Nghiên cứu phương pháp kích hoạt neutron trong phân tích vật lý

Luận văn tốt nghiệp vật lý nghiên cứu tốt nghiệp vật lý ứng dụng phương pháp ko trong phân tích kích hoạt neutron để xác định hàm lượng, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề

• Tác giả: Nguyễn Bùi Trung Kiên
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Trường Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật lý học
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Kích Hoạt Neutron Trong Phân Tích Vật Lý
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON
• 1.1. Lý thuyết phân tích kích hoạt
• 1.1.1. Sự kích hoạt neutron
• 1.1.2. Phân rã phóng xạ
• 1.1.3. Phóng xạ gamma
• 1.1.3.1. Tương tác của gamma với vật chất
• 1.1.3.1.1. Hiệu ứng quang điện
• 1.1.3.1.2. Tán xạ Compton
• 1.1.3.1.3. Hiệu ứng tạo cặp electron-positron
• 1.1.3.2. Do hoạt độ phóng xạ
• 1.1.3.3. Phân tích phổ tia gamma
• 1.1.4. Phương pháp kích hoạt ko trong phân tích kích hoạt
• 2. CHƯƠNG 2: DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ
• 2.1. Cấu trúc vùng hoạt
• 2.2. Các vị trí chiếu mẫu trong lò phản ứng. Dụng cụ phát hiện và ghi nhận gamma
• 2.3. Phần mềm xử lý phổ gamma (kạ-đalat)
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp kích hoạt neutron trong phân tích vật lý

Phân tích kích hoạt neutron (NAA) là một phương pháp mạnh mẽ trong lĩnh vực phân tích vật lý, cho phép xác định hàm lượng của nhiều nguyên tố trong mẫu. Phương pháp này sử dụng neutron để kích hoạt các hạt nhân trong mẫu, tạo ra các đồng vị phóng xạ. Sau đó, các bức xạ gamma phát ra từ quá trình phân rã của các đồng vị này được ghi nhận và phân tích. NAA có khả năng phát hiện hàm lượng nguyên tố ở mức độ rất thấp, thường là mg/kg hoặc ug/kg, làm cho nó trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu khoa học và công nghiệp.

1.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp kích hoạt neutron

Phương pháp kích hoạt neutron dựa trên nguyên lý rằng khi một mẫu được chiếu xạ bằng neutron, các hạt nhân trong mẫu sẽ bắt neutron và trở thành các đồng vị phóng xạ. Quá trình này tạo ra các bức xạ gamma đặc trưng cho từng nguyên tố, cho phép xác định định tính và định lượng các nguyên tố có trong mẫu.

1.2. Lịch sử phát triển của phân tích kích hoạt neutron

Phân tích kích hoạt neutron đã được phát triển từ giữa thế kỷ 20 và nhanh chóng trở thành một phương pháp phổ biến trong nghiên cứu hạt nhân. Sự phát triển của công nghệ đầu dò gamma và phần mềm phân tích đã nâng cao độ chính xác và hiệu quả của phương pháp này.

II. Thách thức trong việc áp dụng phương pháp kích hoạt neutron

Mặc dù phương pháp kích hoạt neutron mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong việc áp dụng. Một trong những vấn đề chính là sự tự che chắn của neutron trong mẫu, điều này có thể làm giảm độ chính xác của kết quả phân tích. Ngoài ra, việc xử lý và phân tích dữ liệu từ các bức xạ gamma cũng đòi hỏi kỹ thuật cao và phần mềm chuyên dụng.

2.1. Vấn đề tự che chắn neutron trong mẫu

Tự che chắn neutron xảy ra khi các neutron bị hấp thụ bởi các hạt nhân trong mẫu trước khi có thể kích hoạt chúng. Điều này dẫn đến việc giảm số lượng neutron có sẵn để kích hoạt, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả phân tích.

2.2. Khó khăn trong việc phân tích dữ liệu gamma

Phân tích dữ liệu gamma yêu cầu các thiết bị có độ phân giải cao và phần mềm phân tích mạnh mẽ. Việc xác định các đỉnh năng lượng và tính toán hàm lượng nguyên tố từ diện tích đỉnh là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự chính xác và kỹ năng cao.

III. Phương pháp kích hoạt neutron Các kỹ thuật chính

Có nhiều kỹ thuật khác nhau trong phương pháp kích hoạt neutron, bao gồm kích hoạt neutron nhiệt và neutron nhanh. Mỗi kỹ thuật có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại mẫu và mục đích phân tích khác nhau. Việc lựa chọn kỹ thuật phù hợp là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác.

3.1. Kỹ thuật kích hoạt neutron nhiệt

Kỹ thuật kích hoạt neutron nhiệt sử dụng neutron có năng lượng thấp, thường được sản xuất từ lò phản ứng hạt nhân. Phương pháp này thích hợp cho việc phân tích các nguyên tố nhẹ và có độ nhạy cao.

3.2. Kỹ thuật kích hoạt neutron nhanh

Kỹ thuật kích hoạt neutron nhanh sử dụng neutron có năng lượng cao, cho phép phân tích các nguyên tố nặng hơn. Phương pháp này thường được sử dụng trong các nghiên cứu về vật liệu hạt nhân và địa chất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp kích hoạt neutron

Phân tích kích hoạt neutron được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu khoa học đến công nghiệp. Nó được sử dụng để xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu môi trường, thực phẩm, và vật liệu xây dựng. Các kết quả thu được từ phương pháp này có thể hỗ trợ trong việc kiểm soát chất lượng và nghiên cứu phát triển sản phẩm.

4.1. Ứng dụng trong nghiên cứu môi trường

Phân tích kích hoạt neutron được sử dụng để xác định hàm lượng kim loại nặng trong nước và đất, giúp đánh giá ô nhiễm môi trường và tác động của con người đến hệ sinh thái.

4.2. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Trong ngành thực phẩm, phương pháp này giúp xác định hàm lượng các nguyên tố vi lượng, đảm bảo an toàn thực phẩm và chất lượng dinh dưỡng cho người tiêu dùng.

V. Kết luận và tương lai của phương pháp kích hoạt neutron

Phân tích kích hoạt neutron là một phương pháp mạnh mẽ và hiệu quả trong phân tích vật lý. Với sự phát triển của công nghệ và phần mềm, phương pháp này hứa hẹn sẽ tiếp tục được cải tiến và mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tương lai của NAA sẽ phụ thuộc vào khả năng giải quyết các thách thức hiện tại và phát triển các kỹ thuật mới.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ NAA

Công nghệ NAA đang được nghiên cứu và phát triển để nâng cao độ chính xác và hiệu quả. Các nghiên cứu mới về đầu dò gamma và phần mềm phân tích sẽ giúp cải thiện khả năng phát hiện và phân tích.

5.2. Tương lai của ứng dụng NAA trong nghiên cứu khoa học

Phân tích kích hoạt neutron sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học, đặc biệt trong các lĩnh vực như vật lý hạt nhân, hóa học và môi trường. Sự phát triển của phương pháp này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các nhà nghiên cứu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Giới thiệu về phân tích kích hoạt neutron. Lý thuyết phân(tCHIKÍGbiHGậI.Sự'KÍChiRöạat:ñEUTOH::::::::cccccccccocctic00200210025120200211206621113012611241163556518055 855 2 ¿2:2.IPHẨRITPHỎNG Xổ ipiciitnt64010001014016111041604116386541512315333533694518:345:6983564:39ã 3 1-9: PRONG Xã¡E4ÏTHfiAI:::-::::::2:i222220122300261121113314311133073182356633983380338 833973386318 3393 85235885 - 1. Tương tác của gamma với vật chất.

Hiện ng quang điệñ::::-;:-::::-:::::::::sccccieiieiiisiiiiieiiiniiasiieiriasiassssei 5 I¿3:1:2 Vani xo 'CöTIDĂDñaocoiooaooaoiaooaiiiaooooeiioniiitiitioiitoiiiisiipiisitssissssasl 6 1. Hiệu ứng tạo cặp clectron-DOSIfTOI.32; Đo hoạt độ PHONG KG sissisississsississsssessieassesisesssessieassassvensvesaveasssassosssesseossess 8 I;3:3.Plôniifehiiphôillã:EBIHTHĂEcosaaaaoaanaannninoinainiinianiintisiiattteaiiaiaastsasssal 9 1. Phương pháp kích hoạt ko trong phân tích kích hoạt. Các thông SỐ phô neutron tại vị trí kích hoạt mẫu trong lò phản ứng.

Phương pháp xác định các thông số phô neutron. Hiệu suất ghi tuyệt đối của đầu dò.- 22-2 CS222222211 2112112112122 xe 17 I/6,1, GH-I KHIỂN: ggaaianaannntiiitetitititrtiiiititiittittotittiiti11185118111811133518487858585858585855i 17 1. Thực nghiệm xác định hiệu suất nguồn dạng a 18 1. Phương pháp ban thực nghiệm đề xác định hiệu suất nguôn hình trụ.

19 CHUONG 2: DUNG CU VÀ THIẾT BỊ:::.IN?10ni0efonIEEEBÍBððPunssreesuesnrosonteatosgrioggeertesttort0eitezDA21089100630060103032780500) 20 2. Câu trúc vùng hoạt.--2- + s2©s+£2S£EEE£E2EEE2E2EEEEE2EEEcEExcrrrcrrrcre 20 2. Các vị trí chiều mẫu trong lò phản ứng. Dụng cụ phát hiện và ghi nhận gamma.Deteotor siêu tỉnh khiết MPG: .IEhaninEim/Gnis DOOD ssiscnssiiansitiiii2i1241100300000014000300 603880240) 23 2.

Phần mém xử lý phô gamma (kạ-đalat).--2222-©22s2222z22EZzceczxrecvvzcre 24 2:3: (Giới HÏỆU:::osiiiniiiiiasitniiiasiossti5311451125115311851885168ã55855853536558658185138553851885385550 24 2. Sơ lược cấu trúc và cách sử đụng ko-Dalat:cssccsiscssccssscssseasssszecssvaassesscesss 24 CHƯỜNG 5. THUG NGHI Mibsssssisssicsisesissasscciscasscassestiesssoniseanssenseaiacarncsissniieass 27 Bi 1), AG IKI NEM MGB. Xác định các thông số phổ neutron tại vị trí chiếu kênh 7-I.

Xác định hiệu suất ghi tuyệt đối của đầu dò GMX.----- 30 lv acc na. Chiếu và đo mẫu bằng hệ khí nén tự động. Xử lý số liệu theo chuẩn ko bằng phần mềm kạ-Dalat. Thông số hàm lượng các nguyên tô của mẫu MolI82a.

Kết quả thu nhận được của mẫu Mol82a~l. Kết quả thu nhận được của mẫu Mol82a~2. So sánh kết quả giữa hai lần đo.--- 5ó co cute suy cgrerrrdee 45 iv AS PANN QUA ;:tigs:tp1025103119535511653195158581651385818318838483358393848585493353511033195138581g5134883583E 46 KET LUẬN.- 6-21 S121 T1 TH TH H1 TH 10 110 110111 1120112 11121111 47 TÀI LIEU THAM KHẢO. 49 V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TÁT Chữ viet tắt Tieng anh Neutron Activation Analysis Phan tich kich hoat neutron High Purity Germanium Germanium siêu tỉnh khiết Limit Of Detection Giới hạn phát hiện Pneumatic Transfer System Hệ chuyên mẫu khí nén Cyclic Neutron activation Phan tich kich hoat neutron Analysis vong lap quang tia X PGAA Promt-Gamma Activation Phuong phap phan tich Instrumental Neutron Phan tich kich hoat neutron vi DANH MỤC CÁC BÁNG Bảng 1.

Các phan ứng và các tia gamma được dùng dé tính toán các thông số phô. Các số liệu kích thước của đầu đò HPGc. Thông số của các lá do kích hoạt.2: Các thông số phổ neutron tại vị trí chiếu 7-Ì.3: Dữ liệu hạt nhân của các nguôn chuẩn. Giá trị thực nghiệm của hiệu suất ghi đối với nguồn điểm đặt cách đầu dé 53,7 mm và 140 mm.

Các hệ số làm khớp đường cong hiệu suất tại 53,7 mm. Các hệ số làm khớp đường cong hiệu suất tại 140 mm. Các thông số thực nghiệm phân tích đối với mẫu chuẩn. Các thông số hàm lượng của mẫu Mol82a.

Các thông số hạt nhân sau khi phân tích mẫu mol 82a~1. Kết quả so sánh hàm lượng thực nghiệm của một số nguyên td HonegmfHiNISTZOTÍ:i¿issicitiiisi:iitiitiiii2411221235411230218253530662ã21 622 40 Bảng 4. Các thông số hạt nhân sau khi phân tích mẫu mo182a~. Kết quả so sánh hàm lượng thực nghiệm của một số nguyên tổ trong mẫu NIST-271 l.

Tương quan hệ số p,, /p,, gitta hai lần đo.-- 45 vũ DANH MỤC CÁC HÌNH VE VA ĐỎ THỊ Hình 1. Hap thụ (II4HEIÔIỆTHL:1221211104222222114100102854115101114526483444097515866 6 Hình 1. Hiệu ứng Compton. - --- ---- cà à Sex, 7 Hình 1.

Hiệu ứng tạo CẶP.c cuc cnSnnnnn nnn Hs nh nh sa § Hình 1. Phô thông lượng Neutron. Cấu trúc vùng hoạt lò phan ứng Da Lạt.: - ¿5 ¿se 20 Hình 2:2, Các kênh chiếu của lồ. 21 Hinh 2:3; Hệ đâu 0ö MPG ss ssssisescsssassssssssassvsssasssssnsssesssssasvaceasisess 22 Hình 2.

Giao diện phan mềm Genie 2000. Giao điện phần mềm kạ-Dalat. Hệ khí nén tự động. cà» HH nhe si, 27 Hình 3.

Ong đựng mẫu chiếu.- ----cc<ccece seesesee-ee-ee-. Hình học và kích thước của nguồn chuẩn dạng điểm. Hình học các gói đựng mẫu. Pho gamma thu nhận của mẫu Mol§2a~2.

---- eee es 35 Hình 3. Pho gamma thu nhận của mẫu Mo182a~I. File dữ liệu định dạng ASCII. eee eeees 36 Hình 4.

Ti số p,,/p,, của các nguyên tổ trong mẫu chuẩn Mol§2a~l. Thông số chi tiết của nguyên tô đồng (Cu64). Thông số chi tiết của nguyên t6 Potassium(k42). của các nguyên tố trong mẫu chuẩn Mol82a~2.

Thông số chỉ tiết nguyên tố Barium (Ba139). Thông số chi tiết của nguyên tô đồng (Cu64). 45 viii MO DAU Phan tích kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis) là một ki thuật phan tích hat nhân dùng dé xác định hàm lượng đa nguyên tô trong nhiều loại mẫu khác nhau. Tại thời điểm hiện tại, phương pháp nảy đã có thé phân tích được hau hết các nguyên tô trong bảng tuần hoàn các nguyên tố, với mức phát hiện hàm lượng rất thấp (các thí nghiệm thường có thé xác định hàm lượng ở mức mg/kg đối với các mẫu phân tích khoảng 100mg).

Mẫu phân tích sẽ được kích hoạt bởi neutron, đa phan từ các nguồn neutron trong lò phản ứng hạt nhân. Sau khi bắt một neutron, hạt nhân trong mẫu trở thành trạng thái không bèn, gọi là các hạt nhân phóng xạ. Các dong vị phóng xa này sau đó phân rã, sự phân rã nay thường kèm theo sự phát các bức xa gamma đặc trưng. Dùng các loại đầu dò bán dẫn có độ phân giải năng lượng tốt đẻ xác định hoàn toàn các bức xạ này.

Kết quả thu được cho ta định tính về nguyên tố khi xét năng lượng đỉnh và xác định định lượng hàm lượng nguyên tố từ diện tích đỉnh bức xa đó. Hiện nay, kĩ thuật NAA theo phương pháp chuan hóa kp là một kĩ thuật được sử dụng tương đối phd biến dé xác định hàm lượng nguyên 6. Với việc phần mềm kạ- Dalat được TS. Hồ Mạnh Dũng xây dung, phát trién và đưa vào sử dụng tại lò phản ứng Đà Lạt, đây là một kĩ thuật phân tích rat mạnh cần được áp dụng phổ biến hơn.

Khóa luận này được đặt ra dé nghiên cứu và tìm hiểu nguyên lý của phương pháp chuẩn hóa ko, cũng như các sử dụng và các thông số cần nhập liệu vào phan mềm ko-Dalat dé có thé chạy phần mềm một cách chính xác. Giới thiệu về phân tích kích hoạt neutron Phân tích kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis) là phương pháp phân tích định tinh vả định lượng các nguyên tổ trong một mau phân tích. Phương pháp này có thé phân tích được hau hết các nguyên tô trong bảng tuần hoàn các nguyên tổ, với hàm lượng cỡ mg/kg hoặc ug/kg đối với các mẫu phân tích cỡ 100mg. Đây được xem là một trong các phương pháp phân tích phô biến và cực kỳ hiệu quả bởi giới hạn phát hiện rất chính xác của nó.

Đôi với các mẫu phân tích trong phương pháp phân tích kích hoạt neutron, thông thường dùng nguồn neutron được san xuất ra từ lò phan ứng nghiên cứu. Sau khi bắt neutron, các hạt nhân trong mẫu có trạng thái không bên. thường được gọi là các đồng vị phóng xạ. Mức độ phóng xạ của mẫu phụ thuộc vào số hạt nhân không bền được tạo ra và thời gian sông của các đồng bị phóng xạ này.

Các đồng vị nảy sau đó giải phóng các bức xa gamma đặc trưng. Các bức xạ này chính là giải pháp phân tích các đồng vị có trong mẫu, băng cách thu nhận bởi các đầu đò bán dẫn với độ phân giải cao. Trong phô năng lượng bức xa, mỗi đỉnh nang lượng biểu diễn cho một đồng vị riêng, nên đây chính là cách xác định định tính các loại nguyên tố. Lý thuyết phân tích kích hoạt 1.

Sự kích hoạt neutron Từng hạt nhân riêng lẻ trong mẫu phân tích có thé nhận một neutron từ nguồn kích hoạt dé chuyên lên trạng thái kém bền. Ngay sau đó, rất nhiều loại phản ứng có thể xây ra, có thé kể đến như (n,y),(n,n ).2n), kèm theo sự giải phóng năng lượng dưới dạng động năng của các bức xạ điện từ hoặc các hạt sản pham. Đối với mục đích phân tích mau, phản ứng quan tâm là (n. Tuy nhiên, trong giai đoạn chiếu, không phải tắt cả neutron từ nguồn đều bị bắt giữ, hiện tượng bat giữ neutron chỉ xảy ra khi neutron tác dụng trực tiếp với hạt nhân nguyên tử.

Vì vậy, khái niệm tiết điện bắt neutron (xác suất bắt neutron) được sử 2 dụng. Tiết điện bắt neutron có đơn vị cm? hoặc barns (1 barn = 1074 em”), phụ thuộc vào phản ứng nào được tạo thành cũng như năng lượng tới của hạt neutron. Đối với xác suất xảy ra phan ứng trong một đơn vị thời gian, ta đưa vào khái niệm tốc độ phản ứng R: R=[ø(v)@(v)d (1.1) Với: v là vận tốc của neutron [ ms” J; o({v) là ti ết đi ện củ a ne ut ro n [ mỶ ] tạ i vậ n tố c v @(v) là cường độ neutron [ mỶ ] với toc độ giữa v và w+dv; Nếu thông lượng neutron đồng nhất khi đi qua mẫu, tốc độ tạo ra hạt nhân bị kích hoạt (=) : dt (=] =RN, (1.2) Với: N, là số hạt nhân ban đầu trong mau; N, là số hạt nhân bị kích hoạt trong mẫu: Tuy nhiên đối với liêu chiếu thực tế, hiện tượng tự che chắn xảy ra cùng với sự giảm số hạt nhân bia ban đầu, nghĩa là thông lượng neutron giảm đáng kê. Vì vậy phương trình trên chỉ hợp lý khi bỏ qua 2 hiện tượng này [5].

Phân rã phóng xạ Khi hạt nhân ở trạng thái kích thích, nó có xu hướng trở vẻ trạng thái cơ bản bằng cách phát ra các bức xạ. Tốc độ phân rã này được tính bằng: (FO) -awúo (13) Với: 2 là hang số phân rã của hạt nhân không ben; Sự liên hệ giữa chu kỳ bán rã và hằng số phân rã được biểu diễn bằng: In2 \=—“ To (1.4) Do hiện tượng phân rã xảy ra ngay khi bia được kích hoạt, 2 hiện tượng kích hoạt và phân rã gần như xảy ra cùng lúc. Cả 2 quá trình này được biểu diễn qua công thức chung (gọi là phương trình kích hoạt phóng xạ cơ bản): Te dt dt SO) 6a dt I. »ÀN, (t) =RN,-àN (1.5) Từ day ta tinh được phương trình biéu diễn số hạt nhân kích hoạt theo thời gian chiều f,,: N,(t,)=“2 (le) (1.6) Và phương trình biêu diễn số hạt nhân bị kích hoạt có mặt tại lúc đo bằng cách nhân thêm vào phương trình trên một hàm suy giảm ¢ mũ: N(t)=^ *(-e*))(e*) d2) Với: t„ được gọi là thời gian rã, được tính từ lúc kết thúc chiếu tới lúc bắt đầu đo.

Phóng xạ gamma 1. Tương tác của gamma với vật chất Cơ chê tương tác của các bức xạ gamma khác với các hạt mang điện bởi bức xạ gamma không mang điện nên không trực tiếp chịu ảnh hưởng bởi lực Coulomb dẫn đến không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp các hạt mang điện trong môi trường tương tác.