Chương 1 Khoảng 20 nguyên tố có hạt nhân sống ngắn với thời gian bán rã dưới 100 giây được phân tích bằng phương pháp CNAA đã được giới thiệu. Trong đó, một số nguyên tố vi lượng quan trọng như Selen và Flo cần được phân tích nhanh với số lượng lớn trong khoảng thời gian ngắn. Trong trường hợp đó, phương pháp CNAA với khả năng phân tích nhanh, tin cậy và độ chính xác cao được nghiên cứu và đề xuất sử dụng. Tuy vậy, tại LPƯĐL, hệ kích hoạt nhanh tự động và đồng bộ, với thời gian chuyển mẫu từ vị trí chiếu đến vị trí đo chỉ khoảng 3 giây, được lắp đặt và đưa vào sử dụng từ năm 2013, nhưng đến năm 2016 mới được nâng cấp và thiết lập phương pháp CNAA bởi nhóm nghiên cứu của tác giả.
Trên cơ sở đó các phương pháp kích hoạt lặp vòng khác nhau, bao gồm lặp vòng (CNAA), giả lặp vòng (Pseudo-CNAA hay PCNAA), chiếu mẫu lặp (Replicate-NAA hay Re-NAA) và kết hợp Re-NAA với CNAA hoặc PCNAA đã được nghiên cứu và phát triển để áp dụng phân tích một số nguyên tố quan trọng như Se, Flo,. Để tính toán hàm lượng các nguyên tố trong kỹ thuật NAA, trên cơ sở phương pháp k0 cho NAA đã được phát triển tại LPƯĐL từ năm 2002, luận án đã nghiên cứu và áp dụng thành công phương pháp chuẩn hóa k0 cho phương pháp CNAA và lần đầu tiên sử dụng phần mềm k0-IAEA để xử lý số liệu cho hệ CNAA tại LPƯĐL. Để giải quyết vấn đề chồng chập xung và thời gian chết cao của hệ đo CNAA, các kỹ thuật “Live-Time-Clock” (LTC – đồng hồ đo thời gian sống), “Loss-Free Counting” (LFC – số đếm bị mất do thời gian chết) và “Zero Dead-Time” (ZDT – thời gian chết bằng không) đã được giới thiệu, đó là những kỹ thuật mạnh để hiệu chính sự mất số đếm ở thời gian chết cao và biến đổi nhanh trong phổ kế hạt nhân, đặc biệt là các ứng dụng kỹ thuật phân tích kích hoạt đo các hạt nhân sống rất ngắn đã được giới thiệu và nghiên cứu để áp dụng cho hệ phổ kế CNAA hiện có tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG Dựa vào cơ sở lý thuyết của kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron (NAA) và phương pháp chuẩn hóa k0 đã được nghiên cứu và áp dụng gần hơn 30 năm tại Viện Nghiên cứu hạt nhân), và dựa vào nguyên lý của phương pháp kích hoạt neutron lặp vòng (CNAA), phương trình cơ bản của phương pháp kích hoạt lặp vòng (CNAA) theo chuẩn hóa k0 (k0-CNAA) đã được thiết lập để tính toán hàm lượng của nguyên tố quan tâm trong mẫu.
Ngoài ra, để áp dụng được phương pháp k0-CNAA, các hiệu chính hệ chiếu và hệ đo mẫu là cần thiết, cho nên chương này còn trình bày các phương pháp hiệu chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết cao, phương pháp hiệu chuẩn hiệu suất và phương pháp xác định các thông số phổ neutron. Lý thuyết phương pháp phân tích kích hoạt neutron Phân tích kích hoạt neutron (NAA) là một kỹ thuật hạt nhân được sử dụng để xác định hàm lượng đa nguyên tố trong rất nhiều loại mẫu. Hầu hết các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn có thể được xác định tại mức hàm lượng rất thấp (thường ở mức hàm lượng mg/kg với khối lượng mẫu đem phân tích chỉ khoảng 100 mg). Đầu tiên mẫu bị bắn phá bởi dòng neutron, hạt nhân bền trong mẫu tương tác với neutron bởi phản ứng bắt neutron, hầu hết là phản ứng (n, γ), qua đó hạt nhân phóng xạ được hình thành.
Mỗi hạt nhân phóng xạ có một thời gian sống khác nhau và đặc trưng bởi sự phân rã. Trong quá trình phân rã, hạt nhân có thể phát ra positron, alpha, beta và/hoặc tia gamma. Đa số các hạt phân phóng xạ thường phát ra một hoặc nhiều tia gamma như là sản phẩm của sự dịch chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái bền hơn. Năng lượng tia gamma là đặc trưng của hạt nhân phóng xạ.
Dải năng lượng tia gamma từ 70 keV đến 3100 keV thường được sử dụng cho việc xác định đa nguyên tố trong NAA. Các tia gamma này có thể được xác định bằng đầu dò bán dẫn gemanium siêu tinh khiết với độ phân giải năng lượng cao. Trong phổ gamma, năng lượng của một đỉnh chỉ ra nguyên tố hiện diện trong mẫu và diện tích của một đỉnh cho phép định lượng nguyên tố trong mẫu [1]. 16 Kích hoạt mẫu Mỗi hạt nhân có thể bắt một neutron trong suốt quá trình chiếu xạ.
Ngay sau khi bắt, nó giải phóng năng lượng dư ở dạng động năng bằng cách phát ra các photon và/hoặc các hạt theo các phản ứng (𝑛, 𝛾 ), (𝑛, 𝑛′ ), (𝑛, 𝑝), (𝑛, 𝛼), (𝑛, 2𝑛). Hầu hết, phản ứng được sử dụng trong NAA là phản ứng (𝑛, 𝛾 ). Xác suất bắt neutron của một hạt nhân được biểu thị bằng tiết diện bắt neutron, đơn vị của tiết diện là cm2 hoặc barn (1 barn = 10-24 cm2). Xác suất này phụ thuộc vào phản ứng tạo thành và năng lượng của neutron tới.
Nhìn chung, phản ứng (𝑛, 𝛾 ) và (𝑛, 𝑓) (phản ứng phân hạch) có tiết diện cao nhất đối với neutron chậm với năng lượng nhỏ hơn 1eV [40]. Xác suất R của một hạt nhân bắt một neutron trong một đơn vị thời gian được gọi là tốc độ phản ứng và được xác định bởi công thức [1]: ∞ R = ∫ σ(v)φ(v)dv (2.1) 0 Trong đó: v là vận tốc của neutron, m.s-1; σ(v) là tiết diện bắt neutron tại vận tốc v, barn; φ(v) là thông lượng neutron tại vận tốc v, n. Nếu thông lượng neutron đồng nhất khi đi qua thể tích của mẫu thì tốc độ tạo ra hạt nhân bị kích hoạt tại thời điểm t là : dN1 ( ) = RN0 (2.2) dt Trong đó: N0 là số hạt nhân bia trong mẫu; N1 là số hạt nhân bị kích hoạt trong mẫu ở thời điểm t. Phân rã phóng xạ Khi hạt nhân bắt neutron trở thành hạt nhân không bền thì chúng sẽ có xu hướng trở về trạng thái bền bằng cách phát ra các bức xạ.
Tốc độ phân rã của các hạt nhân không bền trong mẫu được cho bởi: dN1 (t) ( ) = −λN1 (t) (2.3) dt phân rã Với 𝜆 là hằng số phân rã (s-1) hay còn gọi là xác suất phân rã trên một đơn vị thời 17 gian; dấu ‘‘–’’ cho thấy sự mất đi bởi quá trình phân rã của hạt nhân. Chu kỳ bán rã T1/2 và hằng số phân rã liên hệ với nhau như sau: ln 2 λ= (2.4) T1/2 Trong thời gian chiếu mẫu sẽ cùng xảy ra hai quá trình: kích hoạt và phân rã, được mô tả bởi phương trình (2.5) dưới đây, mà còn gọi là phương trình kích hoạt phóng xạ cơ bản: dN1 (t) dN1 (t) dN1 (t) =( ) +( ) = RN0 − λN1 (t) (2.5) dt dt kích hoạt dt phân rã Từ phương trình trên ta tính được số hạt nhân bị kích hoạt sau thời gian chiếu là: RN0 N1 (t i ) = (1 − e−λti ) (2.6) λ Sau khi chiếu, số hạt nhân bị kích hoạt trong mẫu sẽ giảm theo hàm e mũ theo thời gian. Số hạt nhân bị kích hoạt còn lại trong mẫu tại lúc bắt đầu đo được cho bởi: RN0 N1 (t i , t d ) = (1 − e−λti ))(e−λtd ) (2.7) λ Với t 𝑖 là thời gian chiếu và t d là thời gian rã, khoảng thời gian từ lúc kết thúc chiếu tới lúc bắt đầu đo. Đo hoạt độ phóng xạ Như là kết quả của sự chiếu xạ neutron, hỗn hợp các hạt nhân phóng xạ được hình thành trong mẫu.
Hạt nhân phân hủy bởi phân rã alpha, phân rã beta và/hoặc bắt các electron. Trong mỗi trường hợp này, các photon (bức xạ gamma, bức xạ tia X) được phát ra. Bởi vì các photon phát ra có năng lượng đặc trưng và có thể đi xuyên qua vật chất mà không bị suy giảm năng lượng, cho nên phép đo phổ gamma giúp nhận biết hạt nhân đang phân rã [1,40]. Số hạt nhân phân rã trong suốt quá trình đo từ t1 đến t2 được cho bởi phương trình: RN0 ∆N1 (t i , t d , t c ) = (1 − e−λti )(e−λtd )(1 − e−λtc ) (2.8) λ Với tc là khoảng thời gian đo.
18 Kết quả diện tích đỉnh photon NP hiển thị trong phổ gần đúng với NP = ∆N1 γε: RN0 Np = (1 − e−λti )(e−λtd )(1 − e−λtc )γε (2.9) λ Với γ là xác suất phát của tia gamma; ε là hiệu suất ghi đỉnh của đầu dò; Hệ số bão hòa trong khi chiếu: S = (1 − e−λti ); Hệ số hiệu chính sự phân rã: D = (e−λtd ) ; Hệ (1−e−λtc ) số hiệu chính sự phân rã trong khi đo: C = λ.tc Phương trình (2.9) được viết lại thành: Np = R.10) Phương trình tính toán hàm lượng Tốc độ phản ứng R ở phương trình (2.1) được viết lại theo quy ước Hogdhl: R = Gth φth σ0 + Ge φe I0 (α) (2.11) Trong đó: Gth là hệ số hiệu chính tự che chắn neutron nhiệt; φth là thông lượng neutron nhiệt; σ0 là tiết diện bắt neutron tại vận tốc 2200 m.s-1; Ge là hệ số hiệu chính tự che chắn neutron trên nhiệt; φe là thông lượng neutron trên nhiệt; I0 (α)là tiết diện tích phân cộng hưởng của phân bố thông lượng neutron trên nhiệt không tuân theo quy luật 1/E.10) ta có: wθNA Np = S.12) M mθNA Với N0 = và khối lượng của nguyên tố quan tâm trong mẫu m = ρ. W; M θ là độ phổ biến đồng vị; NA là hằng số Avogadro; M là khối lượng nguyên tử; W là khối lượng của mẫu; ρ là hàm lượng của nguyên tố quan tâm. W NA θγ [Gth φth σ0 + Ge φe I0 (α)] εp Đây chính là phương trình tính toán hàm lượng của một nguyên tố trong kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron. Phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng 2.
Giới thiệu Phân tích kích hoạt lặp vòng là một phương pháp bổ sung trong kỹ thuật NAA để xác định các nguyên tố thông qua các hạt nhân phóng xạ có thời gian bán hủy ngắn. Ngoài phương pháp CNAA, phương pháp PCNAA (Pseudo-CNAA) cũng được phát triển thay thế dựa vào CNAA bằng cách điều chỉnh các thông số trong CNAA, đặc biệt là thời gian đợi giữa các vòng chiếu-rã-đo trong khoảng từ vài phút đến vài giờ để giảm thời gian chết của hệ phổ kế. Một phương pháp thay thế khác là Re-NAA (Replicate-NAA), phương pháp này được phát triển từ việc chiếu và đo các phần khác nhau của cùng một mẫu, sau đó các phổ riêng lẻ được kết hợp lại để tạo thành một phổ tổng.