Nghiên cứu phát triển phương pháp phân tích kích hoạt neutron trên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phát triển phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt để xác định hạt nhân sống ngắn.

• Tác giả: Hồ Văn Doanh
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Mạnh Dũng
• Trường học: Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Phát Triển Phương Pháp Phân Tích Kích Hoạt Neutron Lặp Vòng Trên Lò Phản Ứng Hạt Nhân Đà Lạt
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Đà Lạt

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG
• 1.1. Lý thuyết phương pháp phân tích kích hoạt neutron
• 1.2. Phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng
• 1.3. Phương trình kích hoạt lặp vòng
• 1.4. Thông số thời gian trong kích hoạt lặp vòng
• 1.5. Phương pháp CNAA theo chuẩn hóa k0
• 1.6. Phương trình cơ bản k0-CNAA
• 1.7. Hiệu chính sự thay đổi thông lượng neutron trong k0-CNAA
• 1.8. Ước lượng độ không đảm bảo đo của phương pháp
• 1.9. Giới hạn phát hiện
• 1.10. Thời gian chết và chồng chập xung
• 1.10.1. Thời gian chết
• 1.10.2. Chồng chập xung
• 1.11. Phương pháp đề xuất cho hiệu chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết
• 1.12. Hiệu chuẩn hiệu suất và xác định thông số phổ neutron
• 1.12.1. Thông số phổ neutron tại vị trí chiếu mẫu
• 1.12.2. Hiệu chuẩn hiệu suất cho k0-CNAA
• 1.13. Nhận xét chung
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG TRÊN LPƯĐL
• 2.1. Hệ kích hoạt lặp vòng
• 2.1.1. Cấu tạo của hệ kích hoạt lặp vòng
• 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ
• 2.1.3. Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma
• 2.2. Hệ phổ kế gamma
• 2.2.1. Hiệu chuẩn hiệu suất của đầu dò theo hình học mẫu đo
• 2.2.2. Xác định các thông số phổ neutron
• 2.3. Hiệu chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết
• 2.4. Phần mềm k0-IAEA cho k0-CNAA
• 2.5. Thực nghiệm kiểm chứng hệ CNAA trên LPƯĐL
• 2.5.1. Chuẩn bị mẫu cho kích hoạt lặp vòng
• 2.5.2. Chiếu và đo mẫu bằng hệ kích hoạt lặp vòng
• 2.5.3. Xử lý số liệu CNAA theo chuẩn k0 bằng phần mềm k0-IAEA
• 2.6. Nhận xét chung
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả phát triển phương pháp k0-CNAA trên LPƯĐL
• 3.2. Kết quả đánh giá phương pháp k0-CNAA dùng mẫu chuẩn SMELS I
• 3.3. Kết quả đánh giá phương pháp k0-CNAA dùng mẫu chuẩn sinh học
• 3.4. Kết quả ước tính độ không đảm bảo đo của phương pháp k0-CNAA
• 3.5. Thời gian chiếu mẫu
• 3.6. Thông số phổ và biến đổi thông lượng neutron
• 3.7. Hiệu suất của hệ phổ kế
• 3.8. Ước lượng độ không đảm bảo đo của phương pháp k0-CNAA
• 3.9. Kết quả hiệu chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết cao
• 3.10. Kết quả hiệu chính mất số đếm do chồng chập xung
• 3.11. Kết quả đánh giá k0-CNAA ở thời gian chết cao
• 3.12. Kết quả xác định nguyên tố Selen trong mẫu sinh học thông qua hạt nhân 77mSe bằng kích hoạt lặp vòng
• 3.13. Nhận xét chung
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phương pháp phân tích kích hoạt neutron

Phân tích kích hoạt neutron (phân tích kích hoạt neutron) là một kỹ thuật quan trọng trong việc xác định thành phần nguyên tố của mẫu. Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sinh học, môi trường, và khảo cổ học. Đặc biệt, lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt) đã cung cấp nguồn neutron mạnh mẽ, cho phép thực hiện các phân tích với độ nhạy cao. Phương pháp này có khả năng xác định đồng thời nhiều nguyên tố, nhờ vào việc sử dụng các hạt nhân sống ngắn, giúp giảm thời gian phân tích và tăng tính cạnh tranh với các kỹ thuật khác. Theo nghiên cứu, việc áp dụng phương pháp này có thể cải thiện đáng kể độ chính xác và giới hạn phát hiện của các nguyên tố cần xác định.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế

Tình hình nghiên cứu về phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (phương pháp phân tích) đã có những bước tiến đáng kể. Nhiều nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra rằng phương pháp này có thể áp dụng hiệu quả trong việc xác định các nguyên tố hiếm và khó phân tích. Tại Việt Nam, lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã trở thành một trung tâm nghiên cứu quan trọng, nơi các nhà khoa học có thể thực hiện các thí nghiệm với nguồn neutron mạnh mẽ. Việc phát triển phương pháp này không chỉ giúp nâng cao chất lượng nghiên cứu mà còn mở ra cơ hội hợp tác quốc tế trong lĩnh vực khoa học hạt nhân.

II. Cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng

Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (kích hoạt neutron) dựa trên nguyên lý kích hoạt neutron, trong đó mẫu được chiếu bằng neutron và sau đó đo lường các tia gamma phát ra. Phương pháp này cho phép tích lũy số đếm từ nhiều lần chiếu và đo, từ đó cải thiện độ chính xác và giới hạn phát hiện. Các thông số như thời gian chết và chồng chập xung cũng cần được xem xét để tối ưu hóa quy trình phân tích. Việc áp dụng phương pháp chuẩn hóa k0 trong phân tích này giúp giảm thiểu sai số và nâng cao độ tin cậy của kết quả. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng hạt nhân sống ngắn trong phương pháp này có thể rút ngắn thời gian phân tích, từ đó tăng số lượng mẫu có thể phân tích trong cùng một thời gian.

2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân tích

Hệ thống phân tích kích hoạt neutron lặp vòng được thiết kế để tối ưu hóa quy trình chiếu và đo. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này bao gồm việc chiếu mẫu bằng neutron, sau đó đo lường các tia gamma phát ra từ mẫu. Thời gian chiếu và đo được điều chỉnh để đảm bảo rằng số đếm thu được là tối ưu. Hệ thống này cũng cần được hiệu chuẩn để đảm bảo rằng các thông số như thông lượng neutron và hiệu suất của đầu dò được xác định chính xác. Việc áp dụng phần mềm k0-IAEA trong phân tích giúp xử lý dữ liệu một cách hiệu quả, từ đó nâng cao độ chính xác của kết quả phân tích.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp k0-CNAA đã được phát triển và áp dụng thành công tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Các thí nghiệm cho thấy phương pháp này có khả năng xác định các nguyên tố với độ nhạy cao và thời gian phân tích ngắn. Đặc biệt, việc sử dụng các hạt nhân sống ngắn đã giúp giảm đáng kể thời gian phân tích so với các phương pháp truyền thống. Kết quả thu được từ các mẫu chuẩn cho thấy độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp này, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu trong lĩnh vực phân tích hạt nhân. Việc phát triển phương pháp này không chỉ có ý nghĩa trong nghiên cứu khoa học mà còn có ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

3.1. Đánh giá hiệu quả của phương pháp k0 CNAA

Đánh giá hiệu quả của phương pháp k0-CNAA cho thấy rằng phương pháp này có thể cải thiện đáng kể giới hạn phát hiện và độ chính xác của phép phân tích. Các thí nghiệm thực hiện trên mẫu chuẩn đã chứng minh rằng phương pháp này có thể xác định được nhiều nguyên tố với độ nhạy cao. Việc áp dụng phương pháp này tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã mở ra cơ hội mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực khoa học hạt nhân. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị trong việc nâng cao chất lượng phân tích mà còn góp phần vào sự phát triển của khoa học hạt nhân tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG Chương này trình bày tóm lược về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (CNAA) ở trong và ngoài nước để giải quyết những khó khăn trong việc phân tích các hạt nhân có thời gian sống ngắn mà kỹ thuật phân tích kích hoạt (NAA) truyền thống không giải quyết được. Bên cạnh đó, phương pháp CNAA theo chuẩn hóa k0 cùng với phần mềm k0-IAEA cũng được giới thiệu. Ngoài ra, hiệu ứng chồng chập xung và thời gian chết cao cũng được trình bày trong chương này bởi chúng là một trong những nguồn gây ra sai số chính trong phương pháp CNAA.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước về phương pháp CNAA Nhu cầu về các kỹ thuật phân tích nhanh, tin cậy cùng với yêu cầu độ nhạy cao để xác định các nguyên tố vi lượng và khả năng phân tích đa nguyên tố, đặc biệt liên quan đến các chương trình quan trắc và nghiên cứu môi trường (cần phân tích một số lượng lớn mẫu) đã thúc đẩy sự phát triển của phương pháp kích hoạt lặp vòng. Ngoài sự cạnh tranh về yếu tố thương mại so với các kỹ thuật phân tích khác, một lý do khác mà phương pháp CNAA ngày càng nhận được nhiều mối quan tâm là do một số hạt nhân sống ngắn là đối tượng nghiên cứu chỉ thị liên quan đến các vấn đề về môi trường và y sinh [6].1: Số liệu hạt nhân của một số nguyên tố được xác định bằng CNAA thông qua các hạt nhân sống ngắn [3,4] TT Ng. Phản ứng Hạt , T1/2,  0, I0 , Eγ, tố hạt nhân nhân % giây barn barn keV 1 O 18 O(n,γ)19O 19 O 0,002 26,9 0,00016 0,00081 197,14 2 F 19 F(n,γ)20F 20 F 1,00 11,02 0,0095 0,039 1633,60 46 3 Sc Sc(n,γ)46mSc 46m Sc 1,00 18,75 9,6 -- 142,53 4 Ge 74 Ge(n,γ)75mGe 75m Ge 0,365 48 0,143 0,35 139,6 5 Se 76 Se(n,γ)77mSe 77m Se 0,090 17,45 21 16 161,93 85 6 Rb Rb(n,γ)86mRb 86m Rb 0,722 61,2 0,05 1275 556,17 103 7 Rh Rh(n,γ)104Rh 104 Rh 1,00 42,3 134 112 555,8 106 8 Pd Pd(n,γ)107mPd 107m Pd 0,273 20,9 0,013 1,16 214,9 4 luan an 109 9 Ag Ag(n,γ)110Ag 110 Ag 0,482 24,6 89 0,2 657,76 10 In 115 In(n,γ) 116mIn 116m In 0,957 14,1 87 -- 1293,6 123 11 Sb Sb(n,γ)124mSb 124m Sb 0,427 93,0 0,035 0,93 645,86 138 12 Ce Ce(n,γ)139mGe 139m Ce 0,0025 56,4 0,15 2 757,0 164 13 Dy Dy(n,γ)165mDy 165m Dy 0,282 75,6 1698 425 515,5 166 14 Er Er(n,γ)167mEr 167m Er 0,336 2,27 15 10 207,8 176 15 Yb Yb(n,γ)177mYb 177m Yb 0,127 6,41 3,8 -- 104 198 16 Pt Pt(n,γ)199mPt 199m Pt 0,072 13,6 0,3 -- 319 17 Hf 178 Hf(n,γ)179mHf 179m Hf 0,273 18,68 53 1039 216 191 18 Ir Ir(n,γ)192mIr 192m Ir 0,373 87 300 1060 58 19 W 182 W(n,γ)183mW 183m W 0,265 5,65 20 600 107,9 206 20 Pb Pb(n,γ)207mPb 207m Pb 0,241 0,80 0,03 0,1 570 Nguồn gốc của phương pháp kích hoạt lặp vòng không được biết rõ ràng. Tuy nhiên, một vài báo cáo đầu tiên đã đề cập rằng mẫu được luân chuyển giữa nguồn chiếu và đầu dò để tăng tỉ số “tín hiệu trên nhiễu” đối với một số hạt nhân quan tâm, đã được thực hiện bởi Anders [4, 5] vào các năm 1960 và 1961.

Mặc dù không đề cập đến thuật ngữ “lặp vòng” nhưng mẫu đã được chiếu lặp lại bởi nguồn neutron từ bia Berylli của máy gia tốc Van-de-Graaff 2 MeV và được đo trên đầu dò NaI(Tl) sử dụng hệ chuyển mẫu nhanh. Mỗi mẫu sau một lần chiếu được đo hai lần liên tục trong khoảng thời gian bằng nhau, phổ thu được đem trừ lẫn nhau (phổ đo trước trừ phổ đo sau). “Sự khác biệt” giữa hai phổ này cho thấy sự hiện diện của các hạt nhân có chu kỳ bán hủy rất ngắn. Vì vậy, phương pháp này có khả năng xác định được một số nguyên tố: O, F, Na, Sc, Ge, Se, Br, Y, Rb, Rh, Ag, Er, Hf, W, Yb, Ir và Au.

Sau đó, Givens [11] và cộng sự, năm 1968 và 1970 , đã đo được nhiều hạt nhân hơn như 16N (7,14 giây) và 24mNa (20 mili giây) bởi thiết lập hệ thống sao cho mẫu cố định đối với cả nguồn chiếu và đầu dò. Tani và cộng sự [12], năm 1969 ở Nhật Bản, sử dụng cấu hình thí nghiệm tương tự đã quan sát được phổ từ 205mPb (4 mili giây) và 207mPb (800 mili giây). Để đạt được độ nhạy yêu cầu, Spyrou và Ozek [13] lần đầu tiên đã sử dụng lò phản ứng như là một nguồn neutron cho CNAA và đã công bố kết quả đo 207mPb (800 mili giây) trong mẫu môi trường. Từ đó, nhiều thiết bị dùng cho CNAA đã được nghiên cứu thiết kế và lắp đặt như ở Anh, Mỹ, Hàn Quốc và Áo [14-16], phương pháp luận và hàng loạt các nghiên cứu ứng dụng đã được thực hiện [17-19].

5 luan an Trong tất cả các loại kích hoạt lặp vòng, hầu hết các nghiên cứu được thực hiện kích hoạt lặp vòng bằng neutron (CNAA). Dựa vào nguồn neutron được sử dụng, CNAA có thể phân loại theo các dạng khác nhau như CNAA dùng lò phản ứng, máy gia tốc, máy phát, và nguồn đồng vị. Dựa vào năng lượng của neutron, CNAA có thể phân loại theo neutron nhiệt, trên nhiệt và neutron nhanh; dựa vào bức xạ phát ra từ hạt nhân phóng xạ, có thể phân loại theo tia gamma và neutron trễ.2 cho thấy các nguyên tố có thể xác định bằng các loại CNAA khác nhau.2: Phân loại CNAA và các nguyên tố được xác định bằng CNAA Neutron Nguồn neutron Bức xạ được đo Nguyên tố Nhiệt LPƯ, máy gia tốc Tia gamma O, F, Sc, Ge, Se, Rb, In, Rh, Pd, Ag, Sb, Dy, Hf, Ce, Er, Yb, Ir, W, Pb, U Nhiệt LPƯ Neutron trễ U, Th Trên nhiệt LPƯ Tia gamma O, F, Ge, Rh, Ag, Ce, Er, Hf, Pt, Ir Nhanh LPƯ, máy gia tốc, Tia gamma B, O, F, S, Cl, Si, Na, Mg, Ti, nguồn đồng vị, Ge, As, Se, Br, Rb, Y, In, Ba, máy phát neutron Ce, Hf, Nd, Sm, Er, Tb, W, Au, Pb Một vài ứng dụng phổ biến của phương pháp CNAA Selen được biết như là một nguyên tố vi lượng thiết yếu trong mẫu sinh học. Hàm lượng của Selen trong các mô sinh học bình thường khoảng <1,0 mg/kg, điều này cũng đồng nghĩa là cần một kỹ thuật phân tích có độ nhạy cao để định lượng nó.

NAA là một kỹ thuật rất nhạy để xác định nguyên tố Selen. Trong hầu hết các trường hợp, phép phân tích được thực hiện bằng phép đo 75Se (T1/2 = 120 ngày), do đó cần thời gian phân tích khá dài. Sử dụng hạt nhân sống ngắn 77mSe (T1/2 = 17,4 giây) có thể giảm đáng kể thời gian và chi phí phân tích. Ngoài ra, giới hạn phát hiện và độ chính xác phân tích có thể được cải thiện bằng kích hoạt lặp vòng.

Trong vài năm qua, hàng loạt các áp dụng CNAA để xác định Selen trong nhiều loại mẫu như mô động vật và mô người, dịch cơ thể, thực phẩm trong chế độ ăn uống hàng ngày [10, 17, 20-26] 6 luan an Bảng 1.3: Số liệu hạt nhân của nguyên tố Selen và ảnh hưởng nhiễu lên Selen trong NAA [21] Số liệu hạt nhân của Selen Hạt nhân gây nhiễu Hạt nhân bền, σth (b)*; Hạt nhân; -ray Hạt nhân -ray (% ) Iepi (b)* (T1/2) (keV) (T1/2) (keV) 74 Se (0.87) 51,8  1,2; 75 Se; 121,1 152 Eu 121,8 181 424  17 (119,8 d) 136,0 Hf 136,3 182 264,7 Ta 264,1 203 279,5 Hg 279,1 76 Se (9.02) 21  1; 77m Se; 161,9 116m In 162,3 16  0,2 (17,4 s) (2,18 s) Flo là một nguyên tố vi lượng thiết yếu trong cơ thể và được tích lũy trong xương. Sâu răng và loãng xương được cho là có liên quan đến sự hấp thụ Flo và hàm lượng của nó trong các mô. Flo chỉ có một hạt nhân duy nhất là 20F (T1/2 = 11,02 giây, Eγ= 1633 keV) và được sử dụng để xác định hàm lượng Flo trong NAA thông qua phản ứng 19F(n,γ)20F. Do 20F có chu kỳ bán hủy rất ngắn là 11,02 giây, cho nên CNAA là phương pháp phù hợp để xác định nó [27-34].

Flo thực sự là nguyên tố đầu tiên được xác định bằng kích hoạt lặp vòng [4, 5]. Flo có một hạt nhân bền là 19F, nó có thể tham gia nhiều phản ứng hạt nhân như được tóm tắt trong Bảng 1.4: Số liệu hạt nhân của nguyên tố Flo Hạt nhân Phản ứng σth Hạt T1/2, Eγ, Xác suất bền, (% ) hạt nhân (b) nhân giây keV phát, % 19 F n,γ 9,5 20 F 11,02 1634 100 19 (100%) n,p 1,35 O 26,91 197 95,9 n,α 7,85 16 N 7,13 6130 69 18 n,2n 0,0073 F 6.600 511 194 Phản ứng bắt neutron nhiệt và trên nhiệt của Flo như sau: 19 F9 + 1n0 → 20F9 + γ (gamma tức thời) 20 F9 (T1/2 = 11 giây)→ (20Ne)* + 0β-1 +  (20Ne)* → 20Ne10 + γ (Eγ = 1633 keV) Theo kết quả nghiên cứu của Farooqi [29] giới hạn phát hiện của Flo trong mẫu sinh học có thể đạt được ở mức vài mg/kg bằng CNAA sử dụng LPƯ ở điều kiện Ti = Tc = 10 giây, Td = Tw = 2 giây. Tuy nhiên, cần lưu ý về phản ứng 23Na(n,α)20F và 7 luan an 20 Ne(n,p)20F cũng có thể tạo ra 20F, cho nên sự ảnh hưởng nhiễu cần được hiệu chính cho từng đối tượng mẫu cụ thể. Chì được biết đến như là một nguyên tố độc và có khả năng gây ô nhiễm cao.

Vì vậy, có nhiều sự quan tâm về việc xác định hàm lượng của Chì trong nhiều vật liệu môi trường. Chì chỉ có thể được xác định bằng NAA thông qua một hạt nhân sống rất ngắn, 207mPb. Chu kỳ bán hủy của 207mPb chỉ 0,8 giây làm cho nó rất khó đo bằng kỹ thuật NAA thông thường. Bằng việc sử dụng hệ chuyển mẫu khí nén nhanh kết hợp với kích hoạt lặp vòng, Egan và Spyrou [35] đã xác định được Chì trong một số mẫu môi trường, với điều kiện thời gian Ti = Tc = 2 giây và Td = Tw = 1 giây và với 50 vòng lặp, độ nhạy đạt được là 5µg và giới hạn phát hiện là 30 mg/kg đối với mẫu sinh học.

Các nguyên tố Ag, Sc và Hf thường được xác định bằng kỹ thuật NAA sử dụng hạt nhân sống dài 110mAg (250 ngày), 46Sc (84 ngày) và 181Hf (42 ngày). Tuy nhiên, sử dụng hạt nhân sống ngắn 110Ag (24,6 giây), 46mSc (18,75 giây) và 179mHf (18,68 giây) không chỉ giảm thời gian phân tích mà còn có thể cải thiện giới hạn phát hiện bằng phương pháp lặp vòng. Spyrou đã áp dụng thành công CNAA để phân tích một số mẫu môi trường nhằm xác định Sc, Hf, Ag và cùng một số nguyên tố khác như Dy, Se, Al và V.