Nghiên cứu phát triển phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng trên lò phản ứng hạt nhân đà lạt để xác định các hạt nhân sống ngắn

3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

HỒ VĂN DOANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP
PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VỊNG
TRÊN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC HẠT NHÂN SỐNG NGẮN
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Mã số: 9.44.01.06

DỰ THẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học:
GVHD-1: TS. Hồ Mạnh Dũng
GVHD-2: PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền

ĐÀ LẠT - 2020


Lời cam đoan
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi với sự hướng dẫn khoa
học của TS. Hồ Mạnh Dũng và PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền cùng với những ý kiến
đóng góp của các anh/chị và đồng nghiệp đang công tác tại Viện Nghiên cứu hạt
nhân. Các số liệu, kết quả được nêu trong Luận án là trung thực và đã được sự đồng
ý của các đồng tác giả trong các cơng trình khoa học đã cơng bố. Ngồi ra, trong

luận án khơng có sự sao chép, sử dụng bất hợp pháp kết quả, số liệu từ bất kỳ tài
liệu hoặc cơng trình khoa học của các tác giả khác hoặc nhờ người khác làm thay.
Tôi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về các nội dung trình bày trong luận án này.
Đà Lạt, ngày 15 tháng 04 năm 2020
Người cam đoan

Hồ Văn Doanh

ii


Lời cảm ơn
Nhìn lại chặng đường 4 năm thực hiện Luận án, ngồi những nỗ lực của cá nhân,
khơng thể không kể đến sự động viên, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của các Thầy
hướng dẫn và các anh/chị và đồng nghiệp đang công tác tại Viện Nghiên cứu hạt
nhân. Tự đáy lịng mình, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:
TS. Hồ Mạnh Dũng đã định hướng nghiên cứu, tận tình hướng dẫn, cung cấp tài
liệu và truyền đạt những kinh nghiệm nghiên cứu khoa học.
PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm, tận
tình hướng dẫn từ lúc thực hiện Luận văn thạc sĩ cho đến khi tơi hồn thiện Luận án
này.
Ban lãnh đạo Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam; Ban lãnh đạo và các
anh/chị đang công tác tại Trung tâm đào tạo hạt nhân đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi hoàn
thành các thủ tục cần thiết để bảo vệ Luận án này.
Ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu hạt nhân và Trung tâm Lò phản ứng đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tơi thực hiện các thí nghiệm trong Luận án.
Ban giám đốc Trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân, các anh/chị và các đồng
nghiệp đã và đang làm việc tại Viện Nghiên cứu hạt nhân, đặc biệt là phịng thí
nghiệm phân tích kích hoạt neutron, đã tận tình giúp đỡ và động viên tơi trong suốt
thời gian thực hiện Luận án này.

Và cuối cùng, xin cảm ơn sâu sắc đến gia đình và những người thân yêu đã luôn
động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tơi trong q trình học tập và
nghiên cứu.

iii


MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .......................................................................vii
Danh mục các bảng ...................................................................................................xii
Danh mục các hình vẽ và đồ thị .................................................................................. x
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN
TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VỊNG ....................................................... 4
1.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước về phương pháp CNAA ................................. 4
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về phương pháp CNAA ................................. 9
1.3. Phương pháp CNAA theo chuẩn hóa k0 ............................................................ 10
1.4. Thời gian chết và chồng chập xung ................................................................... 12
1.5. Nhận xét chung Chương 1 ................................................................................. 15
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH
HOẠT NEUTRON LẶP VỊNG ........................................................................... 16
2.1. Lý thuyết phương pháp phân tích kích hoạt neutron ........................................ 16
2.2. Phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vịng ........................................... 20
2.2.1. Giới thiệu .................................................................................................. 20
2.2.2. Nguyên lý CNAA...................................................................................... 20
2.2.3. Phương trình kích hoạt lặp vịng ............................................................... 21
2.2.4. Thơng số thời gian trong kích hoạt lặp vịng ............................................ 22
2.3. Phương pháp CNAA theo chuẩn hóa k0 ............................................................ 25
2.3.1. Phương trình cơ bản k0-CNAA ................................................................ 25
2.3.2. Hiệu chính sự thay đổi thơng lượng neutron trong k0-CNAA ................. 26

2.3.3. Ước lượng độ không đảm bảo đo của phương pháp ................................. 28
2.3.4. Giới hạn phát hiện ..................................................................................... 29
2.4. Thời gian chết và chồng chập xung ................................................................... 30
2.4.1. Thời gian chết ........................................................................................... 30
2.4.2. Chồng chập xung ...................................................................................... 32

iv


2.4.3. Phương pháp đề xuất cho hiệu chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết ........ 32
2.5. Hiệu chuẩn hiệu suất và xác định thông số phổ neutron .................................... 34
2.5.1. Thông số phổ neutron tại vị trí chiếu mẫu ................................................ 34
2.5.2. Hiệu chuẩn hiệu suất cho k0-CNAA ........................................................ 35
2.6. Nhận xét chung Chương 2 …………………………………………………….37
Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT
NEUTRON LẶP VỊNG TRÊN LPƯĐL .............................................................. 38

3.1. Hệ kích hoạt lặp vịng ........................................................................................ 38
3.1.1. Cấu tạo của hệ kích hoạt lặp vịng ............................................................ 38
3.1.2. Ngun lý hoạt động của hệ ...................................................................... 40
3.2. Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma …………………………………………………43
3.2.1. Hệ phổ kế gamma ………………………………….……………………43
3.2.2. Hiệu chuẩn hiệu suất của đầu dị theo hình học mẫu đo ........................... 45
3.3. Xác định các thông số phổ neutron …………………………………………….47
3.4. Hiệu chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết........................................................... 51
3.5. Phần mềm k0-IAEA cho k0-CNAA .................................................................. 49
3.6. Thực nghiệm kiểm chứng hệ CNAA trên LPƯĐL ............................................ 51
3.6.1. Chuẩn bị mẫu cho kích hoạt lặp vòng ....................................................... 51
3.6.2. Chiếu và đo mẫu bằng hệ kích hoạt lặp vịng ........................................... 53
3.6.3. Xử lý số liệu CNAA theo chuẩn k0 bằng phần mềm k0-IAEA ............... 56

3.7. Nhận xét chung Chương 3 …………………………………………………….57
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 58
4.1. Kết quả phát triển phương pháp k0-CNAA trên LPƯĐL .................................. 58
4.1.1. Kết quả đánh giá phương pháp k0-CNAA dùng mẫu chuẩn SMELS I .... 58
4.1.2. Kết quả đánh giá phương pháp k0-CNAA dùng mẫu chuẩn sinh học...... 61
4.1.3. Kết quả ước tính độ khơng đảm bảo đo của phương pháp k0-CNAA...... 64
4.1.3.1. Thời gian chiếu mẫu .......................................................................... 64
4.1.3.2. Thông số phổ và biến đổi thông lượng neutron ................................ 66
4.1.3.3. Hiệu suất của hệ phổ kế ……………………………………………69

v


4.1.3.4. Ước lượng độ không đảm bảo đo của phương pháp k0-CNAA ....... 71
4.2. Kết quả hiệu chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết cao ....................................... 73
4.2.1. Kết quả hiệu chính mất số đếm do chồng chập xung ............................... 73
4.2.2. Kết quả đánh giá k0-CNAA ở thời gian chết cao ..................................... 73
4.3. Kết quả xác định nguyên tố Selen trong mẫu sinh học thơng qua hạt nhân 77mSe
bằng kích hoạt lặp vòng ............................................................................................ 79
4.4. Nhận xét chung Chương 4……………………………………………………..86
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 87
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN ................................................................................................................. 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 91

vi


Danh mục các ký hiệu
Kí hiệu

σ0
σ̅r
I0
I0(α)
k0
φth
φe
φf
N0
N1

R
T1/2
ti
td
tc
tw
T
Texp
Np
Npc
B
Fc
FI
N
γ
ε
S
D
C

Gth
Ge
W
w

NA
M

Chú thích
Tiết diện bắt neutron nhiệt tại vận tốc 2200 m.s-1
Tiết diện hiệu dụng của lá dò đối với phổ neutron phân hạch 235 U
Tiết diện tích phân cộng hưởng
Tiết diện tích phân cộng hưởng cho phổ neutron trên nhiệt dạng phân bố
1/E1+α
Hệ số k-zero
Thông lượng neutron nhiệt
Thông lượng neutron trên nhiệt
Thông lượng neutron nhanh
Số hạt nhân bền trong mẫu
Số hạt nhân bị kích hoạt trong mẫu
Hằng số phân rã
Tốc độ phản ứng
Chu kỳ bán rã của hạt nhân
Thời gian kích hoạt mẫu
Thời gian phân rã
Thời gian đo mẫu
Thời gian đợi từ lúc kết thúc đo đến lúc bắt đầu chiếu lại
Chu kỳ của một vòng lặp (T = ti + td + tc + tw)
Tổng thời gian thí nghiệm
Số đếm đỉnh tại năng lượng quan tâm

Số đếm tích lũy của n vịng lặp
Số đếm phơng
Hệ số hiệu chính số đếm tích lũy
Hệ số hiệu chính sự biến thiên thơng lượng
Số vịng lặp
Xác suất phát của tia gamma
Hiệu suất ghi của đầu dò
Hệ số bão hịa trong khi chiếu
Hệ số hiệu chính sự phân rã
Hệ số hiệu chính sự phân rã trong khi đo
Hệ số hiệu chính tự che chắn neutron nhiệt
Hệ số hiệu chính tự che chắn neutron trên nhiệt
Khối lượng của mẫu
Khối lượng của nguyên tố quan tâm trong mẫu
Hàm lượng của nguyên tố quan tâm
Hằng số Avogadro
Khối lượng nguyên tử
P

P

vii




Tn
A0
Asp
Asp,s

Asp,m
Q0
Q0(α)
𝐸̅𝑟𝛼
ce
ex

𝜌̅

Độ phổ biến hay độ giàu hạt nhân
Hệ số biểu diễn độ lệch phân bố phổ neutron trên nhiệt khỏi quy luật 1/E
Nhiệt độ neutron
Hoạt độ tạo thành tại thời điểm kết thúc chiếu
Hoạt độ riêng của hạt nhân quan tâm
Hoạt độ riêng của hạt nhân quan tâm trong mẫu
Hoạt độ riêng của hạt nhân quan tâm trong lá dò
Tỉ số tích phân cộng hưởng trên tiết diện ở vận tốc 2200 m/s
Tỉ số tích phân cộng hưởng trên tiết diện đối với phổ neutron trên nhiệt
phân bố dạng 1/E1+α
Năng lượng cộng hưởng hiệu dụng
Hàm lượng chứng nhận
Hàm lượng thực nghiệm
Sai số
Hàm lượng trung bình

viii


Danh mục các chữ viết tắt
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AAS

Phương pháp phổ hấp thụ ngun
tử
Phân tích kích hoạt neutron lặp
vịng
Hệ phổ kế gamma xử lý tín hiệu
bằng kỹ thuật số
Thời gian chết
Vật liệu nhựa mật độ cao
Gecmani siêu tinh khiết
Cơ quan Năng lượng nguyên tử
quốc tế
Quang phổ nguồn plasma cảm ứng
cao tần kết nối khối phổ
Phân tích kích hoạt neutron theo
phương pháp k-zero
Phân tích kích hoạt neutron lặp
vịng theo phương pháp k-zero
Phần mềm Ko-DALAT
Phần mềm k0-IAEA
Không bị mất số đếm trong khi đo
Đồng hồ đo thời gian sống
Giới hạn phát hiện
Lị phản ứng nghiên cứu Đà Lạt

Phân tích kích hoạt neutron
Viện quốc gia về chuẩn và cơng
nghệ
Phân tích kích hoạt neutron giả lặp
vịng
Hệ chuyển mẫu bằng khí nén
Phương pháp chiếu mẫu lặp

TC
XRF

Atomic Absorption
Spectrometric
Cyclic Neutron Activation
Analysis
Digital Signal Processingbased gamma-ray spectrometer
Dead-Time
High Density Polyethylene
High Purity Germanium
International Atomic
Energy Agency
Inductively Coupled Plasma
Mass Spectrometry
Neutron Activation Analysis
based k-zero method
Cyclic Neutron Activation
Analysis based k-zero method
K0-DALAT Software
k0-IAEA Software
Loss-Free-Counting

Live-Time-Clock
Limit of Detection
Dalat Research Reactor
Neutron Activation Analysis
National Institute of Standards
and Technology
Pseudo-Cyclic Neutron
Activation Analysis
Pneumatic Transfer System
Replicate Neutron Activation
Analysis
Thermal Column
X-Ray Fluorescence

ZDT

Zero-Dead-Time

CNAA
DSPEC Pro
DT
HDPE
HPGe
IAEA
ICP-MS
k0-NAA
k0-CNAA
K0-DALAT
k0-IAEA
LFC

LTC
LOD
LPƯĐL
NAA
NIST
PCNAA
PTS
Re-NAA

Cột nhiệt của lị phản ứng
Phương pháp phân tích huỳnh
quang tia X
Thời gian chết bằng không

ix


Danh mục các bảng
Bảng 1.1: Số liệu hạt nhân của một số nguyên tố được xác định bằng CNAA thông
qua các hạt nhân sống ngắn ........................................................................................ 4
Bảng 1.2: Phân loại CNAA và các nguyên tố được xác định bằng CNAA ................ 6
Bảng 1.3: Số liệu hạt nhân của nguyên tố Selen và ảnh hưởng nhiễu lên Selen trong
NAA ….. ..................................................................................................................... 7
Bảng 1.4: Số liệu hạt nhân của nguyên tố Flo ............................................................ 7
Bảng 1.5: Số liệu hạt nhân đối với kích hoạt neutron cho Ag .................................... 8
Bảng 2.1: Truyền sai số của một số hàm phổ biến ................................................... 28
Bảng 2.2: Các phản ứng và các tia gamma dùng để tính tốn các thông số phổ ...... 34
Bảng 3.1: Các thông số đặc trưng của hệ kích hoạt lặp vịng ................................... 42
Bảng 3.2: Thời gian chiếu, rã và đo cho các lá dò .................................................... 47
Bảng 3.3: Số hạt nhân của các nguồn chuẩn ............................................................ 46

Bảng 3.4: Thơng tin của các lá dị dùng trong thực nghiệm ..................................... 48
Bảng 3.5: Khai báo các thơng số của mẫu cho chương trình k0-IAEA .................... 50
Bảng 3.6: Kích thước của lọ đựng mẫu .................................................................... 51
Bảng 3.7: Kích thước của nắp lọ đựng mẫu .............................................................. 52
Bảng 3.8: Chuẩn bị mẫu SMELS I chiếu ở Cột nhiệt ............................................... 52
Bảng 3.9: Chuẩn bị mẫu chuẩn NIST-1566b chiếu ở Kênh 13-2 ............................. 52
Bảng 3.10: Chuẩn bị mẫu chuẩn NIST-2711A chiếu ở Cột nhiệt ............................ 53
Bảng 3.11: Thông số phổ neutron tại vị trí chiếu mẫu trên hệ lặp vịng ................... 53
Bảng 3.12: Điều kiện chiếu và đo mẫu SMELS I Cột nhiệt ..................................... 53
Bảng 3.13: Thông số thời gian của mẫu SMELS I ................................................... 54
Bảng 3.14: Điều kiện chiếu và đo mẫu chuẩn NIST-1566b chiếu ở Kênh 13-2 ...... 54
Bảng 3.15: Thông số thời gian của mẫu chuẩn NIST-1566b.................................... 54
Bảng 3.16: Điều kiện chiếu và đo mẫu chuẩn NIST-2711a chiếu ở Cột nhiệt ......... 54
Bảng 3.17: Thông số thời gian của mẫu chuẩn NIST-2711a .................................... 55
Bảng 4.1: Kết quả hàm lượng thực nghiệm (mg/kg) của một số nguyên tố trong mẫu
SMELS I được xác định bằng k0-CNAA ứng với 9 vòng lặp .................................. 59
x


Bảng 4.2: Tỉ số ex / ce của mẫu SMELS I .............................................................. 60
Bảng 4.3: Kết quả hàm lượng thực nghiệm của một số nguyên tố trong mẫu chuẩn
NIST-1566b tại kênh 13-2 bằng k0-CNAA .............................................................. 62
Bảng 4.4: Kết quả hàm lượng thực nghiệm (mg/kg) của một số nguyên tố trong mẫu
chuẩn NIST-1566b ứng với N=5 .............................................................................. 62
Bảng 4.5: Kết quả thông số phổ neutron tại vị trí chiếu mẫu ở Kênh 13-2 .............. 66
Bảng 4.6: Kết quả thông số phổ neutron tại vị trí chiếu mẫu ở Cột nhiệt ................ 67
Bảng 4.7: Giá trị hiệu suất thực nghiệm và sai số của nó đối với nguồn điểm tại
khoảng cách 50 mm, 100 mm, 150 mm và 180 mm ................................................. 69
Bảng 4.8: Các hệ số làm khớp đường cong hiệu suất khi có buồng đo .................... 70
Bảng 4.9: Tỉ lệ suy giảm hiệu suất khi đo mẫu có và khơng có buồng đo ............... 70

Bảng 4.10: Số liệu hạt nhân và thông số thực nghiệm của mẫu chuẩn NIST-2711a 71
Bảng 4.11: Kết quả tính tốn hoạt độ riêng và sai số của nó đối với một số hạt nhân
trong mẫu chuẩn NIST-2711a ................................................................................... 72
Bảng 4.12: Số liệu dùng cho phương pháp k0 đối với những hạt nhân trong mẫu chuẩn
NIST-2711a ............................................................................................................... 72
Bảng 4.13: Ước tính độ khơng đảm bảo đo của phương pháp k0-CNAA ................ 73
Bảng 4.14: Kết quả xác định giá trị DT0 của hệ GMX-4076 .................................... 73
Bảng 4.15: Kết quả tính tốn hệ số a cho hiệu chính chồng chập xung ................... 74
Bảng 4.16: Hệ số hiệu chính mất số đếm của mẫu chuẩn NIST-2711a.................... 77
Bảng 4.17: Kết quả hàm lượng thực nghiệm của một số nguyên tố trong mẫu chuẩn
NIST-2711a ở vịng lặp thứ 4 đã hiệu chính thời gian chết ...................................... 77
Bảng 4.18: Phân tích Selen trong mẫu chuẩn sinh học bằng NAA sử dụng 77mSe và
75

Se

............................................................................................................... 82

Bảng 4.19: Kết quả hàm lượng thực nghiệm (mg/kg) của nguyên tố Selen theo số
vòng lặp trong một số mẫu chuẩn bằng kích hoạt lặp vịng ..................................... 85

xi


Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Hình 2.1: Nguyên lý của phân tích kích hoạt lặp vịng ............................................. 20
Hình 2.2: Sự thay đổi tỉ số tín hiệu trên nhiễu theo thời gian thí nghiệm tổng (nT)
trong trường hợp T = 2T1/2, ti = tc = T1/2, td = tw = 0 ................................................. 24
Hình 2.3: Giới hạn phát hiện của CNAA đối với Se trong mẫu tóc ......................... 24
Hình 2.4: Sự phụ thuộc của tốc độ đếm đỉnh vào thời gian chết của phổ. ............... 33

Hình 3.1: Sơ đồ minh họa hệ kích hoạt lặp vịng ...................................................... 39
Hình 3.2: Hình học và kích thước của ống chiếu và lọ đựng mẫu ............................ 40
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ CNAA ................................................ 41
Hình 3.4: Hệ phổ kế gamma sử dụng detector GMX-4076 ...................................... 44
Hình 3.5: Đầu dị GMX-4076 và buồng đo .............................................................. 44
Hình 3.6: Hình học và kích thước của nguồn chuẩn dạng điểm ............................... 45
Hình 3.7: Hình học của lọ đựng mẫu ........................................................................ 51
Hình 3.8: Hình học của nắp lọ đựng mẫu ................................................................. 52
Hình 3.9: Phổ tích lũy của mẫu chuẩn NIST-1566b ứng với 5 vòng lặp.................. 55
Hình 3.10: Cấu trúc khai báo các thơng số thực nghiệm CNAA cho k0-IAEA ....... 56
Hình 4.1: Tỉ số ex / ce của một số nguyên tố trong mẫu SMELS I ....................... 60
Hình 4.2: Tỉ số ex / ce của một số nguyên tố trong mẫu SMELS ứng với N=7 ..... 61
Hình 4.3: Tỉ số ex / ce và sai số của một số nguyên tố trong mẫu chuẩn NIST-1566b
ứng với N=5 .............................................................................................................. 63
Hình 4.4: Hoạt độ riêng của 28Al ứng với thời gian chiếu ở Kênh 13-2 ................... 65
Hình 4.5: Hoạt độ riêng của 28Al ứng với thời gian chiếu ở Cột Nhiệt .................... 65
Hình 4.6: Sự thay đổi hoạt độ riêng của nhôm theo thời điểm chiếu ....................... 68
Hình 4.7: Đường cong hiệu suất khi có và khơng có buồng đo. ............................... 71
Hình 4.8: Tốc độ đếm tương đối của đỉnh 142,5 keV của 46mSc trước và sau khi hiệu
chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết .......................................................................... 75
Hình 4.9: Tốc độ đếm tương đối của đỉnh 411,8 keV của 198Au trước và sau khi hiệu
chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết .......................................................................... 75

xii


Hình 4.10: Tốc độ đếm tương đối của đỉnh 661,7 keV của 137Cs trước và sau trước và
sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết ...................................................... 76
Hình 4.11: Tỉ số ex / ce của một số nguyên tố trong mẫu chuẩn NIST-2711a và sai
số của chúng ............................................................................................................. 78

Hình 4.12: Phổ gamma tại đỉnh 161,9 keV của 77mSe trong mẫu chuẩn NIST-1566b
tích lũy theo các vịng lặp.......................................................................................... 80
Hình 4.13: Kết quả khảo sát thời gian chiếu tối ưu để xác định Selen ..................... 81
Hình 4.14: Phổ tích lũy tại đỉnh 161,9 keV của 77mSe trong mẫu NIST-1598a ........ 83
Hình 4.15: Giới hạn phát hiện của Selen trong mẫu chuẩn IAEA-436 bằng việc kết
hợp phổ của hai phương pháp Re-NAA và PCNAA ................................................ 84

xiii


MỞ ĐẦU
Phân tích kích hoạt neutron đã được cơng nhận là một kỹ thuật phân tích rất
hiệu quả trong việc xác định thành phần nguyên tố trong mẫu. Với độ nhạy cao và độ
chính xác tốt, cũng như khả năng xác định đồng thời đa nguyên tố và phân tích không
hủy mẫu, những ưu điểm nêu trên đã làm cho kỹ thuật phân tích này được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như sinh học, môi trường, địa chất, công
nghiệp, khảo cổ, điều tra pháp lý, v.v.. Trong phân tích kích hoạt neutron, có nhiều
loại nguồn neutron khác nhau được sử dụng (lò phản ứng, máy gia tốc, máy phát
neutron và nguồn đồng vị), trong đó phân tích kích hoạt neutron (NAA) trên lị phản
ứng nghiên cứu được sử dụng phổ biến nhất, cho độ nhạy phân tích cao nhất do thơng
lượng neutron cao và cho phép xác định khoảng 70 nguyên tố trong bảng hệ thống
tuần hoàn [1]. Tuy nhiên, nhiều nguyên tố cần thời gian phân tích khá dài vì chúng
được xác định dựa vào các hạt nhân có chu kỳ bán hủy dài (hay còn gọi là hạt nhân
sống dài), chẳng hạn như 75Se (T1/2 = 120 ngày), 46Sc (T1/2 = 84 ngày), 181Hf (T1/2 =
42 ngày) và

110m

Ag (T1/2 = 250 ngày) ... Để đạt được độ nhạy yêu cầu thì tổng thời

gian chiếu – rã – đo có thể từ vài ngày đến vài tuần. Điều này làm giảm tính cạnh
tranh của NAA so với các kỹ thuật phân tích khác. Với các hạt nhân có chu kỳ bán
hủy ngắn (hay cịn gọi là hạt nhân sống ngắn) như

77m

(T1/2 = 18,75 giây), 179mHf (T1/2 = 18,68 giây) và

Ag (T1/2 = 24,60 giây) của cùng

110

Se (T1/2 = 17,45 giây),

46m

Sc

một nguyên tố với các hạt nhân sống dài, có thể giảm đáng kể thời gian phân tích, do
đó có thể tăng số lượng mẫu đo được trong cùng thời gian. Vì vậy, nếu khai thác sử
dụng các hạt nhân sống ngắn trong kỹ thuật NAA sẽ mang lại hiệu quả và tăng tính
cạnh tranh so với các kỹ thuật phân tích khác. Hơn nữa, nhiều nguyên tố có thể được
xác định bằng kỹ thuật NAA thông qua chỉ một hạt nhân sống ngắn duy nhất như 20F
(T1/2 = 11,03 giây), 19O (T1/2 = 26,9 giây), 207mPb (T1/2 = 0,8 giây), 28Al (T1/2 = 2,24
phút), 52V (T1/2 = 3,75 phút), 51Ti (T1/2 = 5,76 phút), v.v.. Điều này mở rộng khả năng
phân tích so với việc sử dụng hạt nhân sống dài trong kỹ thuật NAA. Do đó, sử dụng
NAA để phân tích các ngun tố thông qua các hạt nhân sống ngắn ngày càng thu hút
được nhiều sự chú ý [2]. Tuy nhiên, một số vấn đề khi sử dụng hạt nhân sống ngắn
1

trong kỹ thuật NAA là thời gian chiếu và thời gian đo bị hạn chế dẫn đến thống kê
đếm cũng như độ chính xác của phép đo khơng đạt u cầu đối với hầu hết các đối
tượng mẫu quan tâm. Vấn đề này có thể được cải thiện nhờ áp dụng phương pháp
phân tích kích hoạt neutron lặp vịng (CNAA). Trong CNAA, mẫu được chiếu và đo
lặp lại nhiều lần để tích lũy số đếm thống kê trong phổ gamma, từ đó cải thiện giới
hạn phát hiện nguyên tố cần xác định trong mẫu.
Phân tích kích hoạt neutron lặp vịng (hay cịn gọi tắt là kích hoạt lặp vịng CNAA) được xem là một phương pháp bổ sung cho kỹ thuật NAA dùng để xác định
nguyên tố thông qua hạt nhân sống ngắn. Khoảng hơn 20 nguyên tố có các hạt nhân
sống ngắn được xác định bằng CNAA được liệt kê trong Bảng 1.1 [3]. Từ năm 1960,
phương pháp này đã được đề xuất [4, 5], sau đó phát triển nhanh chóng vào thập niên
80 [6-8]. Từ đó đến nay, phương pháp CNAA được áp dụng rộng rãi bởi có nhiều ưu
điểm như sau:
(1) Thời gian phân tích nhanh nhờ sử dụng các hạt nhân sống ngắn. Qui trình
chuẩn bị mẫu đơn giản, mẫu được chiếu ngắn và đo nhanh (tổng thời gian chiếu, rã
và đo chỉ khoảng 1 ÷ 2 chu kỳ của hạt nhân sống ngắn mà ta quan tâm) và chỉ lặp lại
một số vịng lặp. Vì thế kết quả phân tích có thể được gửi trả cho khách hàng trong
cùng ngày nhận mẫu.
(2) Cải thiện đáng kể giới hạn phát hiện và độ chính xác của phép phân tích nhờ
kích hoạt lặp vịng để cải thiện số đếm thống kê của hạt nhân quan tâm và giảm thiểu
sự ảnh hưởng từ những hạt nhân sống dài bởi thời gian của mỗi phép chiếu lặp vòng
là rất ngắn.
(3) Cho phép xác định đa nguyên tố thông qua các hạt nhân sống ngắn và trung
bình. Đặc biệt, đối với kích hoạt lặp vịng sử dụng nguồn neutron từ lò phản ứng
(LPƯ) nghiên cứu, thời gian chiếu – đo chỉ trong vài giây và chỉ cần vài vòng lặp là
có thể xác định được các hạt nhân có chu kỳ bán rã (T1/2) từ 10 giây đến vài phút (20F,
77m

Se, 46mSc, 110Ag, 179mHf, 165mDy, 28Al, 51Ti, 52V, 49Ca, 66Cu, v.v..).
(4) Cho phép đánh giá được độ đồng nhất của mẫu bằng cách chia mẫu để phân

tích nhiều phần khác nhau với nhiều vòng lặp đơn lẻ [9, 10]. Hơn nữa, việc chiếu và

2


đo lặp lại nhiều lần sẽ tránh được sai số ngẫu nhiên.
Tuy nhiên, phương pháp CNAA cũng có những nhược điểm như:
(1) Qui trình thực nghiệm khá phức tạp bởi chiếu - đo lặp lại nhiều lần cho cả
mẫu cần phân tích và mẫu chuẩn để áp dụng phương pháp tương đối nhằm tính tốn
hàm lượng ngun tố quan tâm.
(2) Trong CNAA để xác định các hạt nhân sống ngắn, việc thực hiện phép đo
ngay sau khi chiếu cũng như chiếu và đo lặp lại nhiều lần dẫn đến thời gian chết rất
cao, thường lớn hơn 20%. Điều này dẫn đến sai số lớn trong việc xác định số đếm
đỉnh của hạt nhân quan tâm.
Vì vậy, trong luận án của tác giả, phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp
vịng dựa vào chuẩn hóa k0 (k0-CNAA) đã được nghiên cứu phát triển cùng với một
số hiệu chính để khắc phục các nhược điểm nêu trên nhằm xác định một số hạt nhân
sống ngắn như: 77mSe, 110Ag, 179mHf, 46mSc, 165mDy, v.v… Lần đầu tiên phương pháp
k0-CNAA được phát triển và áp dụng thành cơng tại Việt Nam. Đó là điểm mới của
Luận án.
Tất cả các thí nghiệm trong luận án này được thực hiện trên hệ kích hoạt lặp
vịng tại Lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt (LPƯĐL) khi vận hành tại mức công suất danh
định 500 kW. Phần mềm k0-IAEA sau khi nâng cấp bởi Dr. Menno Blaauw cho k0CNAA đã được nghiên cứu và áp dụng lần đầu tiên tại LPƯĐL để xử lý phổ tích lũy
trong phương pháp CNAA. Đây cũng là điểm mới của Luận án. Ngoài ra, hệ kích
hoạt lặp vịng đã được nâng cấp thơng qua Đề tài cấp Bộ giai đoạn 2015 – 2016, nên
một số hiệu chính liên quan đến phương pháp k0-CNAA cũng được thực hiện trong
nghiên cứu này.
Qua kết quả nghiên cứu của luận án, phương pháp phân tích kích hoạt neutron
lặp vịng dựa trên chuẩn hóa k0 (k0-CNAA) đã được phát triển và ứng dụng tại Lò

phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Phương pháp k0-CNAA cho kết quả nhanh, tin cậy và có
độ nhạy cao cho phép xác định các ngun tố vi lượng có tính chất chỉ thị dùng trong
nghiên cứu y – sinh học và môi trường.

3


Chương 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG
PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VỊNG
Chương này trình bày tóm lược về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của phương
pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vịng (CNAA) ở trong và ngồi nước để giải
quyết những khó khăn trong việc phân tích các hạt nhân có thời gian sống ngắn mà
kỹ thuật phân tích kích hoạt (NAA) truyền thống khơng giải quyết được. Bên cạnh
đó, phương pháp CNAA theo chuẩn hóa k0 cùng với phần mềm k0-IAEA cũng được
giới thiệu. Ngoài ra, hiệu ứng chồng chập xung và thời gian chết cao cũng được trình
bày trong chương này bởi chúng là một trong những nguồn gây ra sai số chính trong
phương pháp CNAA.
1.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước về phương pháp CNAA
Nhu cầu về các kỹ thuật phân tích nhanh, tin cậy cùng với yêu cầu độ nhạy cao
để xác định các nguyên tố vi lượng và khả năng phân tích đa nguyên tố, đặc biệt liên
quan đến các chương trình quan trắc và nghiên cứu mơi trường (cần phân tích một số
lượng lớn mẫu) đã thúc đẩy sự phát triển của phương pháp kích hoạt lặp vịng. Ngoài
sự cạnh tranh về yếu tố thương mại so với các kỹ thuật phân tích khác, một lý do khác
mà phương pháp CNAA ngày càng nhận được nhiều mối quan tâm là do một số hạt
nhân sống ngắn là đối tượng nghiên cứu chỉ thị liên quan đến các vấn đề về môi
trường và y sinh [6].
Bảng 1.1: Số liệu hạt nhân của một số nguyên tố được xác định bằng CNAA thông
qua các hạt nhân sống ngắn [3,4]
TT Ng.
tố

1
O
2
F
3
Sc
4
Ge
5
Se
6
Rb
7
Rh
8
Pd

Phản ứng
hạt nhân
18
O(n,γ)19O
19
F(n,γ)20F
46
Sc(n,γ)46mSc
74
Ge(n,γ)75mGe
76
Se(n,γ)77mSe
85

Rb(n,γ)86mRb
103
Rh(n,γ)104Rh
106
Pd(n,γ)107mPd

Hạt
nhân
19
O
20
F
46m
Sc
75m
Ge
77m
Se
86m
Rb
104
Rh
107m
Pd

,
%
0,002
1,00
1,00

0,365
0,090
0,722
1,00
0,273

T1/2,
giây
26,9
11,02
18,75
48
17,45
61,2
42,3
20,9

 0,
barn
0,00016
0,0095
9,6
0,143
21
0,05
134
0,013

I0 ,
barn

0,00081
0,039
-0,35
16
1275
112
1,16

Eγ,
keV
197,14
1633,60
142,53
139,6
161,93
556,17
555,8
214,9

4


9
10
11
12
13
14
15
16

17
18
19
20

Ag
In
Sb
Ce
Dy
Er
Yb
Pt
Hf
Ir
W
Pb

109

Ag(n,γ)110Ag
115
In(n,γ) 116mIn
123
Sb(n,γ)124mSb
138
Ce(n,γ)139mGe
164
Dy(n,γ)165mDy
166

Er(n,γ)167mEr
176
Yb(n,γ)177mYb
198
Pt(n,γ)199mPt
178
Hf(n,γ)179mHf
191
Ir(n,γ)192mIr
182
W(n,γ)183mW
206
Pb(n,γ)207mPb

110

Ag
In
124m
Sb
139m
Ce
165m
Dy
167m
Er
177m
Yb
199m
Pt

179m
Hf
192m
Ir
183m
W
207m
Pb
116m

0,482
0,957
0,427
0,0025
0,282
0,336
0,127
0,072
0,273
0,373
0,265
0,241

24,6
14,1
93,0
56,4
75,6
2,27
6,41

13,6
18,68
87
5,65
0,80

89
87
0,035
0,15
1698
15
3,8
0,3
53
300
20
0,03

0,2
-0,93
2
425
10
--1039
1060
600
0,1

657,76

1293,6
645,86
757,0
515,5
207,8
104
319
216
58
107,9
570

Nguồn gốc của phương pháp kích hoạt lặp vịng không được biết rõ ràng. Tuy
nhiên, một vài báo cáo đầu tiên đã đề cập rằng mẫu được luân chuyển giữa nguồn
chiếu và đầu dị để tăng tỉ số “tín hiệu trên nhiễu” đối với một số hạt nhân quan tâm,
đã được thực hiện bởi Anders [4, 5] vào các năm 1960 và 1961. Mặc dù không đề cập
đến thuật ngữ “lặp vòng” nhưng mẫu đã được chiếu lặp lại bởi nguồn neutron từ bia
Berylli của máy gia tốc Van-de-Graaff 2 MeV và được đo trên đầu dò NaI(Tl) sử
dụng hệ chuyển mẫu nhanh. Mỗi mẫu sau một lần chiếu được đo hai lần liên tục trong
khoảng thời gian bằng nhau, phổ thu được đem trừ lẫn nhau (phổ đo trước trừ phổ đo
sau). “Sự khác biệt” giữa hai phổ này cho thấy sự hiện diện của các hạt nhân có chu
kỳ bán hủy rất ngắn. Vì vậy, phương pháp này có khả năng xác định được một số
nguyên tố: O, F, Na, Sc, Ge, Se, Br, Y, Rb, Rh, Ag, Er, Hf, W, Yb, Ir và Au. Sau đó,
Givens [11] và cộng sự, năm 1968 và 1970 , đã đo được nhiều hạt nhân hơn như 16N
(7,14 giây) và 24mNa (20 mili giây) bởi thiết lập hệ thống sao cho mẫu cố định đối với
cả nguồn chiếu và đầu dò. Tani và cộng sự [12], năm 1969 ở Nhật Bản, sử dụng cấu
hình thí nghiệm tương tự đã quan sát được phổ từ 205mPb (4 mili giây) và 207mPb (800
mili giây). Để đạt được độ nhạy yêu cầu, Spyrou và Ozek [13] lần đầu tiên đã sử dụng
lò phản ứng như là một nguồn neutron cho CNAA và đã công bố kết quả đo 207mPb
(800 mili giây) trong mẫu mơi trường. Từ đó, nhiều thiết bị dùng cho CNAA đã được

nghiên cứu thiết kế và lắp đặt như ở Anh, Mỹ, Hàn Quốc và Áo [14-16], phương pháp
luận và hàng loạt các nghiên cứu ứng dụng đã được thực hiện [17-19].

5


Trong tất cả các loại kích hoạt lặp vịng, hầu hết các nghiên cứu được thực hiện
kích hoạt lặp vịng bằng neutron (CNAA). Dựa vào nguồn neutron được sử dụng,
CNAA có thể phân loại theo các dạng khác nhau như CNAA dùng lò phản ứng, máy
gia tốc, máy phát, và nguồn đồng vị. Dựa vào năng lượng của neutron, CNAA có thể
phân loại theo neutron nhiệt, trên nhiệt và neutron nhanh; dựa vào bức xạ phát ra từ
hạt nhân phóng xạ, có thể phân loại theo tia gamma và neutron trễ. Bảng 1.2 cho thấy
các nguyên tố có thể xác định bằng các loại CNAA khác nhau.
Bảng 1.2: Phân loại CNAA và các nguyên tố được xác định bằng CNAA
Neutron

Nguồn neutron

Bức xạ được đo

Nhiệt

LPƯ, máy gia tốc

Tia gamma

Nhiệt
Trên nhiệt

LPƯ

LPƯ

Neutron trễ
Tia gamma

Nhanh

LPƯ, máy gia tốc,
nguồn đồng vị,
máy phát neutron

Tia gamma

Nguyên tố
O, F, Sc, Ge, Se, Rb, In, Rh,
Pd, Ag, Sb, Dy, Hf, Ce, Er,
Yb, Ir, W, Pb, U
U, Th
O, F, Ge, Rh, Ag, Ce, Er, Hf,
Pt, Ir
B, O, F, S, Cl, Si, Na, Mg, Ti,
Ge, As, Se, Br, Rb, Y, In, Ba,
Ce, Hf, Nd, Sm, Er, Tb, W,
Au, Pb

Một vài ứng dụng phổ biến của phương pháp CNAA
Selen được biết như là một nguyên tố vi lượng thiết yếu trong mẫu sinh học.
Hàm lượng của Selen trong các mô sinh học bình thường khoảng <1,0 mg/kg, điều
này cũng đồng nghĩa là cần một kỹ thuật phân tích có độ nhạy cao để định lượng nó.
NAA là một kỹ thuật rất nhạy để xác định nguyên tố Selen. Trong hầu hết các trường

hợp, phép phân tích được thực hiện bằng phép đo 75Se (T1/2 = 120 ngày), do đó cần
thời gian phân tích khá dài. Sử dụng hạt nhân sống ngắn

77m

Se (T1/2 = 17,4 giây) có

thể giảm đáng kể thời gian và chi phí phân tích. Ngồi ra, giới hạn phát hiện và độ
chính xác phân tích có thể được cải thiện bằng kích hoạt lặp vịng. Trong vài năm
qua, hàng loạt các áp dụng CNAA để xác định Selen trong nhiều loại mẫu như mô
động vật và mô người, dịch cơ thể, thực phẩm trong chế độ ăn uống hàng ngày [10,
17, 20-26]

6


Bảng 1.3: Số liệu hạt nhân của nguyên tố Selen và ảnh hưởng
nhiễu lên Selen trong NAA [21]
Số liệu hạt nhân của Selen
Hạt nhân bền,
σth (b)*;
Hạt nhân;
Iepi (b)*
(T1/2)
(% )
74
75
Se (0.87)
Se;
51,8  1,2;

(119,8 d)
424  17

76

21  1;
16  0,2

Se (9.02)

77m

Se;
(17,4 s)

-ray
(keV)
121,1
136,0
264,7
279,5
161,9

Hạt nhân gây nhiễu
Hạt nhân
-ray
(T1/2)
(keV)
152
Eu

121,8
181
Hf
136,3
182
Ta
264,1
203
Hg
279,1
116m
In
162,3
(2,18 s)

Flo là một nguyên tố vi lượng thiết yếu trong cơ thể và được tích lũy trong
xương. Sâu răng và loãng xương được cho là có liên quan đến sự hấp thụ Flo và hàm
lượng của nó trong các mơ. Flo chỉ có một hạt nhân duy nhất là 20F (T1/2 = 11,02 giây,
Eγ= 1633 keV) và được sử dụng để xác định hàm lượng Flo trong NAA thơng qua
phản ứng 19F(n,γ)20F. Do 20F có chu kỳ bán hủy rất ngắn là 11,02 giây, cho nên CNAA
là phương pháp phù hợp để xác định nó [27-34]. Flo thực sự là nguyên tố đầu tiên
được xác định bằng kích hoạt lặp vịng [4, 5]. Flo có một hạt nhân bền là 19F, nó có
thể tham gia nhiều phản ứng hạt nhân như được tóm tắt trong Bảng 1.4.
Bảng 1.4: Số liệu hạt nhân của nguyên tố Flo
Hạt nhân
bền, (% )
19
F
(100%)

Phản ứng
hạt nhân
n,γ
n,p
n,α
n,2n

σth
(b)
9,5
1,35
7,85
0,0073

Hạt
nhân
20
F
19
O
16
N
18
F

T1/2,
giây
11,02
26,91
7,13

6.600

Eγ,
keV
1634
197
6130
511

Xác suất
phát, %
100
95,9
69
194

Phản ứng bắt neutron nhiệt và trên nhiệt của Flo như sau:
19

F9 + 1n0 → 20F9 + γ (gamma tức thời)

20

F9 (T1/2 = 11 giây)→ (20Ne)* + 0β-1 + 

(20Ne)* → 20Ne10 + γ (Eγ = 1633 keV)
Theo kết quả nghiên cứu của Farooqi [29] giới hạn phát hiện của Flo trong mẫu
sinh học có thể đạt được ở mức vài mg/kg bằng CNAA sử dụng LPƯ ở điều kiện Ti
= Tc = 10 giây, Td = Tw = 2 giây. Tuy nhiên, cần lưu ý về phản ứng 23Na(n,α)20F và

7


20

Ne(n,p)20F cũng có thể tạo ra 20F, cho nên sự ảnh hưởng nhiễu cần được hiệu chính

cho từng đối tượng mẫu cụ thể.
Chì được biết đến như là một nguyên tố độc và có khả năng gây ơ nhiễm cao.
Vì vậy, có nhiều sự quan tâm về việc xác định hàm lượng của Chì trong nhiều vật
liệu mơi trường. Chì chỉ có thể được xác định bằng NAA thơng qua một hạt nhân
sống rất ngắn, 207mPb. Chu kỳ bán hủy của 207mPb chỉ 0,8 giây làm cho nó rất khó đo
bằng kỹ thuật NAA thông thường. Bằng việc sử dụng hệ chuyển mẫu khí nén nhanh
kết hợp với kích hoạt lặp vòng, Egan và Spyrou [35] đã xác định được Chì trong một
số mẫu mơi trường, với điều kiện thời gian Ti = Tc = 2 giây và Td = Tw = 1 giây và
với 50 vòng lặp, độ nhạy đạt được là 5µg và giới hạn phát hiện là 30 mg/kg đối với
mẫu sinh học.
Các nguyên tố Ag, Sc và Hf thường được xác định bằng kỹ thuật NAA sử dụng
hạt nhân sống dài 110mAg (250 ngày), 46Sc (84 ngày) và 181Hf (42 ngày). Tuy nhiên,
sử dụng hạt nhân sống ngắn

110

Ag (24,6 giây),

46m

Sc (18,75 giây) và

179m

Hf (18,68

giây) không chỉ giảm thời gian phân tích mà cịn có thể cải thiện giới hạn phát hiện
bằng phương pháp lặp vòng. Spyrou đã áp dụng thành cơng CNAA để phân tích một
số mẫu môi trường nhằm xác định Sc, Hf, Ag và cùng một số nguyên tố khác như
Dy, Se, Al và V.
Bảng 1.5: Số liệu hạt nhân đối với kích hoạt neutron cho Ag

107

Ag

,
(%)
51,84

109

Ag

48,16

Hạt nhân bền

σth, (b);
Iepi, (b)
33;
96
89;

1112
3,9;
69

Hạt nhân

T1/2

108

Ag

2,37 phút

110

Ag

24,6 giây

110m

Ag

250 ngày

Năng lượng,
(γ)
633 keV
(1,8)

657,7 keV
(4,5)
657,7 keV
(94,6)

8


1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về phương pháp CNAA
Trước năm 2005, hệ chuyển mẫu dùng cho chiếu ngắn tại Kênh 13-2 và Cột
nhiệt ở LPƯĐL đã được cải tiến nhằm phục vụ cho việc phân tích nhanh để xác định
các hạt nhân sống ngắn. Kênh 13-2 và Cột nhiệt là hai kênh chiếu xạ có các đặc trưng
phù hợp với việc phân tích các hạt nhân sống ngắn. Tuy nhiên, tại thời điểm đó có
nhiều khó khăn khách quan về điều kiện thực tế, như thiết bị không tự động hồn tồn
và chưa được chính xác về mặt thời gian, ống chiếu mẫu không sạch, hệ thống lọc
bụi khí phóng xạ làm việc chưa hiệu quả, hiệu chính ảnh hưởng thời gian chết một
cách thủ cơng. Vì vậy, phương pháp phân tích nhanh cũng như kích hoạt lặp vòng
chưa được nghiên cứu áp dụng trên LPƯĐL.
Năm 2013, qua dự án viện trợ kỹ thuật (RER/4/028) của IAEA, LPƯĐL đã được
trang bị một hệ chuyển mẫu bằng khí nén (Pneumatic Transfer System-PTS) phục vụ
cho việc kích hoạt mẫu ở hai vị trí chiếu là Kênh 13-2 và Cột nhiệt, đi kèm với hệ
PTS là một hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò Ge siêu tinh khiết (GMX40-76-PL) và
khối điện tử xử lý tín hiệu bằng kỹ thuật số (DSPEC Pro). Các qui trình chiếu, rã và
đo mẫu được điều khiển hồn tồn tự động thơng qua thiết bị điều khiển lập trình
(PLC) được giao tiếp với máy tính. Ngoài ra, thời gian chiếu, rã và đo cũng được xác
định một cách chính xác thơng qua các bộ cảm biến quang học. Qua đó, hệ này cho
phép thực hiện các phép chiếu ngắn trong vài giây, thời gian chuyển mẫu từ vị trí
chiếu đến vị trí đo khoảng 3 giây.
Các thông số phổ neutron ở Kênh 13-2 và Cột nhiệt cũng đã được tham số hóa
để thiết lập các qui trình phân tích bằng k0-NAA cho các hạt nhân sống ngắn. Bên

cạnh đó, hệ này cũng được áp dụng để xác định hàm lượng của Selen thông qua hạt
nhân sống ngắn 77mSe. Tuy nhiên, độ chính xác và giới hạn phát hiện thì chưa tốt ở
mức hàm lượng dưới ppm. Sau đó, các nỗ lực nghiên cứu đã được thực hiện để cải
thiện độ nhạy của Selen qua 77mSe bằng việc áp dụng các phương pháp kích hoạt lặp
vịng khác nhau, bao gồm lặp vòng (CNAA) can thiệp bằng tay, giả lặp vòng (PseudoCNAA hay PCNAA), chiếu mẫu lặp (Replicate-NAA hay Re-NAA) và kết hợp ReNAA với CNAA hoặc PCNAA. Đối với CNAA, mẫu được chiếu trong một khoảng

9


thời gian ngắn, và sau khoảng thời gian rã, mẫu được đo nhanh, sau đó mẫu được
chiếu lại và tồn bộ q trình được lặp lại một số vịng lặp. Trong trường hợp mẫu
sau khi chiếu có hoạt độ cao (hoặc thời gian chết cao), phương pháp PCNAA được
phát triển thay thế bằng cách điều chỉnh các thông số trong CNAA, đặc biệt là thời
gian đợi giữa các vòng chiếu-rã-đo khoảng từ vài phút đến vài giờ để giảm thời gian
chết của hệ phổ kế. Một phương pháp khác là Re-NAA, được phát triển từ việc chiếu
và đo các phần nhỏ của cùng một mẫu, sau đó các phổ riêng lẻ được kết hợp lại để
tạo thành một phổ tổng. Trong phương pháp này, hoạt độ của mẫu gần như nhau ở
mỗi vịng lặp, số đếm phơng và thời gian chết khơng tăng khi tăng số mẫu lặp. Vì lý
do đó, phương pháp này cho giới hạn phát hiện tốt và độ tái lặp tốt hơn so với phương
pháp CNAA thông thường đối với một số hạt nhân sống ngắn.
1.3. Phương pháp CNAA theo chuẩn hóa k0
Phương pháp k0 là một trong bốn phương pháp tính tốn hàm lượng ngun tố
trong NAA, được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1974 bởi hai tác giả là F. De Corte
và A. Simonits. Từ đó cho đến nay, k0-NAA ln được quan tâm phát triển tại nhiều
phịng thí nghiệm NAA và đã được hiệp hội phân tích hạt nhân cơng nhận như một
phương pháp phân tích chuẩn hóa. Phương pháp k0-NAA đã được bắt đầu nghiên
cứu tại Viện Nghiên cứu hạt nhân từ những năm 1980 của thế kỷ trước. Đến năm
2002, phương pháp này được áp dụng một cách chính thức thơng qua chương trình
K0-DALAT [36]. Ưu điểm của phương pháp k0-NAA là đơn giản trong thực nghiệm
so với phương pháp tương đối, độ chính xác cao so với phương pháp tuyệt đối và linh

hoạt khi thay đổi điều kiện chiếu và đo so với phương pháp chuẩn đơn. Đặc biệt là
khơng cần dùng mẫu chuẩn khi phân tích một số lượng lớn mẫu.
Phương pháp k0-CNAA đã được nghiên cứu lần đầu tiên năm 2012 [37]. Thí
nghiệm kích hoạt lặp vịng được thực hiện tại Lò phản ứng nghiên cứu ở Bồ Đào Nha.
Chương trình k0-IAEA được nghiên cứu áp dụng với các bước xử lý phổ bằng tay vì
tại thời điểm đó chương trình này chưa được nâng cấp cho k0-CNAA. Các hiệu chính
về thời gian chết và thay đổi thơng lượng neutron chưa được đề cập đến trong phép
tính k0-CNAA.

10


Trong quá trình nghiên cứu phương pháp CNAA trên LPƯĐL, tác giả nhận thấy
qui trình thực nghiệm CNAA khá phức tạp bởi chiếu và đo mẫu lặp lại nhiều lần, và
càng phức tạp hơn khi thực hiện thêm qui trình CNAA đối với mẫu chuẩn để áp dụng
phương pháp tương đối nhằm tính tốn hàm lượng ngun tố quan tâm. Vì vậy,
phương pháp CNAA dựa theo chuẩn hố k-zero (k0-CNAA) được nghiên cứu áp
dụng để giúp cho qui trình thực nghiệm CNAA đơn giản hơn, giảm bớt qui trình thực
nghiệm đối với mẫu chuẩn.
Phần mềm k0-IAEA cho phương pháp k0-NAA được thiết kế và phát triển bởi
hai tác giả chính được IAEA đề nghị là Marcio Bacchi và Menno Blaauw. k0-IAEA
có hai đặc trưng mới so với các phần mềm khác: (1) Cách tiếp cận Holistic được sử
dụng trong thuật toán xử lý phổ gamma. Holistic là một thuật toán ma trận khá mới
mẻ được chính tác giả Menno Blaauw phát triển và công bố năm 1994; (2) Việc chuẩn
hiệu suất ghi của đầu dị trong chương trình k0-IAEA sử dụng giải thuật Monte Carlo,
phương pháp này cho phép biến đổi đường cong hiệu suất từ hình học đo này sang
hình học đo khác mà khơng cần phải đo đạc thực nghiệm ở nhiều khoảng cách khác
nhau. Cho đến nay một số lượng lớn các cơng trình khoa học liên quan đến phương
pháp k0-NAA và chương trình k0-IAEA đã được đăng tải trên các tạp chí uy tín trong
lĩnh vực kỹ thuật hạt nhân. Điều đó cho thấy rằng, chương trình k0-IAEA là một cơng

cụ tin cậy và có thể sử dụng trong nghiên cứu của luận án. Phần mềm thực hiện nhiều
chức năng, bao gồm cả một số chức năng chính được sử dụng thường xuyên trong
phương pháp NAA như chức năng đọc phổ từ phần mềm Gamma Vision, Genies 2k,
chuẩn năng lượng, chuẩn độ phân giải, chuẩn hiệu suất detector, biên dịch thơng số
phổ neutron, tính diện tích đỉnh tự động, sau đó tính ra được hàm lượng, giới hạn đo,
độ lặp lại của các nguyên tố dựa vào phổ đo và báo cáo kết quả tính được.
Theo đề xuất của Nghiên cứu sinh vào năm 2016, ông Menno Blaauw, tác giả
của chương trình k0-IAEA đã đến và làm việc tại Viện Nghiên cứu hạt nhân nhằm
nâng cấp phần mềm k0-IAEA cho việc xử lý số liệu của k0-CNAA. Trong thời gian
này, lò phản ứng Đà Lạt đã hoạt động định kỳ theo kế hoạch, nhờ đó các thí nghiệm
phục vụ việc thử nghiệm phần mềm cũng đã được tiến hành. Phần mềm k0-IAEA

11


hiện nay đã có thể được áp dụng cho CNAA. Chức năng này được xem là mới của
phần mềm k0-IAEA, phiên bản k0-IAEA V.8 được sử dụng cho mục đích áp dụng k0CNAA trên phần mềm k0-IAEA.
1.4. Thời gian chết và chồng chập xung
Tín hiệu có thể bị mất trong tất cả các bộ phận của hệ phổ kế gamma như tinh
thể đầu dò, tiền khuếch đại, khuếch đại, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) và khối
phân tích đa kênh (MCA) hoặc máy tính. Trong trường hợp muốn đo nguồn

198

Au

với độ chính xác u cầu là = 0,1%, thì theo thống kê Poisson phải ghi nhận hơn
106 số đếm của đỉnh năng lượng 412 keV. Nếu muốn hoàn thành phép đo trong một
giờ, trong khi tỉ số đỉnh trên tổng của đầu dị là 0,2 thì phải thực hiện phép đo tại tốc
độ đếm hơn 1400 cps. Ở tốc độ đếm này, số đếm có thể bị mất lên đến vài phần trăm

vì thời gian đáp ứng hữu hạn của hệ đo [38]. Trong nhiều ứng dụng, hệ phổ kế gamma
cần phải thực hiện các phép đo lên đến hàng chục ngàn số đếm trên giây. Trong thực
tế, nếu thời gian chết trên ADC cho thấy 10% thì việc hiệu chính mất số đếm cần
được xem xét ngay cả khi mạch hiệu chính thời gian chết đang làm việc tốt [39].
Hầu hết các điện tích trong đầu dị được thu thập trong vịng dưới 100 ns và
được định hình trong khối khuếch đại trong khoảng 1-10 µs tiếp theo [38]. Vì vậy, hệ
đo cần một khoảng thời gian trên để xử lý mỗi tín hiệu tới đầu dị, do đó nếu tín hiệu
thứ hai tới đầu dị trong khi tín hiệu thứ nhất đang được xử lý thì tín hiệu thứ hai sẽ
bị mất đi. Hiện tượng này được gọi là sự mất số đếm do hiệu ứng thời gian chết.
Số đếm bị mất bởi chồng chập xung (pulse pile-up) hay còn gọi là chồng chập
ngẫu nhiên (random summing) có thể là một nguồn đóng góp sai số chính trong phép
đo phổ gamma. Sự xuất hiện ngẫu nhiên của tín hiệu từ hai tia gamma (khơng liên
quan gì nhau) tại khối khuếch đại trong khoảng thời gian ngắn so với thời gian hình
thành xung sẽ tạo thành một xung tổng có biên độ là tổng của hai sự kiện. Kết quả
là hai số đếm bị mất tại vùng năng lượng thấp của phổ và một số đếm mới xuất hiện
tại vùng năng lượng cao. Đối với phép đo cần độ chính xác cao, mỗi xung tổng ngẫu
nhiên này nên được loại trừ ra khỏi phổ (pileup rejection), và thời gian chết của hệ
cần được bù lại cho hệ thống lúc đang bận.

12