Nghiên cứu ô nhiễm các kim loại nặng trong bụi khí ở hà nội bằng phương pháp phân tích PIXE trên máy gia tốc pelletron 5SDH 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Văn Hiệu

NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM CÁC KIM LOẠI NẶNG TRONG BỤI KHÍ Ở
HÀ NỘI BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PIXE TRÊN MÁY GIA
TỐC PELLETRON 5SDH-2

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Văn Hiệu

NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM CÁC KIM LOẠI NẶNG TRONG BỤI KHÍ Ở
HÀ NỘI BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PIXE TRÊN MÁY GIA
TỐC PELLETRON 5SDH-2

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS.NGUYỄN MẬU CHUNG

Hà Nội - Năm 2014


LỜI CẢM ƠN

Để hồn thành khóa luận này, trước tiên em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến Thầy TS. Nguyễn Mậu Chung, Thầy ThS. Nguyễn Thế Nghĩa, ThS Vi
Hồ Phong và các thầy cô, anh chị trong bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật
Lý, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên- ĐHQGHN đã tận tình truyền đạt
kiến thức, cung cấp nhiều tài liệu quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để
em thực tập và hoàn thành luận văn này. Với vốn kiến thức được tiếp thu
trong q trình học khơng chỉ là nền tảng cho q trình nghiên cứu khóa luận
mà cịn là hành trang q báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự
tin.
Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia
đình, và bạn bè đã chia sẻ với em những buồn vui trong cuộc sống và luôn
ủng hộ và giúp đỡ em để em thực hiện tốt luận văn này.
Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công
trong sự nghiệp cao quý, và thành công trong sự nghiệp trồng người.
Dù đã có nhiều cố gắng trong q trình thực hiện, xong do thời gian
hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi những thiếu xót và hạn chế. Em rất
mong được sự chỉ bảo của Thầy Cơ và sự đóng góp ý kiến của tất cả các bạn
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày tháng

năm 2014

Học Viên

NGUYỄN VĂN HIỆU


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................10
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN ............................. Error! Bookmark not defined.
1.1. Định nghĩa .......................................... Error! Bookmark not defined.
1.2. Các dịch chuyển tia X ........................ Error! Bookmark not defined.
1.3. Cơng thức tính suất lượng tia X đối với mẫu mỏngError! Bookmark
not defined.
1.4. Tốc độ phát tia X và cường độ vạch phổ tia XError! Bookmark not
defined.
1.5. Hiệu suất huỳnh quang và các dịch chuyển Coster-Kronig ....... Error!
Bookmark not defined.
1.6. Hàm khớp đa thức đối với dữ liệu tiết diện ion hóaError! Bookmark
not defined.
1.7. Hiệu ứng thứ cấp ................................ Error! Bookmark not defined.
1.8. Phổ PIXE ............................................ Error! Bookmark not defined.
1.9. Giới hạn phát hiện .............................. Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 2 – THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ..... Error!
Bookmark not defined.
2.1. Phương pháp thu ghóp mẫu bụi khí ... Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Thiết bị thu ghóp mẫu ................. Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Phin lọc ....................................... Error! Bookmark not defined.
2.2. Chọn vị trí thu góp mẫu ..................... Error! Bookmark not defined.
2.3. Thiết bị và quy trình phân tích mẫu bụi khí bằng kỹ thuật PIXE
.............................................................................. Error! Bookmark not defined.
2.3.1. Máy gia tốc.................................. Error! Bookmark not defined.

2.3.1.1. Nguồn ion ............................. Error! Bookmark not defined.
2.3.1.2. Buồng gia tốc chính ............. Error! Bookmark not defined.
2.3.1.3. Các hệ thống phụ trợ ............ Error! Bookmark not defined.
2.3.2. Bố trí thí nghiệm và buồng phân tíchError!

Bookmark

not

defined.
2.3.3. Giá để mẫu .................................. Error! Bookmark not defined.
2.3.4. Detector ....................................... Error! Bookmark not defined.
2.3.5. Tấm lọc ....................................... Error! Bookmark not defined.
2.4. Phần mềm ghi nhận và xử lý số liệu .. Error! Bookmark not defined.
2.4.1. Phần mềm ghi nhận phổ RC43 ... Error! Bookmark not defined.
2.4.2. Phần mềm phân tích phổ PIXE – GUPIXError! Bookmark not
defined.
2.5. Tiến hành phép đo và xử lý số liệu .... Error! Bookmark not defined.
2.5.1. Các phương pháp đo đối với mẫu mỏngError! Bookmark not
defined.
2.5.2. Tiến hành phép đo ....................... Error! Bookmark not defined.
2.5.3. Xử lý số liệu ................................ Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ... Error! Bookmark not defined.
3.1. Các kết quả phép đo đối chứng với giá trị chuẩn trên mẫu V83 Error!
Bookmark not defined.
3.2. Các kết quả phép đo đối với các mẫu bụi khí trên phin lọc ....... Error!
Bookmark not defined.
3.3. Một số khuyến nghị............................ Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ...................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................13

PHỤ LỤC ......................................................... Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ
Hình 0.1. Một số hình ảnh về ơ nhiễm bụi khí tại Hà Nội .......................................11
Hình1.1. Sơ đồ mức năng lượng nguyên tử, bên trái là hệ thống ký hiệu Siegahn
(cũ) và bên phải là ký hiệu phổ (lượng tử). Các dịch chuyển tương ứng cũng được
biểu diễn. .................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2. Hiệu suất huỳnh quang L1 đối với phân lớp L1 như hàm phụ thuộc số
hiệu nguyên tử bia Z2. .............................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3. Các tiết diện ion hóa vạch K, L (ECPSSR) và M(CPWBA) như hàm của
năng lượng ion tới (E/U) đối với hạt tới là proton. U (keV) là năng lượng biên hấp
thụ của nguyên tử bia, Đường đậm là đường khớp và các điểm thực nghiệm dấu *.
.................................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4. Phổ PIXE của mẫu địa chất...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1. Sơ đồ ngun tắc thiết bị thu ghóp mẫu GENT-SFU [1]................. Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên tắc của thiết bị thu ghóp mẫu ASP [1].Error!
not defined.

Bookmark


Hình 2.3. Hình ảnh các phin lọc Nuclepore được sử dụng cho máy GENT trước
(trái) và sau khi thu ghóp và phân tích bằng kỹ thuật PIXE (phải) ................. Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.4. Vị trí đặt thiết bị thu góp mẫu thích hợp [1]Error!

Bookmark

not

defined.
Hình 2.5. Các thiết bị thu góp bụi khí tại trạm khí tượng Láng, Hà Nội (hình trên)
và các thiết bị tương tự đặt tại ANSTO (Úc), từ trái qua phải là thiết bị cyclone
PM2.5, PM10 sử dụng phin lọc Teflon và thiết bị thu góp nhiều tầng GENT
PM10/PM2.5 sử dụng phin lọc Nuclepore. ................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6. Bố trí thí nghiệm: Hệ máy gia tốc (hình trên) và buồng phân tích PIXE
(hình dưới) ................................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.7. Các thiết kế được đề xuất với giá để mẫu và buồng chiếu cho phân tích
PIXE đối với mẫu mỏng [13] ................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.8. Hiệu suất ghi nội của detector Sirius SDD dùng trong thí nghiệm được
tính tốn bằng phần mềm GUPIX dựa trên các tham số đầu vào của nhà sản xuất.
.................................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.9. Sự thay đổi hiệu suất ghi tuyệt đối của detector Sirius SDD đối với các
tấm lọc khác nhau được đặt trong buồng chiếu. ...... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.10. Cửa sổ ghi nhận số liệu của phần mềm RC43Error!

Bookmark

not

defined.
Hình 2.11. Giao diện chương trình GUPIX ............. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1. Tương quan giữa giá trị chuẩn và giá trị đo được đối với mẫu đối chứng
V83 của IAEA .......................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2. Phổ PIXE của mẫu bụi khí trên phin lọc ký hiệu Fi25 sau khi được làm
khớp .......................................................................... Error! Bookmark not defined.

Hình 3.3. Biểu đồ hộp biểu diễn phân bố về mặt thống kê tập hợp các giá trị tỉ lệ
hàm lượng đo được trên hệ máy gia tốc tại HUS và hàm lượng đo được tại ANSTO
trên các mẫu đo từ Fi-21 đến Fi40, với các nguyên tố khác nhau.Error! Bookmark
not defined.

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các hệ số ai từ phép khớp bình phương tối thiểu dữ liệu của [8] (gõ lại
bảng hoặc chỉnh sửa bằng pain) ............................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 1.2. Các hệ số ai trong công thức 13 ............... Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.1. Điều kiện thí nghiệm đối với các phép đoError!

Bookmark

not

defined.
Bảng 3.1. Kết quả phân tích mẫu đối chứng V83 .... Error! Bookmark not defined.


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

Từ

viết

Giải thích tiếng Anh

Giải thích tiếng Việt

tắt
1

PIXE

Partical
Emission

2

IAEA

Induced

X-ray Phương pháp huỳnh quang tia
X

International Atomic Energy Cơ quan Năng lượng Nguyên
Agency

tử Quốc tế


3

ANSTO

Australian Nuclear science & Tổ chức Khoa học và Công
Technology organisation

nghệ Hạt nhân Úc

4

IOP

Institute of Physics

Viện Vật lý

5

LOD

Limit of detection

Giới hạn phát hiện

6

PWBA

Plane

wave

Born Lý thuyết gần đúng

approximation

7

FWHM

Full width at hafl maximun

Độ phân giải năng lượng

8

RF

Radio frequency

Nguồn tạo ion từ dao động cao
tần

9

10

SNICS

MCA

Source of Negative Ions by Nguồn tạo ion âm bởi phún xạ
Cecium Sputtering

Cecium

Multi Channel Analyzer

Máy phân tích đa kênh


MỞ ĐẦU
Hiện nay, việc ứng dụng các phương pháp phân tích hạt nhân trong các nghiên cứu
mơi trường đang được quan tâm đặc biệt. Trong đó nhiều phương pháp được sử dụng
rộng rãi như đo phân rã beta, alpha, gamma, phương pháp huỳnh quang tia X….Với sự
phát triển nhanh chóng của khoa học cơng nghệ thì việc sử dụng máy gia tốc loại nhỏ ứng
dụng trong phân tích mẫu mơi trường sử dụng phương pháp PIXE được xem là có nhiểu
ưu điểm so với các phương pháp khác.
Trong những năm gần đây vấn đề ô nhiễm môi trường đang trong tình trạng báo
động, nó đã ảnh hưởng nghiêm trọng tới điều kiện sống và sức khỏe của con người. Có
rấ t nhiề u loa ̣i ô nhiễm môi trường như ô nhiễm nguồ n nước

, ô nhiễm thực phẩ m và ô

nhiễm không khí ... Trong đó ô nhiễm không khí là vấ n để rấ t cấ p thiế t ở những nước
phát triển và nhất là nhữ ng đang phát triể n bởi bu ̣i khói công nghiê ̣p , nông nghiê ̣p và do
sinh hoa ̣t hàng ngày con người ta ̣o ra làm cho bầ u không khí bi ̣ô nhiễm trầ m tro ̣ng…
Điể n hin
̀ h như thành phố Bắ c Kinh của Trung Quố c là mô ̣t trong những nước đang phá

t

triể n trên thế giới , năm 2013 chính quyền Bắc Kinh phải đưa ra bốn mức báo động với ô
nhiễm môi trường , Báo cáo Blue paper for World Cities năm 2012 nêu rõ là thủ đô Bắ c
Kinh của Trung Quố c it́ nhấ t mỗi tuầ n đề u mô ̣t lầ n đế n

mức ô nhiễm trầ m tro ̣ng . Trong

mô ̣t năm có 365 ngày thì có đến 190 ngày thủ đơ này vượt ngưỡng cho phép về ô nhiễm
không khí.
Hà Nội là một trong những thành phố ô nhiễm nhất khu vực châu Á, hàm lượng
bụi cao gấp nhiều lần mức cho phép, các chun gia nước ngồi khẳng định. “Tại các đơ
thị lớn ở Việt Nam, ơ nhiễm khơng khí ảnh hưởng tới hoạt động của người dân mọi lúc,
mọi nơi, nhất là thủ đô Hà Nội. Đây là một trong những thành phố ô nhiễm nhất châu Á,
và thành phố ô nhiễm nhất khu vực Đông Nam Á”, ông Jacques Mxoussafir, công ty
ARIA Technologies nước Pháp cảnh báo.


Hình 0.1. Một số hình ảnh về ô nhiễm bụi khí tại Hà Nội

Theo Tổ chức Y tế Thế giới, ô nhiễm không khí đô thị làm khoảng 800.000 người
chết và 4,6 triệu người giảm tuổi thọ trên thế giới mỗi năm. 2/3 số người chết và giảm
tuổi thọ do ô nhiễm không khí thuộc các nước đang phát triển ở châu Á. Theo nghiên cứu
công bố ngày 12/7 trong tạp chí Environmental Research Letters của Viện Vật lý (IOP)Việt Nam, ước tính ước tính khoảng 2,1 triệu ca tử vong mỗi năm do con người làm gia
tăng nồng độ bụi có kích cỡ nhỏ trong khơng khí (PM2.5). Những hạt bụi nhỏ liti này lơ
lửng trong khơng khí và có thể xâm nhập sâu vào phổi, gây ung thư và nhiều bệnh về
đường hô hấp( ScienceDaily đưa tin).
Hằng năm có khoảng 20 tỉ tấn CO2 + 1,53 triệu tấn SiO2 + Hơn 1 triệu tấn Niken
+ 700 triệu tấn bụi + 1,5 triệu tấn Asen + 900 tấn coban + 600.000 tấn Kẽm (Zn), hơi
Thuỷ ngân (Hg), hơi Chì (Pb) và các chất độc hại khác. Làm tăng đột biến các chất như
CO2, NOX, SO3 …
Các chất ô nhiễm xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, ô nhiễm không khí rất khó
phân tích vì chất ơ nhiễm thay đổi nhiều do điều kiện thời tiết và địa hình, nhiều chất còn
phản ứng với nhau tạo ra chất mới rất độc.

Do tính đa dạng và phức tạp của các yếu tố ơ nhiễm mơi trường khơng khí và sự
tác động qua lại giữa các hệ sinh thái trong môi trường, nên giải quyết bài tốn ơ nhiễm
bụi khí địi hỏi phải có sự tham gia của nhiều ngành khoa học, sử dụng nhiều kỹ thuật
phân tích khác nhau nhằm thu thập đầy đủ thơng tin trong mẫu phân tích được lấy từ
những địa điểm mang tính chất đại diện cần quan tâm. Trong số các kỹ thuật phân tích áp
dụng để nghiên cứu ơ nhiễm bụi khí thì kỹ thuật PIXE thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội
như khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố với độ nhạy, độ chính xác cao và
khơng phá hủy mẫu.
Vì những lý do trên, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ô nhiễm các kim loại
nă ̣ng trong bu ̣i khí ở Hà Nội bằng

phương pháp phân tích PIXE trên máy gia tốc

Pelletron 5SDH-2”. Mục đích của đề tài luận văn là bước đầu nghiên cứu về quy trình
phân tích các mẫu bụi khí trên phin lọc bằng kỹ thuật PIXE tại phịng thí nghiệm máy gia
tốc Tandem Pelletron 5SDH-2 đặt tại Trường Đại học Khoa học tự nhiên (HUS), đồng
thời tiến hành phân tích một số mẫu bụi khí trên phin lọc, so sánh kết quả phân tích này
với kết quả phân tích tại Viện Khoa học kỹ thuật Hạt nhân Úc. Từ đó tác giả đề ra một số
khuyến nghị để từng bước hồn thiện quy trình phân tích mẫu dạng này tại phịng thí
nghiệm.
Bố cục luận văn gồm có 4 phần chính:
-

Tổng quan: Trình bày cơ sở lý thuyết của kỹ thuật PIXE bắt đầu công thức lý
thuyết xác định suất lượng tia X, từ đó trình bày về các đại lượng vật lý liên
quan như tiến diện ion hóa, hiệu suất huỳnh quang. Một số nội dung quan trọng
như nền phông, phổ PIXE hay giới hạn phát hiện cũng được đề cập.

-

Thiết bị và phương pháp thực nghiệm: Trình bày về hệ máy gia tốc 5SDH-2 và
hệ phân tích PIXE sử dụng trong các thí nghiệm trong khn khổ luận văn.
Đồng thời trình bày về phương pháp đo và xử lý số liệu.

-

Kết quả và thảo luận: Trình bày các kết quả đang chú ý, cụ thể là kết quả phân
tích mẫu đối chứng V83 (IAEA) phục vụ đảm bảo chất lượng và 20 mẫu bụi


khí PM2.5-10 trên phin lọc, so sánh với kết quả phân tích tại Tổ chức Khoa
học và Cơng nghệ Hạt nhân Úc (ANSTO).

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Vương Thu Bắc (2013), Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật phân tích h ạt nhân
phối hợp với một số kỹ thuật phân tích hỗ trợ góp phần giải quyết bài tốn ơ nhiễm
bụi khí PM-10, Luận án tiến sĩ Vật lý, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Hà Nội.
Tiếng Anh
1. D.D. Cohen, E. Clayton (1989), Ion Beams for Materials Analysis, Chapter 5,
Academic Press, New York.
2. D.D. Cohen (1984), “Comments on several analytical techniques for L-subshell
ionisation calculations”, J. Phys. B: At. Mol. Phys.,17, pp. 3913-3921.
3. D.D. Cohen, M. Harrigan (1986), Calculated L-shell X-ray line intensities for
proton and helium ion impact, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 34, pp.
393–414.
4. D.D. Cohen, M. Harrigan (1985), “K- and L-shell ionization cross sections for
protons and helium ions calculated in the ecpssr theory”, Atomic Data and
Nuclear Data Tables, 33, pp. 255-343.
5. Hasnat Kabir (2007), Particle Induced X-ray Emission (PIXE) Setup and

Quantitative Elemental Analysis, PhD Thesis, Kochi University of Technology,
Japan.
6. IAEA (2000), Instrumentation for PIXE and RBS,

IAEA-TECDOC-1190,

Viennam.
7. James H. Scofield (1974), “Experimental K and L relative x-ray emission ratess”,
Atomic Data and Nuclear Data Tables, 14, pp. 121-137


8. J.A. Maxwell, W.J. Teesdale, J.L. Campbell (1995), “The Guelph PIXE software
package II”, Nucl. Instrum. Methods B, 95, pp. 407-421.
9. Krause, M.O. (1979), ”Atomic radiative and radiationless yield for K and L
shells”, Journal of Physical and Chemical Reference Data , 8, p. 307.
10. T. Calligaro, J.D. MacArthur, J. Salomon (1996), “An improved experimental
setup for the simultaneous PIXE analysis of heavy and light elements with a 3
MeV proton external beam”, Nucl. Instrum. Methods B, 109–110, pp. 125-128.
11. S.I. Salem, S.L. Panossian, R.A. Krause (1974), “Relativistic hartree-slater values
for K and L X-ray emission rates”, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 14, pp.
91-109.
12. Sven A.E. Johansson, Thomas B. Johansson (1976), “Analytical application of
particle induced X-ray emission”, Nucl. Instrum. Methods, 137, pp. 473–516.
13. . Werner Brandt, Grzegorz Lapicki (1979), “L-shell Coulomb ionization by heavy
charged particles”, Phys. Rev. A, 20, p. 465.
14. Werner Brandt, Grzegorz Lapicki (1981), “Energy-loss effect in inner-shell
Coulomb ionization by heavy charged particles”, Phys. Rev. A, 23, p. 1717.
15. W. Reuter et.al. (1975), “Quantitative analysis of complex targets by
proton‐induced X rays”, J. Appl. Phys. 46, p. 3194.