cac phuong phap phan tich hat nhan p1 4103 8739 3899

NGUYÊN VĂN ĐÔ

oõg
apẽ
ha NỘI

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI


NGUYỄN VĂN ĐỖ

DÁCPHinniG PHÁP
PHÂNTÍCHHẠTNHÂN

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Q u ố c GIA HÀ NỘI


nha xuất b ồ n

ĐỌI HỌC Q u ố c GIR

nội

16 Hàng Chuối - Hai Bà Trưng - Hà Nội
Điện thoại: (04) 9715012; (04) 7685236. Fax: (04) 9714899
E-mail: nxb@ vnu edu.vn

★ ★ ★

C h ịu t r á c h n h i ệ m x u ấ t bản:
G iá m đốc:

PHÙNG QUỐC BẢO

T ổng biên tập:

PHẠM THÀNH HƯNG

C h ịu t r á c h n h i ệ m n ộ i d u n g :
Hội đồng nghiệm thu giáo trìn h
Trường ĐHKHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội
N gười n h ậ n xét:

PGS. TS. PHẠM QUỐC HỪNG
GS. TS. THẦN ĐỨC T H IỆ P

B iê n tậ p :

NGUYỄN THẾ HIỆN
CHU VĂN THẮNG

T r ì n h b à y bìa:

TRAN q u ố c TOẢN

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN
Mã số: 1K-02058-01404
In 1050 cuốn, khổ4 6 x 2 4 tại Nhà in Đại học Quốc gia Hà Nội
Số xuất bản. 24/981/XB-QLXB. ngày 15/7/2004.
Số trích ngang: 273 KH/XB
In xong và nộp lưu chiểu quý IV năm 2004.

M ụ c lụ c
T rang
Lời n ó i d ầ u

V

C h ư ơ n g 1. P h ư ơ n g p h á p p h â n tíc h k ic h h o ạ t h ạ t n h â n

1

1.1 Mở đ ầ u

1

1.2 Cờ sỏ vạt lý và kỹ th u ậ t của phương pháp
p h ân tích kích hoạt

4

1.3 Các phương pháp xác định hàm lượng

7

1.4 Các bước trong quy trình phân tích kích hoạt

10

1.5 Nâng cao hiệu quả phân tích kích hoạt

17

1.6 Xây dự ng quy trìn h phân tích kích hoạt

27

1.7 Phân tích kích hoạt gamma tức thời

38

1.8 Ưng clụng của phương pháp phân tích kích hoạt

47

C h ư ơ n g 2. P h â n t í c h h u ỳ n h q u a n g t i a X

49

2.1 Mỏ đẩu

49

2.2 Cơ c h ế p h á t xạ tia X

51

2.3 Nguồn kích thích tia X

62

2.4 Cường độ tia X đặc trư n g

71

2.5 Đo và p h â n tích phổ tia Xđặc trư ng

75

2.6 Các phương pháp xác định hàm lượng

81

2.7 Các nguồn sai sô

84

2.8 ứ n g d ụ n g

87

Chương 3. P h â n tíc h U ran i

89

3.1 Mỏ đầu

89

3.2 Các nguồn phóng xạ tự nhiên

90
iii


3.3 P hân tích u ran i cân bằng phóng xạ

92

3.4 Phàn tích urani không cản bằng phóng xạ

95

3.5 Cơ sở thực nghiệm đo phóng xạ tự nhiên

100

3.6 ứ n g d ụ n g

103

C h ư ơ n g 4. P h ư ơ n g p h á p p h â n tíc h
d ự a tr ê n h iệ u ứ n g tá n xạ n g ư ợ cR u th e rfo rd
4.1 Hiệu ứng tán xạ ngược R utherford

104

4.2 N hửng khái niệm cơ bản trong hiệu ứng tá n xạ ngược

107

4.3 T hiết bị p h ân tích

115

4.4 ứ n g dụng

117

C h ư ơ n g 5. P h â n t í c h c a c b o n p h ó n g x ạ
s ử d ụ n g k h ố i p h ổ k ế g ia tố c (A M S)

118

5.1 Mỏ dầu
5.2 Phương ph áp xác định tuổi dựa vào đồng

118
vịHc

119

5.3 Phân tích llc sử dụng khôi phố k ế gia tốc (AMS)

123

5.4 Ưng d ụ n g của khôi phổ kê gia tốc

132

T à i liệ u t h a m k h ả o

IV

104

135


Lời nói đ ầ u
S ự ra đời và p h á t triển của các phương pháp phàn tích hạt nhản
gắn liền vời những th ành tựu của vật lý uà kỹ thuật hạt nhàn hiện dại.
Ngày nơy các phương ph á p hạt nhản đả khang định được vị trí cao
cùa m ình trung lĩn h vực p h àn tích vi chúng có những ưu điểm rât cơ
bản n h ư độ nhạy và độ chính xác cao , tốc độ phàn tích nhanh , m ẫu
phàn tích khổng bị phá h ủy và có thê tiến hành phàn tích đông thời
nhiều nguyên tô. Trong điều kiện kỹ thuật cho phép các phương pháp
hạt nhân còn có th ể tự động hoá được toàn bộ quy trinh phản tích. Đáy
là một ưu điểm m à nhiều nhiều phương pháp phàn tích khác không
th ể có được.
Các phương p h á p p h á n tích hạt nhân được xây dựng trên cơ sở
khai thác những hiệu ứng vật lỷ liên quan tới quá trinh biến đối trạng
thái của hạt nhàn hoặc nguyên tử. S ự biến đổi đó diễn ra do tương tác
của các bức xạ h ạ t nhân hoặc các chùm hạt gia tốc với vật chất . N hững
đại lượng vật lý làm cơ sở cho việc nhận diện các nguyên tố và xác
định hàm lượng n h ư cường độ và năng lượng của bức xạ hoặc khôi
lượng của các đổng vị đều được đo và xử lý bằng các thiết bị và kỹ
thuật hạt nhàn hiện đại.
Hiện nay có khá nhiều phương pháp phàn tích hạt nhàn. Môi
phương pháp có khả năng đáp ứng được những yêu cầu khác nhau.

Trong khuôn kho của cuốn sách này sẽ dề cập tới nám phương pháp
sau đây:
Phương pháp p h à n tích kích hoạt hạt nhản,
-

Phương p h á p p h â n tích huỳnh quang tia X,

-

Phương p h á p p h â n tích urani,

-

Phương p h á p p h â n tích dựa trên hiệu ứng tán xạ ngược
Rutherford (RBS),

-

Phương ph á p p h à n tích cacbon phóng xạ sử dụng khối p h ổ k ế
gia tốc (AMS).


Ở nước ta các phưctng pháp phản tích kích hoạt , p hân tích huỳnh
quang tia X và phản tích urani đã được triển khai nghiên cứu từ giữa
những năm 1970. Một sô kết quá đã sớm dược dưa vào phục vụ nghiên
cứu và ứng dụng. Đáy là m ột thực tế sinh động góp phần vào việc phat
triển các phương pháp phàn tích và đào tạo cán bộ trong lỉnh vực ứng
dụng kỹ thuật hạt nhởn. Các phương pháp phàn tích R B S và A M S cho
đến nay tuy chưa được thực hiện ớ trong nước do thiếu thiết bị, nhưng
đó là những phương pháp phản tích hiện đại và có kha nàng ứng dụng

rát lớn. Do đó việc trang bị những kiến thức cơ bán và cập nhật về các
phương pháp p h á n tích này là rất cần thiết.
Muôn xây diùìg một quy trình phàn tích phái nghiên cứu các đặc
trứng hạt nhân của những đôi tượng cán quan tám và phái nắm vững
những kiến thức cơ bàn về vặt lý và kỹ thuật hạt nhàn thực nghiệm. Do
dó trong cuốn sách này ngoài những nội dung vật lý làm cơ sớ cho việc
xây dựng phương pháp còn để cập đến những vấn đề cỏ liên quan tâỉ
các giái pháp kỳ thuật nhằm náng cao chất lượngcủa kết quá phán tích.
Cuốn sách được biên soạn dựa trên cơ sở những bài giảng của tác
giá dành cho sin h viên ngành Vật lý hạt nhàn trường Đại học Khoa
học T ự nhiên , Đại học Quốc Gia Hà N ội , sinh viên ngành Vật lý kỹ
thuật, trường Đại học Bách khoa Hà Nội và học viên cao học chuyên
ngành Vật lý hạt nhân của Viện Vật lỷ, Trung tâm Khoa học T ự nhiên
và Công nghệ Quốc gia.
Đê thuận tiện cho việc biên soạn, mỗi phương pháp phán tích
được trinh bày trong một chương.
Sách dược viết với m ục đích đ ể giáng dạy nhưng đồng thời củng
có th ề dùng làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ nghiên cửu , rác nhà
sản xuất và những ai quan tăm tới các phương pháp và kỹ th u ậ t phàn
tích hạt nhàn. Tác giả mong muốn một s ố phương pháp phán tích hạt
nhản khác củng sẽ được bổ sung trong thời gian tới.
Việc biên soạn cuốn sách này chắc chắn khổng tránh khỏi những
thiếu sót, vi vậy tác giả xin chán thành cám ơn và tiếp thu những ý
kiến đóng góp của độc giả đ ế sửa chữa và bổ sung cho hoàn thiện hơn.
Hà nội, tháng 4 năm 2003.

Tác g iả

vi

Chương 1
P h ư ơ n g
k íc h

p h á p

p h â n

tíc h

h o ạ t h ạ t n h â n

N guyên lý của phướ ng ph áp p h ân tích kích hoạt h ạ t n h â n là biẾn
Cấc (lồng vị bền c ủ a nguyên Lô cần ph ân tích th à n h n h ữ n g đồng vị
phỏng xạ tỉìông q u a các ph án ứng h ạ t n h â n . T rẽn cơ sơ đo n ã n g lượng
của các tia g a m m a và chu kỳ b á n rã của các dồng vị phóng xạ nói trê n
có th ể n h ậ n d iệ n được n h ữ n g nguyên tố đã th a m gia p h á n ửng. H àm
lượng của các n g u y ê n tô đó được xác định dựa vào cường độ của các tia
gam m a.
P hư ơ ng p h á p p h â n tích kích h o ạ t có độ nh ạy và độ ch ín h xác cao,
m ẫu p h ả n tíclì k h ỏ n g bị phá hủy và có th ể xác định (lồng thòi nhiều
nguyên tố.

1.1 Mở d ầu
Hiộn nay tr ê n t h ế giỏi phương ph áp p h â n tích kích h o ạ t h ạ t
n h â n (lược sứ d ụ n g r ấ t plìổ biến trong nhiều lĩnh vực n g h iên cửu và
Ííng dụng. Uu diêm ch ín h của phương ph áp này là:
Có k h á n ă n g p h â n tích được h ầ u h ế t các nguvên tỏ hoả học
tro n g b ả n g tu ầ n hoàn với độ n h ạy và độ chính xác cao.

M ầu p h â n tích không bị ph á huỷ và k h ô n g bị n hiễm bẩn
tro n g q u á tr ìn h p h ân tích, do đó có th ể sử d ụ n g phương p h á p
kích h o ạ t đ ể p h ân tích cả các m ẫ u v ậ t quý hiếm m à s a u đó
vẫn giũ được nguyên dạng.
Có k h ạ n ă n g p h â n tích dồng thời n h iều nguyên tô và có tho
tự động ho á được to àn bộ quy trìn h p h â n tích.
P hư ơng p h á p p h â n tích kích h o ạ t được xây dự ng d ự a tr ê n sự biên
đòi tr ạ n g th ái củ a các h ạ t n h â n nguyên tử gây bởi các p h ả n ứ n g h ạ t

1


n h â n . Khi m ẫu p h â n tích được chiếu xạ (kích hoạt) các đồng vị của

từng nguyên tô ỏ trong mẫu tham gia phàn ứng h ạ t nhân và trỏ
thành những dồng vị phóng xạ nhân tạo. Căn cử vào loại phàn ứng.
c h u k ý b á n r ã v à n ă n g lư ợ n g c ủ a các bức x ạ đo được đ ê n h ặ n d iệ n các

đồng vị phóng xạ và qua đó n h ậ n diện các nguyên tcV ờ tro n g mau.

Hàm lượng của nguyên tô được xác định căn cử vào cường độ phóng xạ
của các tia gamma được đo bàng các đetectơ hạt nhân.
Sự phát triển của phương pháp phân tích kích hoạt gán liền với
sự phát triển của thiết bị và kỹ th u ật hạt nhân thực nghiệm. f)ộ nhạy
phân tích phụ thuộc vào nhiều thông số vật ]ý và kỹ th u ậ t nhưng
qu an trọng n h ấ t là th ỏng lượng của bức xạ kích hoạt, tiế t đ iện của

phản ứng hạt n hân và hiệu suất ghi bức xạ của đetectờ. Chính vì vậy
mà mặc dù phương pháp phân tích kích hoạt đã được G. Hevesy và
H. ]^evi để x u ấ t từ n ăm 1936 n h ư n g phải đến giữa n h ữ n g n ă m 1950

khi m áy gia tốc và lò p h ản ứng hạt n h â n p h á t triể n m ạn h , tạo ra được
các n g u ồ n b ứ c x ạ k íc h h o ạ t th ô n g lư ợ n g lớn th ì p h ư ơ n g p h á p p h â n

tích kích hoạt mới phát triển mạnh và khẳng định được vị trí của
mình. Với th ô n g lượng nơtron n h iệ t cỡ 1012 n /cn r/g iây , phần lớn các
nguyên tố tro n g b á n g tu ầ n hoàn có th ể p h ân tích vỏi độ n h ạ y trong

giải hàm lượng gam/tấn (ppm) hoặc mg/tấn (ppb). Ngày nay, một số lò
p h ả n ứng h ạ t n h â n đ ạ t tới thông lượng 10i:>n/cm2/giây, do đó độ nhạy

phân tích kích hoạt còn có thể cải thiện thêm được vài bộc.
Kết quả kích h o ạ t tạo ra trong m ẫu n h iều đồng vị phóng xạ. Hiện
nay được b iết tro n g tự nhiên cỏ k h o ản g 60 đồng vị phóng xạ, nluíng
tro n g phòng th í nghiệm có th ể tạo ra trê n 1900 đồng vị p hóng xạ
n h â n tạo. Đồ p h â n tích địn h tín h (n h ận diện nguyên tô) và đ ịn h lượng
(xác định h à m lượng) cần đo chính xác h o ạ t độ phóng xạ củ a từ ng
đồng vị theo h ai cách:
-

Đo riê n g từ n g đồng vị hoặc m ột nhóm đồng vị phóng xạ n h ã n

tạo sau khi chúng đã được tách ra khỏi mẫu kích hoạt băng
các phương pháp hóa học. Phương pháp này gọi là phân tích
kích h o ạ t phá m ầ u (D estructive Activation A nalysis, DA A).
Đo đổng thòi t ấ t cả các đồng vị phóng xạ có ỏ tro n g m ẫ u sau
khi kích hoạt. Phương ph áp nay gọi là p h â n tích kích hoạt,
không phá m ẫ u (N o n -d e stru c tiv e A ctivation Analysis,
NDAA) hay p h â n tích kích h o ạt d ụ n g cụ (In s tru m e n ta l
A ctivation A nalysis, IAA).

2


T hô ng th ư ờ n g , phươ ng p h áp p h â n tích kích h o ạt p h á m ẫ u cho độ
n h ạ y cao hơn phư ơ ng pháp không phá m ẫu n h ư n g quy trìn h ph ân
t í c h p h í í c t ạ p , t ố n n h i ề u t h ờ i g i a n , h o ả c h ấ t v à k h ó t h ự c h i ệ n đ ố i với

các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã ngán. P hương p h á p k h ô n g ph á
m ẫ u thích hợp với quy tr ìn h p h â n tích n h a n h , p h ân tích số lượng m ẫu
lớn và dặc b iệt là tro n g trư ờ n g hợp cần phái lưu tr ữ các m ẫu sa u khi
dã p h ân tích. T uy n h iê n phương p h áp này đòi hỏi th iét bị đo phóng xạ
p hải có c h ất lượng cao, kỷ t h u ậ t đo và xử lý phổ chính xác.
Sự ra đời của detectd n h ấ p n h á y Nal(Tl) và m áy p h â n tích biên
độ n hiểu k ên h dã

m ỏ ra k h á n ă n g p h â n tích kích h o ạ t k h ô n g p h á

m ầu, xác đ ịn h đồng thời n h iề u nguyên tô. T uy nhiên, do (ỉộ p h ả n giải
n ă n g lượng của íietectơ n h ấ p n h á y chưa cao nên p h ạm vi ứng d ụ n g
còn bị h ạ n chế. T ro n g n h ữ n g n ăm gần đây, vói sự p h á t triể n của
detectơ bán dẫn Ge(Li) và Ge siêu tinh khiết (HPGe) có dộ phân giải
n ă n g lượng và h iệ u s u ấ t ghi bức xạ cao, k ết hợp vói m áy tín h đế xử lý
phô g a m m a cỉà d ư a phương p h áp p h ả n tích kích hoạt bước vào một
giai đ oạn p h á t tr iể n mới, giai đoạn ứng d ụ n g các quy tr ìn h p h â n tích
kích hoạt không p h á m ẫu với độ nhạy, độ chính xác cao và có th ê tự
động hoả các quy t r ìn h p h ân tích.
Cỏ th ể nói cho đến nay n h ử n g vấn đề cơ bán vế phươ ng p h á p và
kỹ t h u ậ t p h â n tích kích h o ạt đã được nghiên cứu và giãi quyết. Tuy
n h iên k h ô n g th ê có một quy trìn h p h ân tích tối ưu c h u n g cho t ấ t cả
các n g u y ên tô. M uốn xây dựng m ột quy trìn h p h â n tích cho m ộ t hoặc

m ột Iìhóni nguyên tô cần phài n ắm vững m ột S(Vvấn đê về v ậ t lý và kỹ
t h u ậ t h ạ t n h ả u CƯ b ả n như:
Cơ c h ế p h ả n ứng h ạ t n h â n và quy lu ậ t p h â n rà phỏng xạ.
P hư ơng p h á p , kỹ t h u ậ t đo và xử lý phố gam m a.
C ác biện p h á p hiệu chỉnh n h ằm giảm các nguồn sai số.
Ò nước ta p h ư ơ n g ph áp p h ân tích kích h o ạ t đã được n g h iên cứu
và ứng d ự n g từ n ă m 1974 tạ i Viện V ật lý, Viện Khoa học V iệt N am ,
nay là T r u n g tâ m K hoa học Tự n h iê n và Công nghệ Quốíc gia. N guồn
bức xạ sử d ụ n g đê kích h o ạ t lúc dó là Iìơtron 14 MeV tạo ra t ừ máy
p h á t n ơ tro n N A -3 C (máy gia tốc th ẳn g ) do H u n g a ri ch ế tạo. T ro n g
n h ữ n g n ă m tiếp th e o m áy gia tốc Electron M icrotron M T -1 7 c ủ a Viện
V ậ t lý và lò p h ả n ứng h ạ t n h â n Đà L ạ t lần lượt dược đ ư a vào hoạt
động, tạo ra c h ù m bức xạ h ãm có n ă n g lượng cực đại 15 MeV và
nguồn nơtron th ô n g lượng lỏn đã làm phong p h ú th ê m nguồn bức xạ
kích h o ạ t ỏ nước ta.

3


Trước n ă m 1980, ỏ nước ta chỉ có th ể đo p h ổ g am m a b ằn g đetectờ
n h ấ p n h áy . T ừ n á m 1980 trỏ đi có th ê m n h ữ n g th iế t bị tư ơng đố) hiện
đại và đồng bộ n h ư đetectơ b á n d ẫ n , m áy p h â n tích biên độ nhiều
k ê n h nối với m á y tín h điện tử đê xử lý s ố liệu, tạ o điều kiện t h u ậ n lợi
cho việc tr iể n k h a i n g h iê n cửu và ứ n g d ụ n g p h ư ơ n g p h á p p h â n tích
kích h o ạt, kế cả p h â n tích kích h o ạ t đa n g u y ên tô.
Đẽ t h u ậ n ti ệ n cho việc tìm h iểu và v ận d ụ n g vào th ự c tiễ n , dưới
đây sẽ tr ìn h b ày về cơ sở v ậ t lý và k ỹ t h u ậ t c h u n g củ a phư ơ ng ph áp
p h â n tích kích h o ạ t và đề cập tới m ột sô q u y tr ìn h p h â n tích đã được
n g h iê n cứu và tr iể n k h a i ứ n g d ụ n g ở nước ta.

1.2 Cơ sở v ậ t lý và kỹ t h u ậ t c ủ a p h ư ơ n g p h áp
p h â n t íc h k ích h o ạ t
1.2.1 N g u y ên lý c ủ a p h ư ơ n g p h á p p h â n tích kích h o ạt
P h â n tích kích h o ạ t h ạ t n h â n là phư ơ ng p h á p p h â n tích nguyên
tô tro n g dó q u á t r ìn h n h ậ n diện n g u y ên tố và xác định h àm lượng đểu
căn cứ vào các đ ặ c tr ư n g c ủ a h ạ t n h â n n g u y ê n tử. v ể n g u y ê n tắc,
p h â n tích kích h o ạ t k h ô n g p h ụ thuộc vào t r ạ n g th á i v ậ t lý và liên kết
hoá học của n g u y c n tô. B ản c h ấ t v ậ t lý của ph ư ơ n g ph áp là tạ o ra sự
biến đổi t r ạ n g t h á i của h ạ t n h â n n g u y ên tử th ô n g qua các p h â n ứng
h ạ t n h ả n gây bởi bức xạ nơtron, pho to n hoặc các h ạ t tích điện. C hính
vì vậy m à tro n g m ộ t sô' trư ờ n g hợp phư ơ ng p h á p p h â n tích kích hoạt
c ò n đ ư ợ c gọi t h e o t ê n c u ả b ử c x ạ k íc h h o ạ t , c ụ t h ể là p h â n tí c h kích

h o ạ t n ơ tro n (NAA), p h â n tích kích h o ạ t pho to n (PAA),...
P h ả n ứ n g h ạ t n h â n biến các h ạ t n h â n bển trở th à n h phóng xạ.
Việc n h ậ n diện n g u y ê n tô" và xác đ ịn h h à m lượng dược thực h iệ n dựa
t r ê n k ế t q u á đ o th ò i g ia n b á n r ã , n ă n g lư ợ n g v à c ư ờ n g độ c ủ a các bức

xạ g a m m a p h á t r a từ các s ả n p h ẩ m kích hoạt.
P h ả n ứ n g b á t nơ tron h a y p h á n ứ n g (n,y) là m ột trong n h ữ n g loại
p h ả n ứ n g h ạ t n h â n dược sử d ụ n g p h ổ biến n h ấ t tro n g p h â n tích kích
hoạt. Q u á tr ìn h p h ả n ứ n g có th ể m in h hoạ n h ư tr ê n h ìn h 1.1.
S a u khi b ắ t nơtron, h ạ t n h â n X trở th à n h h ạ t n h â n hợp phần:
/ * + . ! « = Ap r '
tro n g đó: A là s ố khôi,

z là n g u y ê n từ số’của n g u y ê n tố.

4

N ăn g lượng kích thích củ a h ạ t n h â n hợp p h ầ n (£T) b ằ n g tổng
Iiĩìng lượng liên k ế t của n ơ tro n (Eis) và động n á n g ( E k) c ú a nơtroiì tới:

E* = E h + £*
H ạ t n h ả n hợp p h ầ n cỏ th ê k h ử kích th ích h ằ n g cách p h á t r a một
hoặc vài tia g a m m a tức thòi để trở vê t r ạ n g th ả i bển v ữ n g hơn. T uy
nhiên tro n g n h iều trư ờ n g hợp nó trở th à n h h ạ t n h â n p h ó n g xạ, p h ân
rã b e ta (p) và p h á t ra các t ia g a m m a (còn gọi là g a m m a trễ) với ch u ký
h án rã xác định.

Tia gamma
tức thời

Tia beta

Tia gamma trễ
Hinh 1.1
Q uá trinh bắt nơtron và phát c ác tia gam m a cùa hạt nhản bia

Xét về ng u y ên lý và đ iể u kiện kỹ t h u ậ t th ì các tia ga 111 nìa tức
thời và g a m m a t r ễ đều có th ê sử d ụ n g vào m ục đích p h â n tích. 'Việc đo
tia g a m m a tức thời p h ải th ự c h iện cù n g với q u á tr ìn h kích h o ạ t nên
được gọi là phươ ng p h á p p h â n tích kích h o ạ t n ơ t r o n - g a m m a tứ c thòi
(PGNAA). T ia g a m m a tr ễ được đo s a u khi dã n g ừ n g kích h o ạ t và gọi
là p h â n tích kích h o ạ t g a m m a t r ễ (DGNAA) hay p h ư ơ n g p h á p p h á n
tích kích h o ạ t p h ó n g xạ. T ro n g thự c t ế phư ơ ng p h á p p h â n tích kích
h o ạ t ph óng xạ được sử d ụ n g phó biến hơn so với p h ư ơ n g p h á p
n ơ tro n -g a m m a tứ c thời. Do đó khi nói đến p h â n tích kích h o ạ t người
ta thư ờ ng nghĩ đ ế n phư ơ ng p h á p p h â n tích kích h o ạ t p h ó n g xạ.

M uôn tiến h à n h p h â n tích kích h o ạ t cần p h ả i có n g u ồ n bức xạ
kích h o ạt, th iế t bị đo và p h a n tích p h ổ g a m m a c ù n g với n h ữ n g kiến
thửc cơ b ả n về p h ả n ứ n g h ạ t n h â n , vể tư ơng tác c ủ a bức xạ h ạ t n h â n


(nơtron hoặc photon) vỏi v ậ t chất. N h ử n g vấn dê n ày sè lầ n lượt được
đề cập tro n g các p h ầ n sau.

1.2.2 P hươ ng t r ì n h kích h o ạt p h ỏ n g xạ
T rong khi kích h o ạ t đồng thòi diễn ra hai quá t r ìn h sa u đây:
-

Sự tạo t h ả n h các h ạ t n h â n phóng xạ từ n h ữ n g h ạ t n h â n bển
s a u các p h ả n ứng h ạ t nhân,
Sự p h ân rã của các h ạ t n h â n phóng xạ mới tạo t h à n h

N ếu gọ 1 AT0 là số h ạ t n h â n bia, ộ là thông lượng bức x ạ kích hoạt
(n/cm2/giây), ơ là tiế t diện của p h ản ứng h ạ t n h â n có th ứ n g u y ên là
diện tích (cm2) và đơn vị là b a rn (b) tro n g đó 1 b = 10’21 cm", X là h ằ n g
số p h â n rã (Ả = 0,693 ITm tro n g đó T m là chu kỳ b á n rã) có th ứ nguyên
là (1/giây) và N (t) là số h ạ t n h â n phóng xạ tại thời điểm t thì cỏ th ê
t h i ế t l ậ p đ ư ợ c p h ư ơ n g t r ì n h k í c h h o ạ t p h ó n g x ạ cơ b á n s a u đ â y :

™ Ẩỉl = N ữệo - m )
dt

(1.1)

Giải phương trìn h (1.1) với điểu kiện b a n đầu là n ế u t = 0 thì
N (t = 0) =0 sẽ t h u được nghiệm :

N(i)

=

Ả

- e ' * 1)

(1.2)

T ừ phương t r ìn h (1.2) suy ra h o ạ t độ phóng xạ (số p h ả n rã/giây) là:

A(t) = Ả. NỤ) = N J ơ ( \ - e Át)

(1.3)

H oạt độ phóng xạ giảm theo quy lu ậ t h à m e - m ũ . Ọo đó nếu gọi
thòi gian kích h o ạ t là th thì h o ạ t độ phóng xạ tạ i thời điểm t > th sẽ là:

M th.t)= N0
(1.4)

T rong p h â n tích kích h o ạ t phóng xạ cần p h ải đo m ẫ u s a u khi
kích hoạt. Tổng h o ạ t độ phóng xạ hay h o ạ t độ phóng xạ tích p h â n từ
thòi điểm tf đến t2> với t2 > tj > th sẽ là:

c ụ h.t„ ụ ) =

=

«.

tro n g đó:

- « '* - )

k

td = t x- t h gọi là thòi gian p h â n rã, thời g ian nghỉ h ay thòi
gian phơi mẫu, được tính từ lúc dùng chiếu tới lúc b ắ t đầu đo.
*/n = *2 “ *i là thời gian đo.

6

(1-5)


T ổng h o ạ t độ phóng xạ đo dược (O y>) luôn nhỏ hơn sỏ h ạ t n h â n
phóng xạ đ ã p h â n rã vì hiệu s u ấ t ghi bức xạ của đetectơ £< 100 %, và
cường ctộ tương đ ố i c ủ a b ứ c x ạ c ầ n đ o ( t ỷ s ố p h â n n h á n h ) ly < 1 0 0 %.
Ngoài ra còn có m ột sô" tia g am m a bị h ấ p th ụ ngay ở trong m ẫ u (tự
hấp thụ), m ộ t p h ẩ n số đếm bị m ấ t do hiệu ứng thòi gian c h ế t,.h iệ u
ứng cộng đ ỉn h , h iệu ứ n g chồng chặp xung,... Do đó tỷ lệ giữa số xung
đo dược và sô" x u n g thực, f < 100 %. N hư vậy phương tr ìn h (1.5) cỏ th ê
viết lại th eo kết q u ả đo thực tê" n h ư sau:

( j _ e -„h

C cvp =

( J _ e -;,„

j

( 1 6)

Ạ,

S ự p h ụ th u ộ c của h o ạ t độ phóng xạ vào thời gian kích h o ạt, thời
gian phơi và đo được biêu diễn trê n h ình 1.2, ỏ đó diện tích s tư ơ ng
ủ n g với h o ạ t độ tích p h ân , c , hoặc sô"xung đo được tro n g thời g ia n tm.

Hinh 1.2
Sự phụ thuộc của hoạt độ phỏng xạ vào thời gian kích hoạt (tb), thời gian
phản rả (tơ) và thởi gian đo (tm).

1.3 Các phương p h á p xác đ ịn h h àm lượng
1.3.1 Phương pháp tuyệt đối
S ố h ạ t n h â n nguyên tử của m ột nguyên tố cần p h â n tích có th ể
tính được n h ư sau:


Wi'V?

(1 7 )

M
tro n g đó:

m là khôi lượng nguyên tố c ầ n p h â n tích (gam),

N a là sô"Avỏgađrô,
0 là độ p h ổ cặp của đồng vị th a m gia p h ả n ứng (%),
M là khôi lượng nguyên tử của n g u y ê n tô'.

T ừ các phươ ng trìn h (1.6) và (1.7) sẽ tín h được khôi lượng m của
nguyên tố n h ư sau:
(1.8)

NAOỷơSDCclỵf
tro n g đó:

s = ( ỉ “ e ' iUế) là hệ số bão hoà,
D = e~/t,f là hệ số p h â n rả,
c = (\ -

) là hệ số đo.

Phương p h á p xác định hàm lượng n g u y ê n tô n h ư trê n gọi là
phương p h áp tu y ệ t đối. Phương pháp này đòi hỏi p h ải đo cường độ
phóng xạ tu y ệ t đôi và phải sử dụng một loạt sô" liệu h ạ t n h â n và sô
liệu thực nghiệm . Do đó k ết quả p h â n tích sẽ bị ả n h hướng bới n h iề u
nguồn sai sô". M ặ t k h ác việc đo h o ạ t độ phóng xạ tu y ệ t đôi đỏi hỏi rát
công phu và cần đến kỹ n à n g cao. C hính vì vậy mà tro n g th ự c tẻ
phương p h áp này ít được sử dụng.

1.3*2 P h ư ơ n g p h á p tương đôi
N ếu m ẫ u và m ẫ u ch u ẩ n (đã b iết h à m lượng của n g u y ên tố cần
p h â n tích) được kích h o ạ t và đo trong điểu k iện hoàn toàn giống n h a u
t h ì k h ô i l ư ợ n g c ủ a n g u y ê n tô* c ầ n p h â n t í c h ơ t r o n g m ầ u c ỏ t h ê x á c đ ị n h

được tr ê n cơ sở so s á n h h o ạ t độ phóng xạ của m ẫ u vỏi m ẫ u ch u ẩn :
w

(1.9)

5
trong đó:

m x và m , là khối lượng của nguyên tố ở tro n g m ẫ u p h â n
tích và m ẫu chuẩn.
c * xp v à C “ p là h o ạt độ phóng xạ tích p h â n đo được của
m ẫ u và m ẫ u chuẩn.

8


P h ư ơ n g p h á p tư ơ n g đôi k h ô n g c ầ n th iế t p h ả i đo h o ạ t độ p h ó n g xạ

tuyệt đòi. không sử dụng nhừng sô liệu hạt nhân và thông sô thực
n g h i ệ m n h ư t r o n g p h ư ơ n g p h á p t u y ệ t đôi . D o đ ó c ô n g v i ệ c t r ỏ n ê n đ ơ n
g i á n h ơ n v à s a i sỏ p h â n tí c h c h ủ y ế u chỉ p h ụ th u ộ c v à o s a i sô c ủ a h à m

lượng m ẫu c h u ẩ n v à sai sô" th ô n g kê. Các nguồn sai sô' này có t h ể giảm
h o ặ c k h ô n g c h ế được. T u y n h i ê n t r o n g t r ư ơ n g hợp p h â n tích đ ồ n g thòi

nh iều n g u y ên tô' th ư ờ n g gặp phải m ột sô' khó k h ă n về vân để m ẫu
c h u ẩ n , c ụ t h ê l à c ầ n s ử d ụ n g c á c m ẫ u c h u ẩ n g i ố n g với m ẫ u p h â n t í c h
v ề h à m l ư ợ n g , v ê c h ấ t n ề n ( m a t r ậ n m ẫ u ) v à s ự p h â n bô" đ ổ n g đ ề u c ủ a

các n g u y ên tô* ở tro n g m ẫu.

1.3.3 P h ư ơ n g p h á p c h u ẩ n đơn ngu yên tố
P h ư ơ n g p h á p p h â n t í c h k í c h h o ạ t c h u ẩ n đ ơ n n g u y ê n tố* đ ư ợ c x â y

dự ng tr ê n cơ sở k h a i th á c n h ữ n g ưu điểm và khắc phục m ột sô" nhược
điểm của h ai phươ ng p h á p trên. Nguyên lý của phương p háp chuẩn
đơn n g u y ên tô là sử d ụ n g m ột nguyên tô" thích hợp làm ch u â n (gọi là

nguyên Lô' chuẩn) cho nhiều nguyên tố. Việc xác định hàm lượng dựa
tr ê n cơ sở so s á n h h o ạ t độ phóng xạ của nguyên tỏ' cần p h ân tích VỚI
h o ạ t đ ộ c ủ a n g u y ê n t ố c h u ẩ n . T ừ c á c p h ư ơ n g t r ì n h ( 1 . 6 ) v à (1 .7 ) r ú t r a :

.cxp

Ll_ =
,.c x p

mx ( .

)'

•$x ơ.V‘V f

X'cx •IX'JX

X_________________________ (1.10)
iV i

„

m' ( M
ú ,

1
3

Ảs

N ếu nguyên t ố c h u ẩ n và nguyên tô* cần p h â n tích được kích h o ạt
đồng thòi thì ệxỊ ộs = 1 v à từ phương tr ìn h (1.10) suy ra:
(1 1 1 )

cr
trong đó:

K-

ầỉL
ƠJỈIl
Ms Ảs ơx ơx s x Dxc x £x

Ll Ll.
Ix f x

(1.12)

Hệ sô' K luôn luôn ứ n g với m ột điểu kiện thực nghiệm (kích h o ạt
v à đo) cụ t h ê v à t í n h đ ư ợ c t h e o p h ư ơ n g t r ì n h (1.12) d ự a v à o các t h ô n g
sô v ậ t lý v à k ỹ t h u ậ t t ư ơ n g t ự n h ư đ ã đ ề c ậ p đ ế n t r o n g p h ư ơ n g p h á p

tu y ệ t đôi. M ậ t k h á c hệ sô" K cũng có th ể xác đ ịn h được b ằ n g thực

9


ng h iệm ( Kvxị,) d ự a vào k ết q u ả kích h o ạt m ẫ u đã b iết h à m lượng của
các n g u y ên tô 'cần q u a n tâm , cụ th ê là:

K cxp ^ nì'
. %Cexp

0 .1 »

Biết hệ số K vxJ, sẽ tín h cìược khối lượng củ a n g u y ê n tố cắn p h â n tích:

m'

cxp s~*cxp
s

*

(1.14)

T ro n g p h ư ơ n g p h á p c h u ẩ n đơn n g u y ên tô, k ế t qu ả p h â n tích dược
tín h to á n d ự a vào tỷ số h o ạ t độ p h ó n g xạ củ a hai đồng vị ớ tro n g cùng
m ột m ẫ u n ên sai số do h iệu ứ n g tự ch ắn , h iệu ứ n g tự h ấ p th ụ , hiệu ứng
thời gian c h ế t và h iệ u ứ n g chồng c h ậ p x u n g có th ể bỏ qua. T u y nhiên
n g u y ê n tô" được đ ư a vào m ẫ u làm c h u ẩ n tro n g p h ả i th o ả m ã n một sỏ
yêu cầu s a u đây:

N gu y ên tô" đó k h ô n g có m ặ t ở tro n g m ẫu.
C ác s ả n p h ẩ m kích h o ạ t củ a nó k h ô n g can n h iễ u với các đồng
vị p h ó n g xạ cần q u a n tâm .
S ả n p h ẩ m kích h o ạ t c ủ a n g u y ê n tố c h u ẩ n và các n g u y ê n tô' cần
xác đ ịnh có ch u kỳ b á n rã, n ă n g lương bức xạ gần giông nhau.

1.4 C á c b ư ớ c t r o n g q u y t r ì n h p h â n t í c h k í c h h o ạ t
Nói c h u n g , m ộ t quy tr ìn h p h â n tích kích h o ạ t bao gồm các bước
ch ủ yếu s a u đây:
Ước tín h độ n h ạ y p h â n tích kích hoạt.
G ia công và kích h o ạ t m ẫu.
-

Xử lý ho á học m ẫ u s a u khi kích h o ạ t (nếu cần).
Đo h o ạ t độ p h ó n g xạ.

Xử lý 8 0 »liệu.

1.4il Ước t í n h độ n h ạ y p h â n tíc h k ích h o ạ t
K hi lựa ch ọ n m ộ t phư ơ ng p h á p p h â n tích cần phải cân nhắc dựa
tr ê n n h ữ n g tiê u c h u ẩ n cơ b ả n n h ư độ n h ạ y , độ ch ín h xác, thòi gian
p h â n tích và giá th à n h ,... P h ư ơ n g p h á p p h â n tích kích h o ạ t thư ờng có

10


ưu tlìẻ vê cỉộ nhạy. Độ n h ạ y p h â n tích kích h o ạ t ch ín h là khôi lượng
nguyên tô" n h ỏ n h ấ t (ĩììmịn) m à phư ơ ng p h á p có th ế xác đ ịn h được:

tro n g cỉó:

A mm là h o ạ t cìộ p h ó n g xạ nhỏ n h ấ t có th ế đo được,
A sf, là h o ạ t độ phó ng xạ riê n g (h o ạt độ p h ó n g xạ của 1 J.ig)

T rong th ự c n g h iệ m th ư ờ n g lấy A min = 3yJ~B , tro n g đỏ B là phông
phóng xạ tại đ ình phố được sử d ụ n g tro n g p h â n tích.
H oạt độ p h ó n g xạ riên g p h ụ thuộc vào các th ô n g sô h ạ t n h â n ,
hiệu s u ấ t ghi của đetectơ và thời gian chiếu, phơi, đo. T ro n g th ự c tẻ
độ nhạy th ự c n g h iệ m th ư ờ n g th ấ p hơn độ n h ạ y lý th u y ế t. T u y n h iê n
các kết q u ả tín h to á n sẽ đ ịn h hư ớ ng cho thự c n ghiệm đ ặc b iệ t là v â n
để lựa chọn p h á n ứ n g h ạ t n h ân .

1.4.2 Gia công và kích h o ạ t m ẫ u
Vê n g u y ê n tắ c cỏ th ê kích h o ạ t m ẫ u rắ n , m ẫ u bột, m ẫ u nước và
m ẫ u khí. T u y n h iê n tro n g thự c t ế m ẫ u bột được sử d ụ n g n h iề u n h ấ t.

Các mẫu rắn thường dược tạo ra bằng cách mài hoặc cắt. Các mẫu
nước cần c h ú ý đ ế n sự th a y đổi t h à n h p h ầ n và h à m lượng các n g u y ê n
tcV hoà ta n th e o c h iề u s â u v à th eo thòi gian. Các m ẫ u k h í p h ả i đo
ch ín h xác th ê tích trước khi kích h o ạt. T ro n g m ộ t sô" trư ờ n g hợp có th ể
kích h o ạ t trự c tiế p các k h í h iếm , còn các loại k h í k h á c có th ể c h u y ê n
sa n g thê rắ n . M ẫ u bột p h ả i được trộ n đểu và giữ n g u y ê n h ìn h học
trong qu á tr ìn h kích h o ạ t c ũ n g n h ư đo phóng xạ. M ẫ u bột có t h ể nén
hoặc (lựng trong hộp. Hộp đ ự n g m ẫ u p h ải làm b ằ n g n h ữ n g c h ấ t
không bị kích h o ạ t hoặc s ả n p h ẩ m kích h o ạ t từ hộp k h ô n g gây can
nhiễu cho các n g u y ên tô" cần q u a n tâm . P h ải chọn hộp đ ự n g m ẫ u có
kích thước thích hợp đê t r á n h h iệu ứng rỗng (blank effect). C ác m ẫu
p h ân tích không được đê n h iễ m b ẩ n và củ n g k h ô n g được xử lý ho á học
trước khi kích hoạt.
T ro n g p h â n tích kích h o ạ t đều trự c tiếp hoặc g ián tiếp s ử d ụ n g

m ẫu c h u ẩ n . P h ư ơ n g p h á p c h ế tạo m ẫu c h u ẩ n p h ổ biến n h ấ t là pha
trộn các hoá c h ấ t s ạ c h vào c h ấ t n ề n th ích hợp. N goài ra c ũ n g có th ề sử
dụng ch ín h n h ữ n g m ẫ u đã được p h â n tích cỏ độ c h ín h xác cao làm
m ẫu c h u ẩn . Loại m ẫ u c h u ẩ n th ứ h a i n ày r ấ t th ích hợp cho việc p h â n

11


tích các m ẫ u có c ù n g nguồn gốc. Tuy nhiên muôn có kết quả c h ín h xác
m ẫu đó phải dược p h ân tích nhiêu lần tại n h ữ n g phòng th í n g h iệ m
tiêu c h u ẩ n n ê n giá th à n h cao.
M uôn cho m ẫ u dược kích hoạt đồng dêu có th ê cho q u a y m ẫu
trong khi chiếu.
Sự p h ụ thuộc của h o ạt độ vào thời gian kích h o ạ t tro n g phư ơ ng
tr ìn h (1.3) được v iế t lại n h ư sau:

A(th) = N0N ếu thời gian kích hoạt m ẫu nhỏ hơn n h iêu so với thòi g ia n bán
rã của đồng vị phóng xạ tạo th à n h sau p h ả n ứng, tức là th « T Vothì:
e""" * \ - Ả ( b

s =(ỉ

và
Từ dó suy ra:

A(th« T l/2) ~ pẢtt,
N hư vậy có n g h ĩa là tro ng thời gian đầu của q u á tr ìn h k ích hoạt,
h o ạ t độ phóng xạ tă n g tuyến tín h vỏi thời gian.
N ếu kéo dài thời gian kích hoạt, tỷ số A/P th a y đổi n h ư sau:

t b = 1T m% th ì A / P = 0,5
t h = 2Tị72, thì A / P = 0,75
th = 3 T m , th ì A / p = 0,875
= 4T|/2t th ì A / p = 0,9375

th = 5 T l/2, th ì A / p = 0,9688
N ếu tiếp tục kéo dài thòi gian kích hoạt, nghĩa là /|}»

T xn thì:

e~'K —» 0 và

5 = (1 - e

) —» 1

T rường hợp n à y h o ạ t độ phóng xạ đã đ ạ t tói giá trị bão hoà:
•A ( t\ị »

T 1/2 ) ^


Khi h o ạ t độ đ ạ t tới mức bão hoà thì việc tiếp tục kích h o ạ t m ẩu
sè không còn có lợi cả vê phương diện khoa học và h iệ u qu á kinh tế.

1.4.3 Xử lý h o á học m ẫu kích h o ạt
Trong phân tích kích có thể cần đến xử lý hóa học đôì VỚI một sô
trư òng hợp sau đây:

12


Mẫu phản tích chứa nhiều nguyên tố, sau khi kích hoạt tạo
thành những đồng vị phỏng xạ phát tia gamma có năng lượng
và chu kỳ bán rà gần giông nhau, khỏng thể phân biệt được
b ằ n g các t h i ế t bị (to.

Trong mầu chửa nhiều nguyên tố phóng xạ phát các tia
g a m m a cờ cường độ m ạnh, gây can nhiều đối với các bức xạ
c ần đo và k h ô n g th ể h iệu chính được.
S á n p h ẩ m kích h o ạ t là đồng vị phóng xạ chỉ p h á t tia b eta (Ịì)
và k h ô n g t h ể p h ân biệt (ỉược với các tia p của n h ữ n g đồng vị

phóng xạ khác.
M uôn tă n g độ n h ạ y p h ân tích phải đo h o ạt độ phóng xạ trong

điêu kiện phông nhó nhất. Do đó phải tách các đồng vị phóng
xạ cần đo r a khỏi các đồng vị phóng xạ khác.

Tách hoá học thực hiện sau khi mẫu dà được kích hoạt, sử dụng
các phương p h áp n hư : kết tủ a , chiết bằn g d u n g môi, sắc ký tr a o đối

ion, điện phân, trao đôi đồng vị, chưng cất,...
T ro n g thự c t ế p h â n tích có th ể tách riẻng từ n g nguyên tố hoặc
từ n g nhỏm 3 V 4 n g u y ê n tô phóng xạ không gảy can n h iễu lẫn n h a u .

Với sự phát triển cứa thiết bị và kỹ th u ật h ạ t nhân, ngày nay có thê
áp dụng những quy trình phân tích không cần xử lý hoá học mà vẫn

đ ạ t được độ n h ạy v à độ chính xác cao.

1.4.4 Đo h o ạ t độ p h ón g xạ
Muôn do hoạt độ phóng xạ của các mẫu kích hoạt cần lựa chọn
bức xa, đetectơ và kỹ th u ật đo. Mục đích của sự lựa chọn là lâm tăng
hiệu s u ấ t ghi, t ă n g k h ả n à n g chọn lọc bức xạ và tă n g tỷ sô" tín hiệu

(diện tích cúa đỉnh pho) trên phông.
T ro n g p h â n tích kích hoạt chủ yếu là đo bức xạ gam m a. Có th ể
sử d ụ n g n h iề u loại đetectơ k hác n h a u đê đo bức xạ g a m m a n h ư n g

hiện nay phô biến là dùng các đetectơ bán dẫn như Si(Li), Ge(Li) và
gecmani siêu tinh khiết HPGe. Đê ghi phổ gamma thường sử dụng
máy phân tích biên độ nhiều kênh. Trong một số trường hợp cụ thế
còn sử dụng các hệ đo phổ trùng phùng, phản trùng phùng,...
Ưu điểm chính của sự lựa chọn này là có thể dề dàng xác định
được chính xác n â n g lượng và cưòng độ của bức xạ gam m a. H iệu ứng

tự hấp thụ bức xạ gamma ở trong mẫu có thể bỏ qua hoặc hiệu chỉnh
được m ột cách đơn giản và chính xác.

13