Nghiên cứu về phương pháp và thiết bị phân tích kích hoạt NƠTRON GAMMA tức thời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.5 MB, 47 trang )
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..................................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................................... vii
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................................. viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ PHÂN TÍCH
KÍCH HOẠT NƠTRON GAMMA TỨC THỜI (PROMPT GAMMA
NEUTRON ACTIVATION ANALYSIS – PGNAA)....................................................... 1
1.1 Tổng quan phương pháp PGNAA........................................................................................ 1
1.1.1 Cơ sở vật lý..................................................................................................................... 1
1.1.2 Phương trình cơ bản của phương pháp PGNAA....................................... 2
1.1.3 Phương pháp tương đối cho PGNAA.................................................................... 4
1.1.4 Phương pháp k0-PGNAA.......................................................................................... 4
1.1.5 Chuẩn năng lượng......................................................................................................... 6
1.1.6 Chuẩn độ phân giải (FWHM)................................................................................... 7
1.1.7 Đường cong hiệu suất của hệ phổ kế giảm phông Compton sử dụng đầu
dò HPGe................................................................................................................................................ 8
1.1.8 Độ nhạy của phương pháp PGNAA................................................................. 15
1.1.9 Xác định hàm lượng bằng phương pháp tương đối.................................. 16
1.1.10 Sai số hàm lượng...................................................................................................... 17
1.2 Độ nhạy, giới hạn và hàm lượng phân tích của B................................................... 18
1.2.1 Độ nhạy............................................................................................................................. 18
1.2.2 Giới hạn phát hiện........................................................................................................ 19
iii
1.2.3 Hàm lượng..................................................................................................................... 20
1.3 Hệ PGNAA ở một số nước...................................................................................................... 20
1.3.1. Trên thế giới................................................................................................................ 21
1.3.2 Trong nước................................................................................................................... 22
1.4 Hệ thiết bị PGNAA tại KS2 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt................................ 23
1.4.1 Chùm nơtron phin lọc nhiệt tại KS2....................................................................... 23
1.4.2 Hệ che chắn dẫn dòng nơtron............................................................................. 25
1.4.2.1 Che chắn chuẩn trực bên trong KS2............................................................ 25
1.4.2.2 Che chắn chuẩn trực bên ngoài KS2........................................................... 26
1.4.2.3 Hệ phổ kế gamma.................................................................................................. 27
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM................................................................................................ 29
2.1. Bố trí thí nghiệm........................................................................................................................ 29
2.1.1. Chuẩn bị mẫu và chiếu mẫu................................................................................... 29
2.1.2. Bố trí thí nghiệm......................................................................................................... 30
2.2. Xác định phông gamma tức thời của hệ đo..................................................................... 32
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................................... 36
3.1. Kết quả xác định hệ số Asp của Clo................................................................................... 36
3.2. Kết quả tính độ nhạy và giới hạn phát hiện của nguyên tố B................................... 39
3.3 Hàm lượng B trong mẫu thử và mẫu chuẩn...................................................................... 39
3.4. Thảo luận kết quả...................................................................................................................... 40
KẾT LUẬN......................................................................................................................................... 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................... 42
iv
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, ngành vật lý hạt nhân Việt Nam đã có những
bước tiến bộ đáng kể, ứng dụng kỹ thuật hạt nhân vào đời sống đã và đang được
Nhà nước quan tâm và ưu tiên phát triển. Viện nghiên cứu hạt nhân là một trong
những nơi đi đầu về hạt nhân của nước ta, không chỉ nghiên cứu về số liệu hạt nhân
cơ bản mà còn ứng dụng kỹ thuật hạt nhân vào các ngành công nghiệp quan trọng
của đất nước.
Tại Viện Nghiên cứu hạt nhân, hướng nghiên cứu cấu trúc hạt nhân bằng
thực nghiệm đã được triển khai và thu được những thành công nhất định; trong đó
một số dòng nơtron phin lọc đơn năng và một số hệ phổ kế ghi đo bức xạ mới được
lắp đặt trên kênh nơtron số 3 và số 4. Kênh ngang số 2 (KS2) được mở ra với dòng
nơtron thuần nhiệt cho mục đích đo đạc số liệu hạt nhân và phân tích hàm lượng các
nguyên tố bằng phương pháp kích hoạt hạt nhân đo gamma tức thời (Prompt
gamma). Hệ phổ kế đo gamma tức thời đã được lắp đặt phục vụ công tác nghiên cứu
hoàn thành năm 2007, hệ phổ kế sử dụng kỹ thuật giảm nền phong Compton bằng
phương pháp trùng phùng, với bố trí một đầu dò bán dẫn HPGe được bao bọc xung
quanh bởi 12 đầu dò BGO.
PGNAA là kỹ thuật phân tích dựa trên việc ghi nhận tia gamma tức thời đã
được phát triển tại nhiều nước trên thế giới có sử dụng lò phản ứng nghiên cứu như
Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Hungary, Ấn Độ,v.v.... Đây cũng là một công cụ hỗ trợ tốt
cho phương pháp phân tích kích hoạt nơtron dụng cụ (INAA) do có thể phân tích tốt
những nguyên tố mà INAA thông thường không phân tích được, như các nguyên tố
nhẹ H, B, C, N, Si, P, S và các nguyên tố có tiết diện bắt nơtron lớn như Cd, Gd.
Các nguyên tố ưu thế của INAA như Al, Cl, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Sm... cũng có thể
phân tích được bằng PGNAA, vì vậy PGNAA cũng là một phương pháp phân tích
so sánh cho INAA. Bên cạnh ưu điểm là phân tích đồng thời nhiều nguyên tố,
không phá huỷ mẫu, PGNAA còn có ưu thế là mẫu sau khi phân tích bằng phương
pháp này có độ phóng xạ dư trong mẫu rất thấp, nên có thể sử dụng lại cho những
phương pháp phân tích khác.
viii
Trong những năm qua, việc phân tích hàm lượng nguyên tố B bằng phương
pháp PGNAA đã được áp dụng trên kênh nơtron số 4 và số 2 của Lò phản ứng hạt
nhân Đà Lạt. Các phân tích trước đây chủ yếu xác định hàm lượng B bằng phương
pháp so sánh với hàm lượng B trong mẫu chuẩn. Phương pháp này có ưu điểm đơn
giản, dễ thực hiện. Kết quả tính không phụ thuộc đặc trưng chùm nơtron, hiệu suất
ghi của đầu dò. Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế là mẫu chuẩn và mẫu phân
tích phải cùng hình học đo và cùng nền matrix tức là cùng các thành phần nguyên tố
trong mẫu. Vì vậy, độ chính xác của kết quả phân tích phụ thuộc chủ yếu vào mẫu
chuẩn. Để khắc phục những hạn chế nêu trên và nâng cao chất lượng của phép phân
tích PGNAA, mở rộng khả năng nghiên cứu, khóa luận đặt ra mục tiêu là phân tích
định lượng nguyên tố B trong đối tượng mẫu địa chất bằng phương pháp k0PGNAA (không sử dụng mẫu chuẩn) trên dòng nơtron nhiệt tại kênh số 2, Lò phản
ứng hạt nhân Đà Lạt.
Cấu trúc của luận văn gồm 3 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan về phương pháp và thiết bị PGNAA: trình bày cơ sở lý
thuyết của phương pháp PGNAA và một số hệ thiết bị PGNAA trong nước và trên
thế giới.
Chương 2. Thực nghiệm: nêu ra cách chuẩn bị mẫu, cách bố trí thí nghiệm,
khảo sát các đặc trưng và chuẩn hóa thiết bị thí nghiệm, xác định phông gamma tức
thời và đo phổ gamma tức thời của các mẫu chuẩn và mẫu thử trên đối tượng mẫu
địa chất
Chương 3. Kết quả và thảo luận: trình bày các kết quả thực nghiệm thu được
và các bình luận kết quả phân tích và quy trình phân tích nguyên tố B.
Cuối cùng là phần kết luận và một số kiến nghị.
ix
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ PHÂN TÍCH
KÍCH HOẠT NƠTRON GAMMA TỨC THỜI (PROMPT GAMMA
NEUTRON ACTIVATION ANALYSIS – PGNAA)
Năm 1936, phân tích kích hoạt ra đời và được Geoge de Hevesy và Hilde
Levi lần đầu tiên áp dụng, cho đến nay phân tích kích hoạt là một phương pháp
phân tích hàm lượng nguyên tố trong mẫu chính xác nhất và tiện lợi nhất so với các
phép phân tích khác. Từ 1938 đến 1940, người ta phân tích kích hoạt bằng các hạt
mang điện như proton (p), alpha (a), deutron (d) ... Với sự phát triển của lò phản
ứng hạt nhân đã cho phép tạo ra những nơtron có thông lượng lên đến 10
12
- 10
15
-2 -1
n.cm .s thì khi đó phân tích kích hoạt bằng nơtron được xem như là một kỹ thuật
phân tích thông dụng nhất với độ tin cậy cao so với các phương pháp phân tích
khác. [1]
1.1. Tổng quan phương pháp PGNAA.
1.1.1. Cơ sở vật lý.
Các nguyên tố trong tự nhiên thường tồn tại dưới dạng đồng vị bền có các
thông số hạt nhân đặc trưng sau: khối lượng nguyên tử, độ phổ biến đồng vị, tiết
diện bắt nơtron v.v... Cơ sở của phương pháp phân tích kích hoạt gamma tức thời
thông qua phản ứng bắt neutron của các hạt nhân bền trong bia mẫu để tạo thành hạt
nhân ở trạng thái hợp phần, hạt nhân hợp phần giải kích thích về trạng thái cơ bản
tiếp tục bằng cách phát các tia gamma tức thời, nhân phóng xạ tiếp tục giải kích
thích qua phân rã Beta và kèm theo gamma trễ (Hình 1.1). Năng lượng gamma tức
thời phát ra từ phản ứng được ghi đo bằng sử dụng hệ phổ kế gamma, năng lượng
ứng với các tia gamma trong phổ ghi nhận được có thể xác định định tính và định
lượng thành phần các nguyên tố trong mẫu.
Phản ứng của nơtron với hạt nhân bia có thể biểu diễn bằng phương trình sau:
1
+
→(
+1
)∗ →
+1
(1.1)
+
0
1
Ký hiệu (*) trong phản ứng trên biểu diễn cho nhân hợp phần ở trạng thái trung
gian.
Trong đó:
A : số khối của hạt nhân bia.
Z : số điện tích hạt nhân bia.
Hình 1.1. Quá trình phản ứng của nơtron với hạt nhân.
Trong phương pháp PGNAA, quá trình chiếu và đo phổ được thực hiện đồng
thời, do vậy phổ thu được bao gồm cả gamma tức thời và gamma trễ của một số
đồng vị có chu kỳ bán hủy ngắn (T1/2 từ giây đến vài phút). Từ đó ta cũng có thể sử
dụng phổ thu được để xác định một số nguyên tố bằng phương pháp gamma trễ.
1.1.2. Phương trình cơ bản của phương pháp PGNAA.
Tốc độ kích hoạt được cho bởi biểu thức sau:
. .
∗
=
[∫ ( , ) ( )
][
]
n
Trong đó:
: Độ phổ biến đồng vị (%).
m : hàm lượng nguyên tố quan tâm (ppm).
G : khối lượng mẫu (g).
NA : số Avogadro (Na = 6,023.10
2
23
nguyên tử/mol).
(1.2)
A : số khối của nguyên tố quan tâm (g).
fn : hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ nơtron trong mẫu
−∑
fn =
1− e
r
d
d
≈ 1 − ∑r
∑r d
Trong đó:∑ r
∫
(1.3)
2
: Tiết diện vĩ mô toàn phần ∑ r = ∑ σi. Ni
Ni
: số hạt nhân của nguyên tố thứ i.
d
: độ dày khối của mẫu (g/cm ).
2
σE(n, γ) (E)dE : Tích phân biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện bắt nơtron và thông lượng nơtron theo năng lượng En.
Khi đó tốc độ đếm đỉnh được xác định theo phương trình sau:
∗
C=C0+ɛγ
Trong đó:
Iγ. fa
(1.4)
C
: tốc độ đếm thực (số đếm/ giây).
C0
: tốc độ đếm phông (số đếm/ giây).
ɛγ
: hiệu suất ghi của hệ phổ kế đối với đỉnh quan tâm (%).
fa
: hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ giữa nguồn và detector
Iγ
: cường độ phát gamma (%).
Từ (1.2) và (1.4) ta có:
C–C0
( −
Hay
m=
. .
.
.
[
0)
.
0
Trong đó:
. .
= ɛγ. . fn.. fa. Iγ [σ0.ϕth + I. ϕepi]
+ .
(1.6)
] .
ℎ
-2 -1
ϕth
: Thông lượng nơtron nhiệt (n.cm s ).
ϕepi
: Thông lượng nơtron trên nhiệt (n.cm s )
σ0
: tiết diện bắt nơtron (barn)
I
: Tích phân cộng hưởng (barn)
-2 -1
3
(1.5)
Phương trình (1.6) là phương trình tính hàm lượng cơ bản của phương pháp
PGNAA.
1.1.3. Phương pháp tương đối cho PGNAA.
Các mẫu chuẩn và mẫu thử sử dụng trong thí nghiệm được ký hiệu là Or-46 và
Mo-123, cùng matrix với các mẫu được phân tích. Hàm lượng theo phương pháp tương đối trong
phân tích PGNAA được tính bằng công thức sau:
=
(1.7)
.
Trong đó , là tốc độ đếm tại đỉnh 478 keV của nguyên tố Boron trong mẫu cần phân tích và chuẩn, , là khối lượng của mẫu cần phân tích và chuẩn, , là
hàm lượng Boron của mẫu cần phân tích và chuẩn.
Sai số của phương pháp tương đối được tính theo công thức sau:
(%) =√
2
+
2
+
2
(1.8)
Trong đó kí hiệu tương ứng với sai số tương đối (%) của các thành phần
đóng góp sai số trong công thức (1.7).
1.1.4. Phương pháp k0-PGNAA.
Lý thuyết của phương pháp k0 trong PGNAA được mô tả bởi Molnar và cộng
sự [1]. Trong phương pháp này, bia mẫu được chiếu trong trường nơtron cùng với
nguyên tố chuẩn như 35Cl (sử dụng đỉnh gamma 1951 keV). Các tia gamma đặc trưng được ghi đo
bằng hệ phổ kế gamma độ phân giải cao. Diện tích đối với tia gamma được biểu diễn như sau:
(1.9)
==
Trong đó:
N là số hạt nhân bia.
là số Avogadro.
là độ giàu đồng vị.
4
w là khối lượng của hạt nhân nguyên tố bia.
là tiết diện bắt nơtron hiệu dụng.
là thông lượng nơtron.
t là khoảng thời gian chiếu.
là xác suất phát gamma trên mỗi phản ứng bắt nơtron.
là hiệu suất ghi tuyệt đối đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần.
Từ phương trình (3), độ nhạy nguyên tố
(cps . ) được xác định như sau:
−1
=
=
(1.10)
Hệ số k0 tức thời của nguyên tố ‘x’ ứng với nguyên tố chuẩn ‘c’ được tính
toán theo công thức sau:
(
0,
)
(1.11)
( )=
(
)
Trong trưởng hợp này nguyên tố ‘x’ tương ứng với nguyên tố Boron và
nguyên tố chuẩn ‘c’ tương ứng với nguyên tố Clo.
Trong phương trình (1.11), việc xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần tuyệt đối/
tương đối ( ) và là yêu cầu cần thiết để thu được hệ số 0 tức thời thực nghiệm. Hệ số 0 thực nghiệm
được sử dụng để tính toán hàm lượng nguyên tố sử dụng theo công thức sau:
(
Trong đó
)=
1
,
,
,
,
,
0,
(1.12)
,
,
()
là tốc độ đếm trên gam của mẫu và chuẩn.
Sai số tương đối hàm lượng được tính bởi công thức sau:
=√
2
+
2
+
(1.13)
2
( )
,
5
,
0,
Trong đó kí hiệu tương ứng với sai số tương đối (%) của các thành phần
đóng góp sai số trong công thức (1.12).
1.1.5. Chuẩn năng lượng.
Để xây dựng đường chuẩn năng lượng ta thường dùng bộ các nguồn chuẩn
với các giá trị năng lượng đã biết của các bức xạ gamma phát ra từ nguồn và có số
điểm chuẩn phân bố đều trên toàn dải và sử dụng hàm chuẩn phù hợp với đặc trưng
của hệ thống khuếch đại của phổ kế. Mục đích của chuẩn năng lượng là tìm mối
quan hệ giữa vị trí đỉnh (số kênh) trong phổ và năng lượng gamma tương ứng để
biết chính xác giá trị năng lượng tại đỉnh hấp thụ toàn phần trên phổ gamma tức
thời, từ đó xác định được các nguyên tố nào đang có trong mẫu phân tích. Việc
chuẩn năng lượng phải chính xác thì mới nhận diện được năng lượng nào là thuộc
về đồng vị nào.
Để xây dựng đường chuẩn năng lượng trong vùng từ 0 - 3 MeV thông thường người
ta dùng bộ các nguồn chuẩn với các giá trị năng lượng đã biết của các bức xạ
gamma phát ra từ nguồn:
241
Am,
57
Co,
109
Cd,
133
Ba,
137
Cs,
22
Na,
60
Co hoặc nguồn
đa đồng vị (Multi-nucleids).
Bảng 1.1. Các nguồn chuẩn thông dụng trong đo hiệu suất ghi.[9]
Nguồn phóng xạ
Năng lượng (keV)
Xác suất phát (%)
Chu kì bán rã
Am
59.5409(1)
35.92(17)
432.6(6) năm
Cd
88.0336(10)
122.06065(12)
3.66(5)
85.51(6)
461.9(4) ngày
136.47356(29)
10.71(15)
Cs
661.657(3)
84.99(20)
30.05(8) năm
Na
1274.537(7)
1173.228(3)
99.94(13)
99.85(3)
2.6029(8) năm
1332.492(4)
Ghi chú: (*) là giá trị sai số
99.9826(6)
241
109
57
Co
137
22
60
Co
Hàm chuẩn năng lượng theo số kênh được biểu diễn:
E = a1 + a2C + a3C2
E: Năng lượng, ai : các hệ số, C: số kênh
6
271.80(5) ngày
5.2711(8) năm
Với các giá trị năng lượng tương ứng với số kênh ta sẽ xây dựng được hàm
chuẩn năng lượng.[4]
Hình 1.2. Chuẩn năng lượng thông qua chương trình FitzPeaks.
1.1.6. Chuẩn độ phân giải (FWHM).
Chuẩn độ phân giải cũng cần phải thực hiện một cách chính xác, nhằm mục
đích sử dụng các thông tin này để phân tích các đỉnh chập. Hàm định chuẩn độ
phân giải theo năng lượng được xác định như sau:
2
FWHM = b1 + b2E + b3E
với b1, b2, b3 là các hệ số [4]
Hình 1.3. Chuẩn độ phân giải thông qua chương trình FitzPeaks.
7
Hình 1.4. Phổ được xử lý sau khi chuẩn năng lượng và chuẩn độ
phân giải tại đỉnh Clo 1951 và 1959.
1.1.7. Đường cong hiệu suất của hệ phổ kế sử dụng đầu dò HPGe.
Hệ PGNAA được lắp đặt tại kênh ngang số 2 lò phản ứng hạt nhân nghiên
cứu Đà Lạt. Dòng neutron từ lò phản ứng được dẫn qua hệ thống phin lọc neutron
tại kênh số 2, sau khi qua phin lọc ta thu được dòng neutron thuần nhiệt.
Hình 1.5. Cấu hình hệ PGNAA tại Kênh số 2 lò phản ứng nghiên cứu Đà Lạt.
8
Hiệu suất ghi của hệ phổ kế HPGE-BGO được xác định trong phạm vi từ 80
keV đến 8000 keV sử dụng các tia gamma tức thời phát ra từ phản ứng
35
36
Cl(n,γ) Cl và các tia gamma trễ từ nguồn
133
Ba,
137
Cs,
60
Co,
22
Na,
54
Mn. Các
nguồn chuẩn được đặt tại khoảng cách 38.5cm đến detector và lệch một góc 45° so
với detector và hướng dòng neutron ( như mô tả trong Hình 1.5).
Xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế là tìm mối tương quan giữa số đếm ghi
nhận được thực tế của hệ đo và tốc độ phân rã của nguồn. Đây là thông số rất có ý
nghĩa trong phổ kế gamma thực tế và là đặc trưng quan trọng của detector.
Hiệu suất của một detector phụ thuộc năng lượng, hình học đo, hình mẫu và
quá trình phân tích đỉnh đặc trưng v.v…
Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (Hiệu suất đỉnh):
Là xác suất của một photon phát ra từ nguồn mất mát toàn bộ năng lượng của nó trong thể tích
hoạt động của đầu dò. Trong thực nghiệm hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định bằng công
thức:
(1.14)
( )
()=
( )
Trong đó : n (E) : Tốc độ đếm ứng với đỉnh có năng lượng E ghi nhận
được bởi detector
R (E) : Tốc độ phát photon có năng lượng E của nguồn.
Tại vùng năng lượng thấp, các nguồn chuẩn
133
Ba,
137
Cs,
60
Co,
22
Na,
54
Mn
thường được sử dụng để xác định hiệu suất ghi tuyệt đối của hệ PGNAA tại lò phản
ứng hạt nhân Đà Lạt.
Hiệu suất ghi
được tính bằng công thức sau:
(1.15)
=
. . . .
Trong đó:
: hiệu suất điểm tại đỉnh quan tâm tại vị trí khảo sát.
NP : diện tích đỉnh γ quan tâm (số đếm).
A: hoạt độ của nguồn chuẩn tại thời điểm đo (Bq).
9
Iγ: cường độ phát γ tuyệt đối.
tc : thời gian đo (giây).
D: hệ số rã, = e
-λtd
, với td – thời gian rã (từ ngày sản xuất – lúc bắt đầu đo).
kc: hệ số hiệu chỉnh ra khi đo, = [1- e
Sai số hiệu suất
]/ λtc , với tc thời gian đo.
được xác định như sau:
dɛ = √(
với
-λtd
)2 + (
(1.16)
)2
dA : sai số hoạt độ nguồn (được cung cấp từ nhà sản suất),
dS: sai số diện tích đỉnh (sai số thống kê).
Sai số của cường độ γ tuyệt đối và chu kỳ bán hủy nhỏ và có thể bỏ qua.
Đến đây ta thu được một bộ các số liệu thực nghiệm [Ei|ɛpi], sử dụng khớp bình
phương tối thiểu ta lập được đường chuẩn hiệu suất có dạng:
5
logɛp = a0 + a1logEγ + … + a5(logEγ)
(1.17)
Trên thực tế tùy theo đặc trưng của từng loại detector mà chúng ta sẽ chọn
một hay nhiều đoạn để làm khớp với bậc đa thức khác nhau theo từng vùng năng
lượng và thu được những dáng điệu của đường cong chuẩn khác nhau đặc trưng cho
từng loại detector.
Ở vùng năng lượng thấp, sử dụng các tia gamma trễ từ nguồn
54
133
Ba,
137
Cs,
60
Co,
22
Na,
Mn phát ra gamma tức thời có năng lượng trong khoảng 80 keV đến 2 MeV.
Bảng 1.2 : Hiệu suất ghi vùng năng lượng thấp tại khoảng cách 38.5cm đến đầu dò.
Đồng vị
109Cd
57
Co
Ba
133
137Cs
Năng lượng
E (keV)
88.00
122.06
136.47
276.40
302.85
356.01
383.85
661.66
Hiệu suất e
0.000813
0.000860
0.000822
0.000567
0.000532
0.000486
0.000468
0.000348
10
Sai số
(%)
4.87
3.02
3.20
3.03
3.01
3.00
3.02
3.03
logE(keV)
log e
4.47772
4.80451
4.91610
5.62185
5.71324
5.87496
5.95025
6.49475
-7.115080
-7.058233
-7.103784
-7.475265
-7.538304
-7.628515
-7.667898
-7.961902
Mn
22Na
834.85
1115.54
1173.20
1274.50
0.000332
0.000258
0.000248
0.000255
5.01
3.07
3.00
5.00
6.72725
7.01709
7.06751
7.15034
-8.010361
-8.262406
-8.300213
-8.274854
Co
1332.50
0.000231
3.00
7.19481
-8.372555
54
65
60
60
Zn
Co
-6.900000
4.00000
4.50000
5.00000
5.50000
6.00000
6.50000
7.00000
7.50000
ln(Energy)
-7.100000
-7.300000
-7.500000
-7.700000
-7.900000
-8.100000
-8.300000
ln(e
ln(eff_practical)
-8.500000
ln(eff_fit)
Poly. (ln(eff_fit))
Hình1.6 Đường cong hiệu suất ở vùng năng lượng thấp.
Ở vùng năng lượng cao trên vài MeV, phản ứng
36
35
36
Cl(n,γ) Cl được sử dụng vì
Cl phát ra gamma tức thời có năng lượng trong khoảng 517 keV đến 8999 keV.
Bảng 1.3 : Hiệu suất ghi vùng năng lượng cao tại khoảng cách 38.5cm đến đầu dò.
Đồng vị
Năng lượng
E (keV)
Hiệu suất e
Sai số
(%)
logE(keV)
log e
Clo35(n, γ)Clo36
517.1
0.000412
2.33
6.248236
-7.7930
Clo35(n, γ)Clo36
786.3
0.000295
2.14
6.667338
-8.1258
Clo35(n, γ)Clo36
788.4
0.000295
2.28
6.670005
-8.1258
Clo35(n, γ)Clo36
1131.2
0.000249
2.90
7.031034
-8.2948
Clo35(n, γ)Clo36
1164.9
0.000251
1.93
7.060390
-8.2879
Clo35(n, γ)Clo36
1601.1
0.000193
2.35
7.378446
-8.5487
Clo35(n, γ)Clo36
1951.1
0.000172
2.14
7.576148
-8.6639
11
Clo35(n, γ)Clo36
1959.3
0.000172
2.87
7.580342
-8.6639
Clo35(n, γ)Clo36
2676.3
0.000121
3.68
7.892190
-9.0146
Clo35(n, γ)Clo36
2863.8
0.000127
3.36
7.959904
-8.9651
Clo35(n, γ)Clo36
2975.3
0.000123
4.73
7.998100
-8.9972
Clo35(n, γ)Clo36
3061.8
0.0001150
2.35
8.026758
-9.0698
Clo35(n, γ)Clo36
4440.4
0.000085
6.45
8.398499
-9.3723
Clo35(n, γ)Clo36
4979.7
0.000072
2.84
8.513124
-9.5386
Clo35(n, γ)Clo36
5517.2
0.000071
4.98
8.615625
-9.5651
Clo35(n, γ)Clo36
5715.2
0.000061
4.12
8.650884
-9.7135
Clo35(n, γ)Clo36
5902.7
0.000063
8.12
8.683165
-9.6733
Clo35(n, γ)Clo36
6619.6
0.000051
2.77
8.797790
-9.8922
Clo35(n, γ)Clo36
6627.8
0.000051
4.36
8.799028
-9.8922
Clo35(n, γ)Clo36
6977.8
0.000051
5.45
8.850488
-9.8778
Clo35(n, γ)Clo36
7413.9
0.000047
2.72
8.911111
-9.9556
Clo35(n, γ)Clo36
7790.3
0.000043
2.57
8.960634
-10.065
-7
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
Ln E (keV)
-7.5
-8
-8.5
-9
-9.5
-10
Ln e
-10.5
Hình1.7 Đường cong hiệu suất ở vùng năng lượng cao.
12
Bảng 1.4 : Hiệu suất ghi toàn dải năng lượng tại khoảng cách 38.5cm đến đầu dò.
Đồng vị
Năng lượng
E (keV)
Hiệu suất e
Sai số (%)
logE(keV)
log e
88.00
122.06
0.000813
0.000860
4.87
3.02
4.47772
4.80451
-7.1150
-7.0582
136.47
0.000822
3.20
4.91610
-7.1037
276.40
0.000567
3.03
5.62185
-7.4752
302.85
0.000532
3.01
5.71324
-7.5383
356.01
0.000486
3.00
5.87496
-7.6285
383.85
0.000468
3.02
5.95025
-7.6678
Cs
Mn
661.66
0.000348
3.03
6.49475
-7.9619
834.85
0.000332
5.01
6.72725
-8.0103
Zn
1115.54
0.000258
3.07
7.01709
-8.2624
60
Co
1173.20
0.000248
3.00
7.06751
-8.3002
22
Na
1274.50
0.000255
5.00
7.15034
-8.27485
Co
Clo35(n, γ)Clo36
1332.50
517.1
0.000231
0.000412
3.00
2.33
7.19481
6.24823
-8.37256
-7.7930
Clo35(n, γ)Clo36
786.3
0.000295
2.14
6.66733
-8.1258
Clo35(n, γ)Clo36
788.4
0.000295
2.28
6.67000
-8.1258
Clo35(n, γ)Clo36
1131.2
0.000249
2.90
7.03103
-8.2948
Clo35(n, γ)Clo36
1164.9
0.000251
1.93
7.06039
-8.2879
Clo35(n, γ)Clo36
Clo35(n, γ)Clo36
1601.1
1951.1
0.000193
0.000172
2.35
2.14
7.37844
7.57614
-8.5487
-8.6639
Clo35(n, γ)Clo36
1959.3
0.000172
2.87
7.58034
-8.6639
Clo35(n, γ)Clo36
2676.3
0.000121
3.68
7.89219
-9.0146
Clo35(n, γ)Clo36
2863.8
0.000127
3.36
7.95990
-8.9651
Clo35(n, γ)Clo36
2975.3
0.000123
4.73
7.99810
-8.9972
Clo35(n, γ)Clo36
3061.8
0.000115
2.35
8.02675
-9.0698
Clo35(n, γ)Clo36
4440.4
0.000085
6.45
8.39849
-9.3723
Clo35(n, γ)Clo36
Clo35(n, γ)Clo36
4979.7
5517.2
0.000072
0.000071
2.84
4.98
8.51312
8.61562
-9.5386
-9.5651
Clo35(n, γ)Clo36
5715.2
0.000061
4.12
8.65088
-9.7135
109
Cd
57
Co
133
Ba
137
54
65
60
13
Clo35(n, γ)Clo36
5902.7
0.000063
8.12
8.68316
-9.6733
Clo35(n, γ)Clo36
6619.6
0.000051
2.77
8.79779
-9.8922
Clo35(n, γ)Clo36
6627.8
0.000051
4.36
8.79902
-9.8922
Clo35(n, γ)Clo36
6977.8
0.000051
5.45
8.85048
-9.8778
Clo35(n, γ)Clo36
7413.9
0.000047
2.72
8.91111
-9.9556
Clo35(n, γ)Clo36
7790.3
0.000043
2.57
8.96063
-10.065
Hiệu suất ghi tương đối được xác định theo công thức:
ɛ=
(1.18)
2
Sai số hiệu suất tương đối là:
= √(
)
2
+(
(1.19)
)
-6.9
4
5
6
7
8
-7.4
-7.9
-8.4
Ln e
-8.9
-9.4
-9.9
-10.4
Hình1.8
ln E (keV)
Đường cong hiệu suất ghi toàn dải năng lượng tại khoảng
cách 38.5cm đến đầu dò.
14
9
Đường cong hiệu suất tương đối sau khi chuẩn hóa về đường cong hiệu suất
tuyệt đối chúng ta nhận được đường cong hiệu suất tuyệt đối cho toàn dải năng
lượng từ khoảng 80 keV đến 8000 keV. Kết quả xác định đường cong hiệu suất
được cho ở Hình 1.9.
ln efficiency
-6.700
-7.200
-7.700
-8.200
-8.700
-9.200
-9.700
-10.200
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
Ln (Energy) (keV)
9.000
Hình 1.9. Đường cong hiệu suất tuyệt đối của hệ PGNAA tại khoảng cách 38.5cm.
1.1.8. Độ nhạy của phương pháp PGNAA.
Theo Duffey và các cộng sự [6] độ nhạy tương đối là số đo tương đối của số các bức xạ gamma phát
ra từ nguyên tố tương ứng trong mẫu và được cho bởi công thức sau:
Sn =
0
.
15
(1.20)
Bảng 1.5. Độ nhạy và giới hạn xác định tương đối của các nguyên tố trong phương pháp
PGNAA [7].
Khoảng độ
nhạy Sn
(counts/s/g)
Giới hạn xác
định (mg/g)
3333 – 10000
10
Gd
1000 – 3333
333 -1000
10-4
B, Cd, Sm
Eu
-5
100 – 333
33 – 100
10 – 33
Nguyên tố
Dy, Hg
-3
10
Cl, Hf, Yb
Co, Rh, Ag, In, Nd, Er, Ir
3,3 – 10
Sc, Ti
1,0 – 3,3
V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Y, Au
0,3 – 1,0
10-2
0,10 – 0,22
10
0,03 – 0,10
1
Be, Ge, Br, Sr, Mo, Pb, Sb, I, Ce, Os, Tl, Pd
0,01 – 0,03
10
C, Rb, Zr, Ru
< 0,01
-1
H, Na, Si, S, K, Ga, As, La, Er, Tm, W
N, Mg, Al, P, Ca, Zn, Nb, Te, Cs, Ba, Pr,Tb, Ho,
Lu, Ta, Re, Pt, Th, U
He, Li, F, O, Sn, Bi
Từ Bảng 1.6 ta thấy đối với các nguyên tố nhẹ và có tiết diện bắt nơtron đủ lớn hoặc
rất lớn thì có thể phân tích tốt bằng PGNAA, nhưng lại rất khó hoặc không thể phân
tích bằng INAA.
1.1.9. Xác định hàm lượng bằng phương pháp tương đối.
Mẫu phân tích và mẫu chuẩn đều được chiếu và đo trên cùng một điều kiện thiết bị
và hình học như nhau.
Từ phương trình (1.6) và với cách đặt
N
= (C-C0)tc
là giá trị của diện tích đỉnh quan tâm (với tc : thời gian chiếu = thời gian đo (giây))
16
Khi đó:
m=
.
.
(
.
. .
.
(1.21)
)
ℎ
Công thức (1.21) xác định hàm lượng của nguyên tố quan tâm trong mẫu.
Từ (1.21) ta có hàm lượng của nguyên tố quan tâm trong mẫu phân tích (m) và mẫu
chuẩn (mc) được cho bởi :
mc =
m
=
. . ( . . .
ℎ)
. . (
.
.
.
ℎ)
(1.22)
(1.23)
lập tỷ số (1.22)/(1.23) ta có:
m=
. .
.
.
mc
. . . .
(1.24)
(1.24) là công thức tính hàm lượng bằng phương pháp tương đối trong trường hợp tổng quát. Với phép
phân tích của mẫu và mẫu chuẩn cho cùng 1 nguyên tố, cùng 1 đồng vị và cùng đỉnh năng lượng (cùng độ
nhạy) khi đó (1.24) trở thành:
m=
.
mc
(1.25)
.
1.1.10. Sai số hàm lượng.
Sai số của kết quả phân tích là một tổ hợp sai số được đóng góp từ nhiều
nguồn khác nhau như:
•
Sự khác nhau về hình học và dạng Matrix của mẫu và chuẩn.
•
Sự không đồng đều của thông lượng nơtron.
•
Sự nhiễm bẩn lên mẫu và mẫu chuẩn.
•
Sự hiện diện của các phản ứng phụ (n, p), (n, α), (n, n'), v.v…
Sai số của kết quả phân tích được tính theo công thức sau:
17
( )
∆m = k√∑
Trong đó:
( )
2
2
(1.26)
∆m : Sai số tương đối của kết quả phân tích.
Xi, σ(xi) : các thành phần trong công thức và sai số của chúng.
k : hệ số tin cậy ( k = 1, mức tin cậy 68,2%; k= 2, mức tin cậy 95,4%;
k= 3, mức tin cậy 99,97%).
Trong nghiên cứu này chúng tôi tính hàm lượng bằng phương pháp tương
đối (công thức (1.24)). Do vậy sai số đóng góp vào kết quả phân tích chủ yếu từ sai
số của diện tích đỉnh và sai số hàm lượng chuẩn (do nhà sản xuất cung cấp). Trong
đó sai số diện tích đỉnh là sai số thống kê và tuân theo quy luật Poisson:
∆S=√S
Ta có
S=I–B
(I : Diện tích thực, B : Diện tích phông).
Sai số của S ∆S = √
+
Sai số tương đối % sẽ đượng tính như sau:
σs(%) =
√ +
∆
=
∗ 100%
(1.27)
Từ công thức (1.27) ta thấy, sai số của phép đo lớn khi ta chọn đỉnh phân tích của số
đếm phông lớn.
1.2. Độ nhạy, giới hạn và hàm lượng phân tích của B.
1.2.1. Độ nhạy.
Độ nhạy được định nghĩa như sau:
SE =
(1.28)
.
Trong đó:
SE: độ nhạy của nguyên tố quan tâm (c/s/g).
N : diện tích đỉnh (Đã trừ phông).
G : khối lượng nguyên tố cần xác định độ nhạy (g).
tc : thời gian đo (s).
18
1.2.2. Giới hạn phát hiện.
Giới hạn phát hiện LOD (Limit of Detection) của một nguyên tố đối với một
phương pháp phân tích được định nghĩa là giá trị hàm lượng nhỏ nhất của nguyên tố
cần phân tích có thể xác định được bằng phương pháp đó và được xác định bằng
công thức sau:
LOD =
.
.
. .
.
.
(1.29)
ℎ
Trong đó:
Sb
: độ lệch chuẩn của phổ phông.
Sn
ϕth
: độ nhạy của nguyên tố cần phân tích.
-2 -1
: thông lượng nơtron nhiệt (n.cm .s ).
tc
: thời gian chiếu (s).
G
: khối lượng của nguyên tố cần phân tích (g).
k
: hệ số tin cậy.
Từ công thức ta thấy giới hạn phát hiện tỷ lệ nghịch với thông lượng, hiệu
suất ghi của detector tại đỉnh nguyên tố quan tâm, khối lượng mẫu và thời gian đo.
Vì thế, muốn có giới hạn ghi nhận thấp thì cần thiết phải có chùm nơtron có thông
lượng lớn, độ nhạy và hiệu suất ghi tại đỉnh quan tâm lớn, khối lượng mẫu lớn và
thời gian đo dài.
Xác định số đếm giới hạn bằng thực nghiệm
Ta có công thức:
2
2
CLOD = 0,5(kα+ kβ) + (kα+ kβ)√
(1.30)
Với mức sai số chấp nhận α = β = 5% thì kα = kβ = 1.65 , khi đó (1.17) trở thành:
(1.31)
CLOD = 5,4 + 3,3√2
Với Nb : số điếm phông liên tục dưới vùng đỉnh được xác định bằng thực nghiệm.
[2]
19
Từ giá trị CLOD thu được trong công thức (1.31) ta đưa vào công thức tính
hàm lượng ta sẽ nhận được giá trị LOD của từng nguyên tố trên đối tượng mẫu thực tế nghiên
cứu.
LOD =
(1.32)
Cx
C
LOD
với: - Cx : số đếm diện tích vùng đỉnh quan tâm.
- CLOD : số đếm phông liên tục dưới vùng đỉnh quan tâm .
- mc : hàm lượng của nguyên tố quan tâm trong mẫu chuẩn (μg/g hoặc %).
1.2.3. Hàm lượng.
Hàm lượng nguyên tố cần phân tích được tính dựa vào hệ thức cơ bản sau:
mx =
mc
(1.33)
Trong đó: mc : hàm lượng của nguyên tố quan tâm trong mẫu chuẩn (μg/g hoặc %).
mx : hàm lượng của nguyên tố quan tâm trong mẫu phân tích (μg/g hoặc %).
Sx : độ nhạy của mẫu phân tích (c/s/g).
Sc : độ nhạy của mẫu chuẩn (c/s/g).
1.3. Hệ PGNAA ở một số nước.
Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tích hạt nhân gắn liền với
những thành tựu của vật lý và kỹ thuật hạt nhân hiện đại. Phương pháp PGNAA có
những ưu điểm rất cơ bản như độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nhanh,
mẫu phân tích không bị phá hủy và có thể tiến hành phân tích đồng thời nhiều
nguyên tố. Có thể tự động hóa được toàn bộ quy trình phân tích. Do đó, hệ phân tích
PGNAA luôn được quan tâm nâng cấp nhằm nâng cao độ nhạy và độ chính xác của
hệ đo. Dưới đây là đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA trên thế giới và
trong nước.
20
1.3.1. Trên thế giới.
Một trong những đặc trưng quan trọng nhất của hệ thiết bị PGNAA là độ
nhạy phân tích. Đó là kết quả tổng hợp của các đặc trưng khác như thông lượng
nơtron, tỷ số cadmium, phông gamma của hệ đo, hiệu suất ghi của hệ đo. Bảng 1.2
nêu ra các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA ở một số nước. [4,5,6,7]
Bảng 1.6. Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA.
Hệ phân tích
Đặc điểm
- Nguồn nơtron nhiệt: graphite.
7
-2 -1
- Thông lượng chùm nơtron: 8.2x10 n.cm .s
SNU – KAERI
(Hàn Quốc)
2
- Kích thước chùm: 2x2 cm .
- Tỉ số cadmium R = 266 (đối với Au).
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 2020 c/s/g
- Hệ phổ kế: hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe
- Nguồn nơtron nhiệt dẫn dòng bằng phản xạ gương Ni.
7
-2 -1
- Thông lượng chùm nơtron: 2.4x10 n.cm .s .
2
- Kích thước chùm: 2x2 cm .
- Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết
HPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đỉnh 1332
JEARI
(Nhật Bản)
60
keV của Co.
- Nguồn nơtron lạnh.
8
-2 -1
- Thông lượng chùm nơtron: 1.1x10 n.cm .s .
2
- Kích thước chùm: 2x2 cm .
- Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết
HPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đỉnh 1332
keV
60
NIST
(Mỹ)
của Co.
- Nguồn nơtron nhiệt: Phin lọc (sapphire).
8
-2 -1
- Thông lượng chùm nơtron: 3.0x10 n.cm .s .
- Kích thước chùm: 2 cm hoặc nhỏ hơn.
21
