định lượng hoạt độ Carbon-14 qua các thời kỳ, các nhà khoa học có thể tái hiện chu kỳ khí hậu trong quá khứ và nâng cao độ chính xác của các mô hình dự báo tương lai.

Kết luận

• Luận văn đã chuẩn hóa thành công quy trình công nghệ xử lý mẫu địa chất và khảo cổ học bằng phương pháp benzen hóa trong môi trường chân không cao đạt 10 mũ trừ 4 Pa.
• Làm chủ kỹ thuật chế tạo detector nhấp nháy lỏng và cấu hình phép đo hoạt độ beta trên hệ phổ kế phông thấp Tri-carb 2770TR/SL với sai số thống kê thực nghiệm dưới 0,0535 cpm.
• Xác định chính xác hoạt độ phóng xạ Carbon-14 trên các mẫu vật lịch sử từ thế kỷ 11 đến thế kỷ 17, thiết lập dữ liệu thăng giáng đồng vị có giá trị cho nghiên cứu cổ khí hậu Việt Nam.
• Khẳng định tính ưu việt về mặt kinh tế và kỹ thuật của phương pháp nhấp nháy lỏng với mức chi phí tiết kiệm 50% so với kỹ thuật AMS, mở ra hướng ứng dụng phân tích đại trà trong nước.
• Kế hoạch tiếp theo cần tập trung mở rộng quy mô thu thập mẫu trầm tích biển và phát triển mạng lưới cơ sở dữ liệu đồng vị phóng xạ liên ngành.

Quý độc giả và các đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể khai thác toàn văn tài liệu tại Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội hoặc liên hệ Viện Khảo cổ học để hợp tác phát triển các dự án phân tích đồng vị chuyên sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận Đề tài luận văn được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 4/2010 đến tháng 12/2010 tại Phòng Thí nghiệm và Xác định niên đại, Viện khảo cổ học – Viện Khoa học Xã hội Việt Nam. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Hường 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Cơ sở khoa học của phương pháp 1.1 Sự hình thành của đồng vị 14C trong tự nhiên Trong tự nhiên , carbon có ba đồng vị cơ bản là carbon-12 (12C), carbon-13 (13C), carbon-14 (14C). Trong đó 12C, 13C là các đồng vị bền và chiếm phần chủ yếu trong tự nhiên (12C chiếm khoảng 99,63%; 13C chiếm khoảng 0,37%) còn 14C chiếm phần tỷ lệ rất nhỏ chỉ khoảng 1,3.10-10% là đồng vị không bền vững, có khả năng phân rã phóng xạ β- để trở thành nguyên tố khác.

Mỗi hạt nhân 14C gồm có 6 proton và 8 nơtron, đồng vị này có tính chất hóa học giống như đồng vị carbon không phóng xạ C12 và C13. Vì 14C có nhiều nơtron trong hạt nhân hơn các đồng vị khác nên 14C không bền vững, có tính phóng xạ. Khi phân rã, 14C chuyển thành nitơ bền và phát ra hạt bêta như phương trình: 14 6C 147N  e    e (1.1) Quá trình phân rã (1.1) là hoàn toàn tự phát không phụ thuộc vào tác động của môi trường khí hâ ̣u. Trong cấu tạo vỏ Trái Đất, đồng vị 14C không có sẵn mà được xuấ t hiê ̣n từ khí quyển do va chạm của hạt nơtron (có trong các tia vũ tru ̣ ) và nguyên tử nitơ luôn có sẵn trong không khí theo phương trình sau: n  147 N  146 C  p  0,6MeV (1.2) Quá trình này xảy ra ở tầng bình lưu, nhiều nhất là ở độ cao khoảng 15km đến 20km.

Đồng vị 14C sau khi hình thành sẽ nhanh chóng kế t hơ ̣p với ôxy để thành khí điôxít carbon (CO2) và tham gia vào các chu trình hoạt động của khí này như những đồng vị carbon khác. Trong khí CO2, hàm lượng 14CO2 rấ t nhỏ (cứ 1 triê ̣u 14 phân tử CO 2 chứa carbon bề n thì có 1 phân tử CO 2 chứa đồ ng vi ̣không bề n C). Khí CO2 hình thành và nhanh chóng phân tán khắp toàn cầu , đươ ̣c cây xanh quang hơ ̣p, cho nên cây xanh chứa 14C với tỷ lê ̣ như CO 2 trong khí quyển. Con người hay loài vâ ̣t ăn thiṭ như hổ , báo… ăn thịt những con vật ăn cỏ cây cũng sẽ thu nạp được đồng vị 14C dẫn đến tấ t cả đô ̣ng vâ ̣t , thực vâ ̣t trên thế giới đề u chứa đồng vị này.

Ngoài ra, còn có một lượng đáng kể CO2 trong khí quyể n hòa tan vào nước biể n ta ̣o LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Hường thành carbonat (CO32-), nghĩa là trong nước biển cũng sẽ có đồng vị 14 C với tỉ lệ nào đó. Đó là một phần của tuần hoàn carbon trong tự nhiên gọi là chu trình carbon như hình minh họa. Quá trình hình thành và chu trình vận chuyển của đồng vị 14C trong tự nhiên (Nguồn từ sách: Science-based Dating in Archaeology) 1.2 Biến thiên hàm lượng 14C theo thời gian Trong tự nhiên luôn có 2 quá trình ngược nhau xảy ra đối với hai đồng vị 14C và 14N: một quá trình tạo ra đồng vị 14C từ 14N do tác động của tia vũ trụ như phương trình (1.1); một quá trình tự phân rã của 14C thành 14N như phương trình (1. Sau khi được tạo thành đồng vị 14C sẽ nhanh chóng bị ôxi hóa thành khí điôxít carbon và tham gia vào chu trình chuyển hóa trong sinh quyển như một chất khí CO2 thông thường.

Quá trình này diễn ra liên tục nên trong môi trường tự nhiên sẽ dẫn đến hình thành một trạng thái "dừng", nghĩa là trạng thái duy trì sự không đổi về tỷ số 14C/12C cả trong khí quyển và trong sinh vật. Trong khí quyển, tỷ số này có giá trị: LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Hường C14 1,3  C12 1012 Mô hình trên cũng cho thấy, quá trình hình thành lượng đồng vị carbon phóng xạ trong khí quyển phụ thuộc chủ yếu vào hoạt động của mặt trời và con người trên Trái đất. Giả sử những năm mặt trời hoạt động mạnh, lượng hạt nơtron phóng về Trái đất nhiều hơn thì số lượng phản ứng tạo ra đồng vị 14C cũng sẽ diễn ra nhiều hơn. Và như vậy, nếu xác định được biến thiên theo thời gian của tỷ lệ đồng vị carbon phóng xạ (14C) trong nguyên tố carbon sẽ phần nào dự đoán được thay đổi của thời tiết trong quá khứ và tương lai.3 Cơ sở của phương pháp Như đã biết, khi còn sống sinh vật luôn duy trì tỷ số 14C/C12 ở giá trị không đổi theo phương trình (1.3), nhưng khi sinh vật không còn trao đổi chất với môi trường (sinh vật chết) thì chúng không được bổ sung lượng carbon tự nhiên nữa, trong khi đó lượng đồng vị carbon phóng xạ (14C) trong chúng sẽ bị suy giảm theo quy luật phân rã phóng xạ với chu kỳ bán rã khoảng 5730 năm như phương trình: At = Ao.4) Trong đó: At là hoạt độ 14C tại thời điểm hiện nay.

Ao là hoạt độ 14C tại thời điểm ban đầu.  là hằng số phóng xạ của 14C. t là khoảng thời gian từ khi sinh vật ngừng trao đổi chất đến nay. Trong thực tế, hàm lượng 14C rất nhỏ, do đó để xác định hàm lượng 14C trong đối tượng nghiên cứu được đưa về dạng hợp chất chứa nguyên tử carbon.

Từ thực nghiệm, đo hoạt độ phóng xạ còn dư trong mẫu đã biết chính xác tuổi đến thời điểm hiện tại, hiệu chỉnh để chuyển đổi về giá trị hoạt độ ban đầu A0 của chúng trong sinh vật theo phương trình (1. Trên cơ sở đó xác định được giá trị hoạt độ 14C trong mẫu sinh vật tại các thời điểm ban đầu A0 và xác định được sự thăng giáng của hàm lượng 14C trong sinh quyển. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Hường 1.2 Các phương pháp đo đồng vị phóng xạ Hiện nay có ba kỹ thuật xác định hàm lượng đồng vị carbon phóng xạ ( 14C) chủ yếu, đó là kỹ thuật đo bằng ống đếm chứa khí (GPC – Gas Prportional Counting), kỹ thuật đo bằng detector nhấp nháy lỏng (LSC – Liquid Scintillation Counting) và kỹ thuật đo bằng phổ kế gia tốc khối lượng (AMS – Accelarator Mass Spectro).1 Kỹ thuật đo hàm lượng 14C bằng phương pháp ống đếm chứa khí (GPC) Kỹ thuật này đã được nghiên cứu sử dụng ngay từ những năm 50 của thế kỷ 20, nó đã được phát triển để trở thành một trong những kỹ thuật đo hàm lượng 14C phổ biến ở nhiều nước trong những năm 1960-1980. Theo phương pháp này, mẫu sau khi làm sạch sẽ được xử lý để chuyển hóa toàn bộ các nguyên tử carbon trong nó thành hợp chất hữu cơ dạng khí mêtan (CH4).

Sau đó, khí này sẽ được nạp vào ống đếm có trường điện thế cao (khoảng vài kV) để xác định hoạt độ phóng xạ bêta từ đồng vị 14C phát ra theo nguyên tắc của ống đếm tỷ lệ. Ưu điểm của phương pháp là có khả năng xác định trực tiếp hoạt độ phóng xạ 14C và dễ sử dụng. Nhược điểm là hiệu suất ghi thấp, nhiễu phép đo lớn, rất cồng kềnh và độ ổn định không cao, để chống nhiễu cho thiết bị người ta phải tạo ra những khối chì nặng hàng chục tấn. Ngày nay, kỹ thuật này ít được khuyến khích phát triển và đang dần được thay thế bằng những thiết bị khác hiệu quả hơn.2 Kỹ thuật đo đồng vị 14C bằng phổ kế gia tốc khối lượng (AMS) Kỹ thuật này có thể coi là hiện đại nhất hiện nay, có độ nhạy rất cao, lượng mẫu cần phân tích ít.

Mẫu sau khi được làm sạch sẽ được xử lý để chuyển toàn bộ carbon trong mẫu sang dạng khí CO2, sau đó khí này sẽ được xử lý để toàn bộ lượng carbon trong nó trở thành nguyên chất dưới dạng bia graphit. Khi đo, bia graphit sẽ được kích thích để tạo ra các ion carbon tự do trong buồng mẫu gồm cả 12C, 13C và 14C, sau đó dưới tác dụng của điện trường các ion này sẽ được định hướng bay tới các cửa sổ khác nhau ứng với khối lượng của mẫu đồng vị, trên cơ sở các số liệu ghi nhận về lượng đồng vị carbon sẽ đo được hàm lượng 14C trong mẫu. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Hường Đây là một kỹ thuật đòi hỏi sự đầu tư ban đầu rất lớn, giá thành phân tích theo phương pháp này cao gấp hai lần so với phương pháp đo bằng kỹ thuật nhấp nháy lỏng vì thế việc ứng dụng đại trà kỹ thuật này không phải là giải pháp được khuyến khích. Ở một số nước có nền khoa học phát triển thường dùng giải pháp, bên cạnh các phòng thí nghiệm đo hàm lượng bằng khối phổ kế (AMS) người ta vẫn xây dựng phòng thí nghiệm đo nhấp nháy lỏng cho những nhu cầu đo hàm lượng 14 C một cách đại trà.3 Kỹ thuật đo hoạt độ 14C bằng detector nhấp nháy lỏng Ngày nay, các detector nhấp nháy được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều loại thiết bị đo ghi bức xạ khác nhau dùng trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt.

Với sự trợ giúp của kỹ thuật vi xử lý, đã có những bước đột phá về công nghệ ghi đo bức xạ hạt nhân bằng detector nhấp nháy, cho phép nâng cao độ nhạy của phương pháp và có thể tiến hành các phép đo xác định hàm lượng 14C đạt độ chính xác cao. Ngoài ra kỹ thuật này còn có ưu điểm đáng kể là dễ áp dụng, giá thành phân tích thấp, chưa bằng một nửa phương pháp đo đồng vị 14C bằng khối phổ gia tốc (AMS), không đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn. Ta có thể so sánh ba kỹ thuật ghi đo hàm lượng 14C qua bảng sau: Bảng 1.