CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON 1. Lịch sự hình thành và phát triển của phân tích kích hoạt neutron Năm 1932, nhà vật lý James Chadwick người Anh đã phát hiện ra neutron phát ra từ hạt nhân beryllium khi bắn phá beryllium bằng các hạt alpha do đồng vị phóng xạ 9 Be( , 12 radium phát ra, cơ chế phát neutron thông qua phản ứng n) C. Neutron là hạt trung hòa về điện tích. Neutron tự do có khả năng đâm xuyên rất lớn.
Việc tìm ra hạt neutron đã giải thích được nhiều vấn đề về cấu trúc hạt nhân nguyên tử mà trước đó các nhà vật lý đã tiên đoán rằng trong hạt nhân nguyên tử còn có hạt khác nữa ngoài proton mang điện dương. Sự phát hiện ra neutron đã tạo ra một bước ngoặt to lớn trong phân tích kích hoạt neutron sau này. Từ sự phát hiện ra neutron bởi James Chadwick và kết quả của phương pháp để tạo ra chất phóng xạ nhân tạo bởi F. Curie, cùng với những thành tựu khoa học của vật lý hiện đại và các kỹ thuật hạt nhân.
Đến năm 1936, phân tích kích hoạt neutron (NAA) đầu tiên được phát triển bởi Geoge de Hevesy và Hilde Levi tại Đan 226 Mạch [9], họ sử dụng nguồn neutron đồng vị Ra / Be với máy dò bức xạ là buồng ion hóa và nhanh chống công nhận rằng nguyên tố Dy (dysprosium) trong mẫu trở nên có tính phóng xạ cao sau khi tiếp xúc với nguồn neutron. Họ đã chỉ ra rằng, phản ứng hạt nhân có thể được sử dụng để xác định các nguyên tố có trong các mẫu bằng cách đo tia phóng xạ phát ra. Phân tích kích hoạt neutron là một phương pháp phân tích định tính (xác định tên nguyên tố) và định lượng đa nguyên tố (xác định hàm lượng của nguyên tố) trong mẫu phân tích. Phương pháp này dựa trên phản ứng giữa neutron với hạt nhân bia, hạt nhân bia sau khi bắt neutron biến đổi thành hạt nhân phóng xạ có mức năng lượng cao hơn hạt nhân bia, hạt nhân phóng xạ này phân rã ra các chùm tia 6 gamma đặc trưng trong quá trình khử trạng thái kích thích của nó.
Trên cơ sở đo năng lượng của các tia gamma đặc trưng đó, chúng ta nhận diện được các nguyên tố có mặt trong mẫu đã tham gia phản ứng với neutron (phân tích định tính). Còn hàm lượng của các thành phần nguyên tố có mặt trong mẫu được xác định dựa vào cường độ của các chùm tia gamma đặc trưng (hoặc gamma tức thời hoặc gamma trễ) cho từng nguyên tố. Sở dĩ việc xác định hàm lượng nguyên tố thông qua việc xác định cường độ chùm tia gamma là vì cường độ bức xạ gamma phát ra từ nguyên tố nào đó phụ thuộc vào số hạt nhân nguyên tử bị kích hoạt, mà số hạt nhân nguyên tử bị kích hoạt tỉ lệ với số nguyên tử của nguyên tố đó trong mẫu, vì vậy hàm lượng của các thành phần nguyên tố có mặt trong mẫu sẽ được định lượng. Việc định tính và định lượng các nguyên tố trong mẫu phân tích dựa vào hệ phổ kế gamma với các loại detector ghi nhận bức xạ như ống đếm Geiger – Muller, detector nhấp nhấy NaI(Tl), detector bán dẫn HPGe.
Phương pháp phân tích kích hoạt neutron có nhiều ưu điểm mà phương pháp khác khó có thể đạt được, như độ nhạy và độ chính xác cao; tốc độ phân tích nhanh; mẫu không bị phá hủy trong quá trình phân tích, nên NAA được sử dụng nhiều trong phân tích các mẫu cổ vật và mẫu nghệ thuật; phân tích đồng thời nhiều nguyên tố; có thể tự động hóa quy trình phân tích. Vì vậy mà phương pháp phân tích kích hoạt neutron được công nhận như là một phương pháp chuẩn để kiểm định độ chính xác của các phương pháp phân tích khác. Do một loạt những ưu điểm vừa nêu trên mà phân tích kích hoạt neutron được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới, trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong môi trường, địa chất, sinh học, v. Để phân tích kích hoạt neutron phát triển thành một phương pháp phân tích thực sự hữu dụng như đã trình bày ở trên thì các yếu tố cần thiết để thực hiện phân tích gồm có nguồn neutron, thiết bị đo gamma và kiến thức về vật lý hạt nhân hiện đại, cụ thể là sự hiểu biết về các phương trình phản ứng xảy ra khi cho các bức xạ (alpha, beta, gamma, neutron,…) tương tác với vật chất dùng làm bia.
Phương pháp phân tích kích hoạt neutron đã trải qua một quá trình lịch sử phát triển lâu dài, với các phương pháp 7 phân tích khác nhau như: phương pháp chuẩn hóa tuyệt đối, phương pháp chuẩn hóa tương đối, phương pháp chuẩn hóa đơn nguyên tố, phương pháp chuẩn hóa k0,… Năm 1965, F. Giradi và cộng sự [5] đã đề xuất phân tích kích hoạt neutron sử dụng phương pháp chuẩn hóa đơn nguyên tố trên hệ phân tích kích hoạt neutron với detector NaI(Tl) trên nguồn neutron từ lò phản ứng hạt nhân. Nhóm tác giả đã sử dụng nguyên tố coban để làm monitor cho các nguyên tố khác và đã xác định được hệ số k của 17 nguyên tố. Và sử dụng hệ số k của các nguyên tố này để xác định hàm lượng của các nguyên tố trong các mẫu như: xác định hàm lượng crom trong mẫu sắt; xác định clo trong hồ nước; xác định hàm lượng gali và đồng trong mẫu nhôm.
Simonits và cộng sự [6] đã đề xuất một phương pháp có tính linh động hơn và gọi là phương pháp chuẩn hóa k 0, việc nghiên cứu của nhóm tác giả dựa trên hệ phân tích kích hoạt neutron với detector Ge(Li) trên nguồn neutron từ lò phản ứng hạt nhân. Trong phương pháp này, nhóm tác giả đã sử dụng nguyên tố vàng để làm monitor cho các nguyên tố khác và đã xác định được hệ số k 0 của 10 nguyên tố đối với monitor vàng. Đến năm 1986 thì phương pháp chuẩn hóa k 0 đã hoàn thiện bởi F. Cho đến nay đa số các phòng thí nghiệm phân tích kích hoạt neutron trên thế giới đều sử dụng phương pháp này.
Phuong và cộng sự đã nghiên cứu thành công cho việc phát triển phương pháp chuẩn hóa k0 trên hệ phân tích kích hoạt neutron với detector HPGe trên nguồn neutron từ nguồn đồng vị Am-Be [8]. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã xây dựng được hệ số k 0 cho một vài nguyên tố trên hệ phân tích kích hoạt neutron với nguồn đồng vị Am-Be và xác định được hàm lượng của các nguyên tố Mn, Na, Al trong các mẫu xi măng. Tuy nhiên, phương pháp chuẩn hóa đơn nguyên tố chỉ được phát triển cho việc phân tích mẫu dựa trên kích hoạt lò phản ứng hạt nhân, còn với nguồn neutron đồng vị thì chưa thấy nghiên cứu đến. Từ lí do đó, trong luận văn này chúng tôi tiến hành 8 nghiên cứu cho việc phát triển phương pháp chuẩn hóa đơn nguyên tố trên hệ phân tích kích hoạt neutron với nguồn đồng vị Am-Be.
Cơ sở vật lý tương tác của neutron với vật chất Tuy neutron là hạt trung hòa về điện, nhưng do neutron được cấu thành từ hai loại hạt quark mang điện tích trái dấu nhau, gồm hai quark xuống và một quark lên, quark xuống có điện tích ( 1 / 3) và quark lên có điện tích ( 2 / 3) , do đó hạt neutron có điện tích phân bố trong nó, nên neutron có các tương tác với electron nguyên tử và hạt nhân nguyên tử. Tương tác giữa neutron và electron nguyên tử có hai tương tác là tương tác giữa moment từ của neutron với moment từ của electron và tương tác điện. Nhưng cả hai tương tác này đều rất yếu, sự mất năng lượng của neutron trong hai tương tác này là không đáng kể. Cũng do là hạt trung hòa về điện tích nên neutron không chịu lực đẩy Coulomb của hạt nhân, nó sẽ tiến thẳng đến tương tác với hạt nhân.
Khi neutron tiến đến nguyên tử, nếu bỏ qua quá trình tương tác của neutron với các electron quỹ đạo trong vỏ nguyên tử thì quá trình mất năng lượng của neutron chủ yếu khi tương tác với hạt nhân. Tùy thuộc vào neutron có xuyên sâu vào trong hạt nhân hay không, có thể chia tương tác của neutron với hạt nhân thành hai loại: Loại thứ nhất là tán xạ đàn hồi (n, n) bởi lực hạt nhân, khi đó neutron không xuyên sâu vào trong hạt nhân. Kết quả của tán xạ đàn hồi là thành phần và trạng thái nội tại của hạt nhân không thay đổi (tức là không gây kích thích hạt nhân), năng lượng neutron giảm dần và lệch hướng chuyển động do lực hạt nhân. Neutron sinh ra từ nguồn phát neutron đều là neutron nhanh, và nó được làm chậm (làm giảm năng lượng) thành neutron trên nhiệt hay neutron nhiệt thông qua quá trình tán xạ đàn hồi với các hạt nhân môi trường có nguyên tử số nhỏ, môi trường đó gọi là chất làm chậm, ví dụ như H 2 O , D2 O , Be , C , v.v…Khi đó, neutron xuyên sâu vào trong hạt nhân, 9 năng lượng của neutron giảm dần và cuối cùng bị hấp thụ trong hạt nhân và làm thay đổi trạng thái nội tại của hạt nhân, làm thay đổi cấu trúc hạt nhân, sinh ra các bức xạ gamma, alpha, proton, beta, neutron, phân hạch.
Tương tác của neutron với hạt nhân phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó, nên để xem xét sự tương tác của neutron với vật chất, người ta chia neutron theo năng lượng của chúng thành các neutron nhiệt có năng lượng từ 0 đến 0,5 eV, các neutron trung gian (neutron trên nhiệt) có năng lượng từ 0,5 eV đến 100 keV, các neutron nhanh có năng lượng từ 100 keV đến 10 MeV và các neutron rất nhanh có năng lượng trên 10 MeV. Có nhiều loại tương tác của neutron với vật chất, nhưng từ quan điểm về phân tích kích hoạt neutron, các tương tác chính của neutron được quan tâm là quá trình sinh ra gamma ứng với phản ứng (n, ) , vì quá trình sinh gamma không làm thay đổi thành phần hóa học của nguyên tố được chiếu xạ neutron và đặc biệt là không hủy mẫu, ngoài ra còn quan tâm đến phản ứng sinh ra proton và alpha. Nguyên lý của phương pháp phân tích kích hoạt neutron Trong phương pháp phân tích kích hoạt neutron (NAA), các mẫu được chiếu xạ bởi các nguồn neutron (các đồng vị phát neutron, máy gia tốc, lò phản ứng), thông qua các phản ứng hạt nhân, các đồng vị bền của các nguyên tố cần phân tích biến đổi thành những đồng vị phóng xạ bởi sự hấp thụ neutron.