Ứng Dụng Phương Pháp Chuẩn Hóa K0 Trong Phân Tích Hàm Lượng Nguyên Tố Đất Hiếm

Luận văn tốt nghiệp vật lý nghiên cứu tốt nghiệp vật lý ứng dụng phương pháp chuẩn hóa ko phân tích hàm lượng các nguyên tố trong đất hiếm, điều tra thực trạng, phân tích số liệu,

• Tác giả: Hồ Thị Kim Cúc
• Người hướng dẫn: Thầy Tạ Hưng Quý
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Ứng Dụng Phương Pháp Chuẩn Hóa K0 Trong Phân Tích Hàm Lượng Nguyên Tố Đất Hiếm
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHÉP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON (NAA)
• 1.1. Những nguyên tắc cơ bản
• 1.2. Biểu diễn phổ nơtron của lò phản ứng
• 1.3. Tính chất của tiết diện phản ứng (n, γ)
• 1.4. Tốc độ phản ứng
• 1.5. Năng lượng ngưỡng hiệu dụng Cd
• 1.6. Quy ước Hogdahl
• 1.7. Hình thức luận Westcott
• 1.8. Phương pháp chuẩn hoá NAA
• 1.8.1. Phương trình kích hoạt
• 1.8.2. Phương pháp tuyệt đối
• 1.8.3. Phương pháp tương đối
• 1.8.4. Phương pháp so sánh đơn
• 2. CHƯƠNG 2: PHÉP TRẮC PHỔ TIA X
• PHẦN HAI: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Khái quát về đất hiếm
• 2.2. Chuẩn bị mẫu
• 2.3. Hệ thống đo bức xạ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Phương Pháp Chuẩn Hóa K0

Phương pháp chuẩn hóa K0 trong phân tích hàm lượng nguyên tố đất hiếm đang trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu khoa học. Phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của các kết quả phân tích. Đặc biệt, nó cho phép xác định hàm lượng các nguyên tố hiếm một cách hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống.

1.1. Khái Niệm Về Phương Pháp Chuẩn Hóa K0

Phương pháp chuẩn hóa K0 (k-zero) là một kỹ thuật phân tích hạt nhân, cho phép xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu mà không cần phải biết chính xác các thông số hạt nhân. Kỹ thuật này giúp giảm thiểu sai số trong quá trình phân tích.

1.2. Lợi Ích Của Phương Pháp Chuẩn Hóa K0

Phương pháp này mang lại nhiều lợi ích như độ chính xác cao, khả năng xử lý mẫu nhanh chóng và giảm thiểu sự phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn ưu việt trong phân tích nguyên tố đất hiếm.

II. Vấn Đề Trong Phân Tích Hàm Lượng Nguyên Tố Đất Hiếm

Phân tích hàm lượng nguyên tố đất hiếm gặp nhiều thách thức, bao gồm độ chính xác của các phương pháp hiện tại và sự phức tạp trong việc chuẩn bị mẫu. Những vấn đề này có thể dẫn đến kết quả không chính xác, ảnh hưởng đến các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

2.1. Thách Thức Trong Việc Chuẩn Bị Mẫu

Việc chuẩn bị mẫu cho phân tích nguyên tố đất hiếm thường gặp khó khăn do tính chất hóa học phức tạp của chúng. Điều này có thể dẫn đến sai số trong kết quả phân tích.

2.2. Độ Chính Xác Của Các Phương Pháp Phân Tích

Nhiều phương pháp phân tích hiện tại như phương pháp hóa học hay huỳnh quang tia X có độ chính xác không cao. Điều này làm cho việc áp dụng các phương pháp mới như chuẩn hóa K0 trở nên cần thiết.

III. Phương Pháp Chuẩn Hóa K0 Trong Phân Tích Nguyên Tố

Phương pháp chuẩn hóa K0 được áp dụng trong phân tích nguyên tố đất hiếm với nhiều ưu điểm nổi bật. Kỹ thuật này không chỉ đơn giản hóa quy trình phân tích mà còn nâng cao độ chính xác của kết quả.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Của Phương Pháp K0

Phương pháp K0 hoạt động dựa trên việc sử dụng các hệ số hạt nhân được xác định chính xác. Điều này giúp giảm thiểu sai số và tăng cường độ tin cậy của kết quả phân tích.

3.2. So Sánh Với Các Phương Pháp Khác

So với các phương pháp phân tích khác, phương pháp chuẩn hóa K0 cho thấy sự vượt trội về độ chính xác và tính linh hoạt. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn hàng đầu trong nghiên cứu nguyên tố đất hiếm.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phương Pháp Chuẩn Hóa K0

Phương pháp chuẩn hóa K0 đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn. Kết quả từ các nghiên cứu này cho thấy tính hiệu quả và độ tin cậy của phương pháp trong việc phân tích hàm lượng nguyên tố đất hiếm.

4.1. Nghiên Cứu Về Đất Hiếm Trong Công Nghiệp

Nghiên cứu về hàm lượng nguyên tố đất hiếm trong công nghiệp cho thấy phương pháp chuẩn hóa K0 giúp xác định chính xác các nguyên tố cần thiết cho sản xuất.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Từ Các Dự Án

Nhiều dự án nghiên cứu đã sử dụng phương pháp chuẩn hóa K0 và đạt được kết quả khả quan. Điều này chứng tỏ tính ứng dụng cao của phương pháp trong thực tiễn.

V. Kết Luận Về Phương Pháp Chuẩn Hóa K0

Phương pháp chuẩn hóa K0 trong phân tích hàm lượng nguyên tố đất hiếm không chỉ mang lại độ chính xác cao mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới. Tương lai của phương pháp này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và ứng dụng rộng rãi.

5.1. Tương Lai Của Phương Pháp Chuẩn Hóa K0

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, phương pháp chuẩn hóa K0 sẽ ngày càng được cải tiến và ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau.

5.2. Khuyến Nghị Cho Các Nghiên Cứu Tương Lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các ứng dụng của phương pháp chuẩn hóa K0 để tối ưu hóa quy trình phân tích và nâng cao độ chính xác trong các nghiên cứu về nguyên tố đất hiếm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hơn 95% nguồn cung ứng các nguyên tố đất hiếm trên thế giới hiện nay được khai thác chủ yếu từ hai nguồn khoáng vật vô cơ quan trọng là Bastnaesite và Monazite. Nhóm nguyên tố này bao gồm 15 nguyên tố thuộc họ Lantanit có số nguyên tử từ 57 đến 71, giữ vai trò chiến lược trong các ngành công nghiệp mũi nhọn như sản xuất chất bán dẫn, vật liệu phát quang, luyện kim chất lượng cao và chất xúc tác lọc hóa dầu. Tuy nhiên, việc xác định chính xác thành phần và hàm lượng của từng nguyên tố đất hiếm gặp phải rào cản lớn do cấu trúc vỏ electron tương tự nhau, dẫn đến tính chất hóa học gần như đồng nhất giữa các nguyên tố kế cận.

Các phương pháp phân tích hóa học ướt cổ điển thường bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng như đòi hỏi quy trình xử lý hòa tan phức tạp làm phá hủy mẫu, thời gian phân tích kéo dài và phát sinh sai số lớn do sự thất thoát nguyên tố vi lượng. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng phương pháp chuẩn hóa k0 trong phân tích kích hoạt nơtron (k0-NAA) kết hợp trắc phổ bức xạ tia gamma và tia X. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên các mẫu quặng địa chất tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cốt lõi là thiết lập quy trình phân tích định lượng đa nguyên tố với độ nhạy vượt trội, đạt giới hạn phát hiện trong khoảng từ 10^-9 gam đến 10^-6 gam mà không làm phá vỡ cấu trúc ban đầu của mẫu vật. Kết quả này cung cấp một công cụ phân tích hiện đại, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc trong việc đánh giá tài nguyên khoáng sản và quan trắc môi trường địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tương tác bức xạ với vật chất, trọng tâm là phản ứng kích hoạt nơtron nhiệt và trên nhiệt (n, gamma). Trong phản ứng này, hạt nhân bia hấp thụ một nơtron để tạo thành đồng vị phóng xạ phát ra bức xạ gamma tức thời và các bức xạ đặc trưng theo thời gian bán rã xác định. Để mô tả chính xác thông lượng nơtron trong vùng năng lượng nhiệt và trên nhiệt của lò phản ứng, nghiên cứu áp dụng Quy ước Hogdahl cho các hạt nhân tuân theo quy luật tiết diện 1/v với vận tốc chuẩn 2200 m/s và năng lượng chuẩn 0,0253 eV. Đồng thời, Hình thức luận Westcott được tích hợp nhằm xử lý các hạt nhân không tuân theo quy luật 1/v thông qua thừa số g Westcott và năng lượng cộng hưởng hiệu dụng Er.

Mô hình nghiên cứu chủ đạo là phương pháp chuẩn hóa k0 được phát triển bởi các nhà khoa học Simonits và De Corte. Phương pháp này thay thế các dữ liệu hạt nhân riêng lẻ kém tin cậy bằng hằng số hạt nhân tổ hợp k0 được xác định bằng thực nghiệm tại hai lò phản ứng độc lập ở Viện INW Gent và KFKI Budapest. Hằng số k0 hoàn toàn độc lập với cấu tạo đầu dò và thông lượng phổ nơtron. Vàng Au-197 được lựa chọn làm monitor chuẩn so sánh đơn với năng lượng bức xạ gamma đặc trưng 411,8 keV, tiết diện phản ứng nhiệt đạt 98,8 barn và tỷ số tích phân cộng hưởng Q0 bằng 15,8. Bên cạnh đó, mô hình còn tính toán chi tiết hệ số hiệu chỉnh tự chắn nơtron nhiệt Gth và tự chắn nơtron trên nhiệt Ge để loại trừ sai số tán xạ và hấp thụ trong khối mẫu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các mẫu đất hiếm dạng bột do Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh cung cấp. Cỡ mẫu nghiên cứu được chuẩn bị đồng nhất với khối lượng từ 10 mg đến 100 mg cho mỗi phép đo. Phương pháp chọn mẫu là kỹ thuật lấy mẫu đại diện, nghiền mịn cơ học và đồng hóa để đảm bảo độ đồng đều cao nhất, sau đó mẫu được đóng gói kín trong các túi màng polymer tinh khiết nhằm ngăn ngừa tối đa tạp chất nhiễm bẩn từ môi trường.

Lý do lựa chọn phương pháp k0-NAA kết hợp trắc phổ bức xạ là khả năng phân tích đa nguyên tố đồng thời, độ chọn lọc cao và hạn chế tối đa việc chuẩn bị hàng loạt dung dịch chuẩn phức tạp. Quy trình phân tích được thực hiện tại kênh chiếu của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt với thông lượng nơtron danh định từ 10^12 đến 10^13 n/cm2.s. Hệ thống đo bức xạ sử dụng đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết có độ phân giải năng lượng 170 eV tại vạch 5,9 keV của đồng vị Fe-55, ghép nối với hệ phân tích đa kênh MCA và phần mềm xử lý phổ chuyên dụng GAMMA-MCA. Tiến trình thực nghiệm được phân bổ theo thời gian chiếu xạ từ 1 đến 30 phút, thời gian làm nguội từ 15 giây đến 2 giờ và thời gian thu nhận phổ đếm từ 10 đến 40 phút tùy theo chu kỳ bán rã của từng đồng vị quan tâm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã định danh và định lượng thành công đồng thời nhiều nguyên tố đất hiếm và kim loại đi kèm trong mẫu quặng phức tạp. Các nguyên tố được xác định với độ tin cậy cao bao gồm Samarium (Sm-153 tại đỉnh 103,2 keV), Europium (Eu-152 tại đỉnh 121,8 keV), Gadolinium (Gd-159 tại vạch 363,5 keV), Lutetium (Lu-177 tại vạch 208,4 keV) cùng các nguyên tố Hafnium, Tantalum và Neodymium. Giới hạn phát hiện thực nghiệm đạt mức vết từ 10^-9 gam đối với các nguyên tố có tiết diện kích hoạt lớn như Dysprosium, Europium và Indium đến 10^-6 gam đối với Ytterbium và Molybdenum.

Thứ hai, việc chuẩn hóa các thông số phổ nơtron lò phản ứng gồm tỷ số thông lượng nơtron nhiệt trên nơtron trên nhiệt (thông số f) và độ lệch phổ alpha đã giúp kiểm soát chặt chẽ sai số hệ thống. Sai số toàn phần của phương pháp k0-NAA được duy trì ở mức dưới 4%, cải thiện vượt bậc so với mức sai số từ 10% đến 15% thường gặp ở phương pháp tuyệt đối truyền thống.

Thứ ba, nghiên cứu đã xác lập công thức thực nghiệm tính toán hệ số tự chắn nơtron nhiệt Gth cho mẫu dạng hình trụ với độ chính xác cao hơn 2%, đảm bảo kết quả phân tích không bị ảnh hưởng bởi hình học mẫu đếm.

Thứ tư, khi ứng dụng phương pháp trắc phổ tia X năng lượng thấp kết hợp từ trường 13 kG hoặc vật hấp thụ perspex, tỷ số tín hiệu trên nhiễu đã tăng lên hơn 20 lần. Kỹ thuật này làm lệch quỹ đạo của các hạt beta phát xạ mạnh, triệt tiêu hơn 90% phông bức xạ nền liên tục và cho phép tách vạch các tia X đặc trưng dưới 20 keV một cách rõ nét.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính tạo nên độ chính xác cao của nghiên cứu là nhờ sự kết hợp giữa hệ số k0 độc lập thiết bị và đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết có độ phân giải cao 170 eV. Nhờ đó, các đỉnh năng lượng gamma kế cận nhau được bóc tách hoàn toàn, loại trừ hiện tượng giao thoa sơ cấp bậc nhất giữa các đồng vị họ Lantanit, chẳng hạn như sự trùng chập giữa Lanthanum-140 và Cerium-141.

So sánh với các công trình phân tích hóa học ướt đòi hỏi từ 5 đến 8 giờ xử lý mẫu và tiêu tốn lượng lớn hóa chất tinh khiết, phương pháp k0-NAA rút ngắn thời gian phân tích mẫu xuống chỉ còn từ 10 đến 30 phút cho một chu kỳ đo. So với phương pháp NAA tương đối, k0-NAA tiết kiệm hơn 70% chi phí chuẩn bị hóa chất và loại bỏ sai số do sự không đồng nhất giữa mẫu chuẩn và mẫu phân tích.

Các dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa hiệu quả thông qua hệ thống bảng tra cứu hệ số hạt nhân k0 và các biểu đồ phổ năng lượng từ chương trình GAMMA-MCA. Trên đồ thị phân bố số đếm theo kênh năng lượng, các pic quang điện của Eu-152, Sm-153 và Lu-177 thể hiện dạng đỉnh Gauss đối xứng, diện tích đỉnh rõ rệt nổi bật trên nền Compton thấp. Điều này chứng minh rằng việc áp dụng quy ước Hogdahl và hiệu chỉnh từ trường đã triệt tiêu tối đa can nhiễu, khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của phương pháp trong việc phân tích các ma trận mẫu địa chất phức tạp tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả và mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp chuẩn hóa k0, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị trọng tâm:

Thứ nhất, chuẩn hóa và xây dựng bộ cơ sở dữ liệu hằng số hạt nhân k0 quốc gia đồng bộ cho tất cả các vị trí chiếu xạ tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Mục tiêu là kiểm soát độ không đảm bảo đo xuống dưới mức 3% đối với tất cả các nguyên tố đất hiếm, hoàn thành trong khung thời gian 12 tháng do Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt chủ trì thực hiện.

Thứ hai, nâng cấp hạ tầng thiết bị ghi đo bức xạ bằng cách trang bị các hệ phổ kế đa kênh MCA tốc độ cao và đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết có độ phân giải năng lượng đạt dưới 160 eV. Mục tiêu là giảm thời gian chết của hệ đo xuống dưới 5% khi phân tích các mẫu có hoạt độ phóng xạ cao, triển khai trong vòng 6 tháng tại các phòng thí nghiệm trọng điểm.

Thứ ba, phát triển phần mềm chuyên dụng tự động hóa quy trình phân tích phổ k0-NAA tích hợp module tính toán hệ số tự chắn nơtron Gth và Ge cho đa dạng hình học mẫu. Mục tiêu là rút ngắn thời gian xử lý và xuất kết quả định lượng xuống dưới 2 phút cho mỗi mẫu, hoàn thành trong 9 tháng thông qua sự phối hợp giữa các chuyên gia vật lý hạt nhân và kỹ sư công nghệ thông tin.

Thứ tư, mở rộng ứng dụng quy trình phân tích k0-NAA không phá hủy mẫu sang lĩnh vực giám sát môi trường và công nghiệp khai khoáng. Đặt mục tiêu kiểm định định kỳ 500 mẫu đất đá, bùn thải và tro xỉ than mỗi năm nhằm kiểm soát hàm lượng các nguyên tố phóng xạ đi kèm như Thori (thường chiếm trên 30% trong quặng Monazite) và các kim loại nặng độc hại, thực hiện hàng quý bởi Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân cùng các cơ quan quản lý tài nguyên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật giá trị dành cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Nhóm thứ nhất là các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Vật lý địa cầu và Hóa phóng xạ. Luận văn cung cấp nền tảng toán học và thực nghiệm toàn diện về Quy ước Hogdahl, Hình thức luận Westcott và phương pháp chuẩn hóa k0, đóng vai trò tài liệu tham khảo chuẩn mực để xây dựng các mô hình phân tích kích hoạt tiên tiến.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư phân tích và chuyên viên phòng thí nghiệm tại các viện địa chất, trung tâm phân tích khoáng sản và doanh nghiệp khai khoáng. Luận văn cung cấp quy trình chuẩn từng bước để định lượng chính xác 15 nguyên tố đất hiếm trong các loại quặng phức tạp như Bastnaesite, Monazite và Xenotime mà không cần phá hủy mẫu.

Nhóm thứ ba là cán bộ quản lý, chuyên viên kiểm định tại các cơ quan quan trắc môi trường và an toàn bức xạ. Nhóm đối tượng này có thể ứng dụng trực tiếp phương pháp để phát hiện các nguyên tố vi lượng độc hại và đánh giá mức độ ô nhiễm phóng xạ tự nhiên trong đất, nước và khí thải công nghiệp với độ nhạy tới 10^-9 gam.

Nhóm thứ tư là giảng viên và sinh viên các trường đại học khối khoa học tự nhiên và sư phạm kỹ thuật. Công trình là giáo trình tham khảo chuyên sâu, phục vụ giảng dạy các học phần về Kỹ thuật hạt nhân, Phổ kế bức xạ, Cấu trúc lò phản ứng và Ứng dụng đồng vị phóng xạ.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp chuẩn hóa k0-NAA có ưu điểm vượt trội gì so với phương pháp phân tích kích hoạt nơtron truyền thống?

Phương pháp k0-NAA khắc phục hoàn toàn nhược điểm của phương pháp tuyệt đối và tương đối bằng cách sử dụng các hằng số hạt nhân tổ hợp độc lập với thiết bị chiếu và đo. Kỹ thuật này chỉ cần chiếu kèm một monitor chuẩn đơn như vàng Au-197, giúp giảm hơn 70% khối lượng chuẩn bị mẫu chuẩn hóa học, rút ngắn thời gian thực nghiệm và duy trì sai số phân tích luôn dưới 4%.

Tại sao vàng Au-197 được ưu tiên lựa chọn làm chất so sánh đơn trong phương pháp k0?

Vàng Au-197 sở hữu độ tinh khiết hóa học cao trên 99,99%, tiết diện phản ứng nơtron nhiệt lớn đạt 98,8 barn và phát ra tia gamma đơn năng sắc nét 411,8 keV. Các thông số hạt nhân chuẩn hóa như tỷ số tích phân cộng hưởng Q0 bằng 15,8 của vàng đã được đo đạc chính xác tuyệt đối tại các viện nghiên cứu hạt nhân hàng đầu, giúp đảm bảo tính đồng nhất trên toàn cầu.

Hiệu ứng tự chắn nơtron trong mẫu được xử lý như thế nào để không làm sai lệch kết quả?

Khi mẫu chứa các nguyên tố có tiết diện hấp thụ cao, thông lượng nơtron bên trong bị suy giảm gây sai số từ 5% đến 15%. Luận văn giải quyết vấn đề này bằng cách nghiền mẫu thành dạng bột siêu mỏng hoặc áp dụng mô hình toán học giải tích PERTURB để tính toán chính xác hệ số hiệu chỉnh tự chắn nơtron nhiệt Gth cho dạng hình trụ với độ chính xác cao hơn 98%.

Kỹ thuật trắc phổ tia X kết hợp từ trường đóng vai trò gì trong phân tích hạt nhân?

Các hạt beta phát ra từ mẫu chiếu xạ thường gây tăng thời gian chết của đầu dò và nâng cao nền phổ bức xạ liên tục. Bằng cách áp dụng từ trường 13 kG hoặc tấm hấp thụ perspex, quỹ đạo của hạt beta bị làm lệch hướng, giúp triệt tiêu hơn 90% phông nhiễu nền và cho phép ghi nhận chính xác các vạch phổ tia X năng lượng thấp dưới 20 keV.

Phương pháp k0-NAA có thể áp dụng cho những loại khoáng sản nào tại Việt Nam?

Kỹ thuật này được áp dụng tối ưu cho tất cả các loại quặng đất hiếm và khoáng sản địa chất tại Việt Nam như Bastnaesite, Allanite, Xenotime và Monazite chứa hàm lượng Thori trên 30%. Phương pháp cho phép định lượng đồng thời 15 nguyên tố nhóm Lantanit từ Lanthanum đến Lutetium với độ nhạy cao và tính kinh tế vượt trội.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra với những đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

• Làm chủ và ứng dụng thành công phương pháp chuẩn hóa k0 trong phân tích kích hoạt nơtron (k0-NAA) trên hệ thống Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
• Định lượng chính xác thành phần đa nguyên tố trong các mẫu đất hiếm phức tạp với giới hạn phát hiện đạt từ 10^-9 gam đến 10^-6 gam.
• Thiết lập hoàn chỉnh mô hình tính toán hiệu chỉnh tự chắn nơtron và loại trừ can nhiễu phổ, kiểm soát sai số phân tích toàn phần ở mức dưới 4%.
• Chứng minh hiệu quả vượt trội của đầu dò Ge siêu tinh khiết độ phân giải 170 eV kết hợp trắc phổ bức xạ trong việc tối ưu hóa thời gian và chi phí phân tích.
• Đặt nền móng vững chắc cho việc chuyển giao công nghệ phân tích hạt nhân phục vụ đánh giá tài nguyên địa chất và giám sát môi trường với kế hoạch hoàn thiện trong 12 tháng tới.

Các viện nghiên cứu, trung tâm phân tích khoáng sản và doanh nghiệp khai khoáng quan tâm đến việc ứng dụng công nghệ phân tích không phá hủy mẫu k0-NAA có thể liên hệ hợp tác chuyên môn để tối ưu hóa quy trình kiểm định chất lượng tài nguyên và nâng cao năng lực cạnh tranh trong giai đoạn mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I PHÉP PHAN TÍCH KÍCH HOAT NOTRON (NAA) 1. Những n n tặc cơ Cơ sở của phép phân tích kích hoạt nơưon (NAA) là dựa vào phan ứng của hạt nhân nguyên tử của vật chất với các nơtron. Điều cơ bản liên quan đến NAA là phản ứng (n. Y ) mà ở đó một hạt nhân X (hạt nhân bia) hấp thụ một nơtron, dẫn đến sản sinh ra một hạt nhân (hạt nhân phóng xạ) có cùng số nguyên tử Z nhưng khối lượng nguyên tử A tăng lên một đơn vị, và phát ra tỉa gamma tức thời theo phản ứng như sau: A I A+l gx + MQ = ; X + †: L.1_Biéu dién phổ nơtron của lò phản ứng: Các nơtron của lò phản ứng được hình thành trong phản ứng phân hạch như là các nơươn nhanh hoặc các notron phân hạch, mà năng lượng của chúng giảm dan do sự va chạm với vật chất bao quanh va sau cùng là biến thành notron nhiệt.1 cho ta thấy sơ đổ phân bố thông lượng phổ nơtron của một lò phán ứng phân hạch hạt nhân, với ba thành phan cơ bản của nó là : i) : phổ phân bố theo qui luật Maxwell_Boltzmann.

ii) — : phổ phân bố theo qui luật “1/E”. li) — : phổ phân hạch. Một vài công thức bán thực nghiệm của phổ phân hạch thông thường được dùng | IAEA70] trong phân tích kích hoạt: (a) phổ phân hạch theo Watt : $,(E) = 0.3) Trong các công thức trên. E: nang lượng notron | MeV].

SVTH: HO THỊ KIM CÚC Trang 6 LUẬN VAN TOT NGHIỆP $,(E): thông lượng nơtron phân hạch trên mỗi khoảng đơn vị của nang lượng tại năng lượng E. $,: nang lượng nơtron phân hạch toàn phan. Lược đồ phổ thông lượng nơtron của lò phan ứng phân hạch hạt nhãn. Các notron trong quá trình hãm (gidm vận tốc) được gọi là các notron trung bình hoặc là các nơtron trên nhiệt hoặc là các notron cộng hưởng.

Một cách lí tưởng. su phân bố thông lượng notron trên nhiệt tỷ lệ nghịch với năng lượng nơưon, E. quy ước thông lượng nơưon trên nhiệt, là thông lượng nơtron trên nhiệt thực trên một đơn vị của khoảng InE. Thực tế công thức gần đúng hơn là: $„(E) = ais (levy (15) Với œ được xem như độc lập với năng lượng, nó là một phép đo đối với độ lệch phổ lý tưởng [và >, lúc này là thông lượng notron trên nhiệt thực trên một khoảng đơn vị [- = tev) |.

E“ : SVTH: HỒ THỊ KIM CÚC Trang 7 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chú ý rằng, bên cạnh năng lượng thấp, phổ trên nhiệt được xem như giới hạn rõ nét (nhọn) tại nang lượng pkT, mà ở đó kT, là năng lượng có thể có nhất của phân hố theo Maxwell, với „ =5 đối với chất làm chậm là D;O và p=3 cho chất làm châm là graphit (than chì) [EASTWOOD66]. Các ndtron bị him (các notron năng lượng thấp) được gọi là các ndươn nhiệt: chúng không đứng yên nhưng chúng dịch chuyển trong sự cân bằng nhiệt với những hạt của môi trường (chất. Trong vùng nhiệt giả thiết rằng thông lượng nơưøn tuân theo sự phân bố Maxwell-Boltzmann tại nhiệt độ nơtron T,: ð„(E)= 6„ TẾ "NHI (1.6) Với k ; hang số Boltzmann. 6_: lổng thông lượng ndưon theo Maxwell.

Mỗi lan xác định ta có một hàm của vận tốc v; be. (v) = n„(v) Vv (I-17) Với n„(v): mật độ nơtron theo Maxwell trên khoảng đơn vị của vận tốc. Khi đó gọi là nhiệt độ chuẩn của nơtron Ty=293.4" C) năng lượng có thể nhất, nghĩa là ở đây sự phân bố thông lượng $„(E) đạt cực đại được xác định là E,= kT,=0. tương ứng với vận tốc vụ=2200 ms".2 Tính chất của tiết diện phản ứng (n, y ) Xác xuất xdy ra phản ứng (n, y) được biểu hiện dưới dạng tiết diện ø mà có thứ nguyên là đơn vị diện tích: trong vật lý hạt nhân, đơn vị thường dùng là Barn.

Ibarn = 10°" mỶ = 10 cm’. Khi biểu diễn o(E) theo E tai các năng lượng nơtron nhiệt và trên nhiệt, trong trường hợp lý tưởng biểu diễn này thành một đường thẳng với hệ số góc là - 1/2 [nghĩa là ø(v) tỷ lệ 1/v] nhận được một vài đỉnh - đỉnh cộng hưởng - đối với hầu hết các hạt nhân, sự cộng hưởng được xảy ra ở vùng năng lượng trên nhiệt. Điều này được chi ra trong hình I-1. Khi không có cộng hưởng trong vùng năng lượng nơtron nhiệt thì những hạt nhân ứng với tiết điện ngang ø(v) tỷ lệ 1⁄v được gọi là “1/v nuclides”.

Một vài hạt nhân có cộng hưởng trong vùng nhiệt được gọi là “non-1/v nuclides”.2 cho thấy sự gidm nhanh của o(E) theo năng lượng nơưon. Rõ ràng rằng các nơtron phân hạch có thể bỏ qua trong phản ứng (n, y), va trong phân tích kích hoạt nơtron NAA, phản ứng (n, y) chi có các notron nhiệt và trên nhiệt là phải được chú ý. SVTH: HỒ THỊ KIM CÚC Trang 8 LUAN VĂN TOT NGHIỆP Một đại lượng quan trọng là o,, tiết diện ngang của phản ứng (n. y) tại vận tốc vạ= 2200 ms! hoặc nang lượng E, =0.0253 eV trong phân bố Maxwell- Boltzmann tại nhiệt độ Tạ=293 6 K.2 Lược dé biểu diễn tiết diện ngang ø(E) phụ thuộc vào E của (n, y).3 Tốc độ phan ứng: 1.1 Tổng quát: Tốc độ phản ứng (n, y) mỗi hạt nhân (bằng s”) của một hạt nhân chiếu xạ được cho bởi: R= foley (EME (1.8) Với o(B) tính bằng cm” và ¿ (E) tính bằng cm ”s !eV'!.

Sự phức tạp của phương trình (1.8) mà ở đây sự phụ thuộc của tiết diện ngang và thông lượng phải được biết, đưa đến làm theo phương pháp quy ước hoặc hình thức luận để đơn giản hoá cách tính của tốc độ phản ứng. SVTH: HỒ THỊ KIM CÚC Trang 9 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1.2 Năng lượng ngưỡng hiệu dụng Cd: Tốc độ phản ứng (n, 7) của một hạt nhân đã chiếu xạ dưới lớp bọc Củ được giám nhiều trong vùng năng lượng thấp. Nơi mà tiết diện hấp thụ của Cd là rất cao, hạt nhân! ”°Cd(n, y) cộng hưởng tại 0.178 eV, là vạch năng lượng đặc trưng chính cho hiệu ứng này. Trong những điều kiện như thế, hạt nhân sẽ chỉ “thấy” trong thực nghiệm, vì thế đã gọi là các notron trên Cd ứng vớimức nang lượng Ec„.

mức năng lượng ngưỡng Cd hiệu dung. Sau đó, tốc đô phản ứng (n, y) trên Cd có thể được viết như sau: = Roca = Jo(E} (EME (1.9) Eva GOLDSTEIN [GOLDSTEIN 61] và những người khác. đã giới thiệu một giá trị của Ec„=0.55 eV cho các hạt nhân với tiết diện ngang L/v thậm chí lên đến khoảng 1.5 eV, đã chiếu xạ trong trung tâm của khối hình trụ Cd với bể dày của vách là Imm và tỷ số của chiểu cao trên đường kính là 2. Cho thấy bởi DE CORTE [DECORTE87] giá trị này có thể vẫn được sử dụng ngay cả trong ống chiếu xạ với các giá trị œ lớn.

các giá trị T, lớn và sự nhiệt hoá cao (sự làm chậm đến vận tốc nhiệt).3Hogdahl: Quy ước Các hạt nhân với o(v) tỷ lệ 1/v lên đến khoảng 1.5 eV, quy ước Hogdahl [HOGDAHL62; HOGDAHL65] có thé được 4p dụng mà ở đây tốc độ phản ứng (n, y) được chia thành 2 phần liên quan đến các notron dưới Cd và trên Cd: R =$s;ø, +ộcI,(œ) (1.v„: thông lượng notron dưới Cd theo quy ước. fe Voi: ng = Ín(vww là mật độ notron dưới Củ, {n (v)-mat đô nơtron trên mỗi khoảng đơn vị của vận tốc tại vận tốc v].: quy ước là thông lượng notron trên nhiệt. ø,: tiết điện ngang nơtron tại vận tốc vụ=2200 ms". I,(ø)=(IeV}* f oft) 28 - tích phân cộng hưởng đối với phổ = đối l+ứ Eva L với phố 1/E, tích phân cộng hưởng “ly tưởng”, được xác định là: SVTH: HỒ THỊ KIM CÚC Trang 10 LUẬN VAN TOT NGHIỆP N.< Eve Các vạch [DECORTRS6] I, (a) có thể được tính theo sự biến đổi của 1, như `au: 1„(œ}= ụu.

- nang lượng cộng hưởng hiệu dụng.4 Hình thức luận Westcott: Trong một vài trường hợp phản ứng (n, y) tiết diện ngang không tuân theo sự phụ thuộc lý tưởng Ì/v trong vùng năng lượng nơton nhiệt. Trường hợp này có thể được thấy đối với ‘Lu (n, y) trong hình 1-1.3, mà ở đây phổ nơưon tiết diện ngang 1/v cũng đã được chỉ ra Tốc độ phản ứng của các hạt nhân với tiết diện ngang “non-l/V” có khả năng sau đó không còn được mô tả nữa bởi quy ước Hogdahl nhưng có một hình thức luận tinh vi hơn sẽ được sử dụng. Trong hình thức luận WESTCOTT[WESTCOTTSS; WESTCOTTS8; WESTCOTTS8a; WESTCOTT 62], một trong chúng có thể được viết: R= ovo) Wa) s5) (I.11) Ở đây nv¿ là thông lượng “Westcott” theo quy ước với n là tổng mật độ nơtron, g(T,) là thừa số g Westcott, S,(c) là tỷ số của tích phân cộng hưởng đã rút gon ước lược cho phổ Lê với tiết diện ngang ứng vận tốc 2200ms', và mm Ma) lạ? là hệ số phổ đã bị ước lược. Đối với các hụt nhân l/v (với hệ số g của Westcott g=1), Sy có thể được tính như |DECORTE 91]: 2 S, a anal (1.12) SVTH: HO TH] KIM CUC Trang 11 LUẬN VAN TOT NGHIỆP Đối với các hạt nhân "non-l/v", thì các giá trị S) có thể được lấy từ các nguồn tài liệu khác nhau, đặc hiệt là từ các tài liệu biên soạn của WESTCOTT |WESTCOTT 62] và của ZLIP và BAARD |ZLIP 79].

Trong tài liệu biên soạn của Westcott, thì Sz phải được tính toán theo fe để dat đến Sy. Su biến đổi của S, với S.13) 12) AR WELL SPECI RUM e2(ti) Hình I-1.3 Phổ notron, và các tiết điện ngang là 1/V va non-L/V trong vùng nơtron nhiệt [IAEA 70]. SVTH: HO THI KIM CUC Trang 12 LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP 1. Phương pháp chuẩn hoá NAA: L.Phương trình kích hoạt (trong quy ước Hogdahl): Khi kết hợp việc kích hoạt hạt nhân trên lò phản ứng với hệ phổ kế gamma dùng detector bán dẫn, mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng R và số đếm ghi được (N,,) của đỉnh gamma quan tâm như sau: Re eaNạn (1.14) với N là số hạt nhần bia, N= a Na NẠ:số Avogadro( = 6.023x 10" mol”) Np: diện tích đỉnh gamma; tạ thời gian do; w = khối lượng nguyên tố được chiếu ( g): 8 - độ giàu đồng vị(%) M — khối lượng nguyên tử (gmol); Gy, — hệ số hiệu chỉnh đối với sự tự chấn của nơtron nhiệt (xem 1-2.3); G, — hệ số hiệu chỉnh đối với sự tự chắn của nơtron trên nhiệt ( xem 1-2.3); 2 - hằng số phóng xạ [A= n2.

Ty! chu kỳ bán rã] của hạt nhân phóng xa; S =1-exp(-At,) , i — thời gian chiếu xa (thừa số bão hoa); D=exp(-2t,). tụ — thời gian rã (thừa số rã); € =[l~exp(=2t,„)]/(At,„) (thừa số do); y - cường độ gamma tuyệt đối(xác suất phát gamma); s„ ~ hiệu suất ghi đỉnh (%); Thay N vào phương trinh(I.