Luận án tiến sĩ nghiên cứu phát triển kỹ thuật trùng phùng gamma gamma ghi sự kiện sự kiện ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

Trương Văn Minh

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT TRÙNG PHÙNG
GAMMA - GAMMA GHI SỰ KIỆN - SỰ KIỆN ỨNG DỤNG
TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON

LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

Đà Lạt – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

Trương Văn Minh

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT TRÙNG PHÙNG
GAMMA - GAMMA GHI SỰ KIỆN - SỰ KIỆN ỨNG DỤNG
TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON

Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử
Mã số:

62 44 01 06
LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS. Phạm Đình Khang

Đà Lạt – 2016


LỜI CẢM ƠN
Hồn thành bản luận án này, tơi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến:
Thầy PGS. TS Phạm Đình Khang đã tận tình hƣớng dẫn và hỗ trợ
những điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành Luận án và Thầy TS. Nguyễn
Xuân Hải đã trực tiếp giúp đỡ tơi trong q trình làm thực nghiệm.
Ban Lãnh đạo Viện Nghiên cứu hạt nhân đã giúp đỡ tôi trong việc sử
dụng các trang thiết bị, thủ tục hành chính trong quá trình làm luận án.
Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Đồng Nai, Khoa sƣ phạm khoa học Tự
nhiên đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong nghiên cứu, học tập và công
tác.
Trung tâm Vật lý – Điện tử, Trung tâm phân tích và Trung tâm đào tạo
Hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu
và tiến hành các thực nghiệm.
Tập thể đề tài KC05.18/11-15 thuộc chƣơng trình trọng điểm cấp nhà
nƣớc KC05 đã cho phép sử dụng hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng,
các kết quả trực tiếp và gián tiếp của đề tài KC05.18/11-15 để hoàn thành các
thực nghiệm liên quan đến nội dung luận án.
Các bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã động viên và tạo điều kiện thuận
lợi cho tơi trong q trình thực hiện luận án.
Xin chân thành cảm ơn!

Trƣơng Văn Minh

i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
1 Những nội dung trong luận án này là do tôi thực hiện dƣới sự
hƣớng dẫn trực tiếp của PGS.TS Phạm Đình Khang.
2 Mọi tham khảo dùng trong luận án đều đƣợc trích dẫn rõ ràng
tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm công bố.
3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay
gian trá, tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm.

Trƣơng Văn Minh

ii


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... 4
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... 6
DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT ................................................................. 8
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 10
Chƣơng 1. PHƢƠNG PHÁP VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU .................. 13
1.1. Phƣơng pháp phân tích kích hoạt nơtron ............................................. 13
1.1.1. Nguyên lí của phƣơng pháp .......................................................... 13
1.1.2. Độ nhạy của phƣơng pháp NAA ................................................... 15

1.1.3. Cơ sở lí thuyết cơ bản của NAA ................................................... 16
1.1.4. Các phƣơng pháp chuẩn hóa ......................................................... 18
1.2. Các hệ đo cơ bản trong NAA ............................................................... 21
1.3. Lựa chọn phƣơng pháp ghi đo ............................................................. 22
1.3.1. Vai trị của As và Se ...................................................................... 22
1.3.2. Khó khăn khi phân tích và lựa chọn phƣơng pháp ghi đo ............ 23
1.4. Phƣơng pháp trùng phùng gamma – gamma trong NAA .................... 26
1.4.1. Lịch sử phát triển phƣơng pháp .................................................... 26
1.4.2. Nguyên lý của phƣơng pháp ......................................................... 28
1.4.3. Tình hình ứng dụng hệ trùng phùng trong NAA ở nƣớc ngoài .... 29
1.4.4. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .................................................. 33
1.5. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................ 35
1


Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................. 37
2.1. Hệ thống thực nghiệm .......................................................................... 37
2.1.1. Hệ trùng phùng gamma - gamma .................................................. 37
2.1.2. Vấn đề xác lập tham số hệ đo........................................................ 39
2.2. Xử lí số liệu thực nghiệm ..................................................................... 43
2.2.1. Xử lí số liệu đo đơn dùng một đetectơ .......................................... 43
2.2.2. Xử lí số liệu đo trùng phùng ......................................................... 44
2.2.3. Giới hạn phát hiện của phƣơng pháp ............................................ 47
2.3. Thực nghiệm phân tích mẫu ................................................................. 48
2.3.1. Kỹ thuật chuẩn bị mẫu phân tích .................................................. 48
2.3.2. Chuẩn bị mẫu thực nghiệm ........................................................... 50
2.3.3. Quy trình chiếu, đo mẫu ................................................................ 52
2.3.4. Hàm hiệu suất của các đetectơ ...................................................... 53
2.3.5. Phơng tại vị trí đặt mẫu ................................................................. 58
2.3.6. Đánh giá trùng phùng ngẫu nhiên ................................................. 59

2.4. Hiệu ứng tự che chắn nơtron và tự hấp thụ tia gamma ........................ 61
2.4.1. Hệ số tự hấp thụ tia gamma........................................................... 61
2.4.2. Hiệu ứng tự che chắn nơtron ......................................................... 63
2.5. Kết luận chƣơng 2 ................................................................................ 67
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 68
3.1. Kết quả xác lập tham số hệ đo ............................................................. 68
3.2. Kết quả phân tích mẫu chuẩn đơn ........................................................ 71
2


3.2.1. Phân tích các mẫu As .................................................................... 71
3.2.2. Phân tích các mẫu Se..................................................................... 73
3.3. Kết quả đo mẫu trắng ........................................................................... 76
3.4. Kết quả đo mẫu phân tích..................................................................... 77
3.4.1. Phân tích As .................................................................................. 77
3.4.2. Phân tích Se ................................................................................... 82
3.4.3. Phân tích Sắt (Fe) .......................................................................... 93
3.4.4. Phân tích Tecbi (Tb)...................................................................... 96
3.4.5. Kết quả đánh giá trùng phùng ngẫu nhiên .................................... 98
3.4.6. Quy trình phân tích As và Se bằng phƣơng pháp trùng phùng ..... 99
3.5. Kết luận chƣơng 3 .............................................................................. 100
KẾT LUẬN ................................................................................................... 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 103
CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC LÀM CƠ SỞ CHO LUẬN ÁN .................. 109
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 111

3


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Mơ hình kích hoạt hạt nhân bia tạo ra nhân phóng xạ .................... 13
Hình 1.2. Dạng phổ nơtron trong lị phản ứng ................................................ 14
Hình 1.3. Hệ trùng phùng nhanh chậm tại Hungary ...................................... 31
Hình 2.1. Sơ đồ hệ phổ kế trùng phùng gamma - gamma .............................. 37
Hình 2.2. Thuật tốn xử lý phổ đo trùng phùng gamma – gamma ................. 45
Hình 2.3. Hình dạng và kích thƣớc của container chiếu mẫu và mẫu. ........... 52
Hình 2.4. Mặt cắt ngang vùng hoạt của lò phản ứng HNĐL .......................... 53
Hình 2.5. Đƣờng cong hiệu suất của đetectơ 1 .............................................. 57
Hình 2.6. Đƣờng cong hiệu suất của đetectơ 2 ............................................... 57
Hình 2.7. Phổ phơng tại vị trí đo mẫu ............................................................. 59
Hình 2.8. Dạng hình học tấm cho sự hấp thụ tia gamma ................................ 62
Hình 3.1. Sự phụ thuộc của tham số CFD ở hai kênh thời gian ..................... 68
Hình 3.2. Phổ thời gian đo với nguồn 60Co ..................................................... 70
Hình 3.3. Quan hệ giữa tốc độ đếm và hàm lƣợng trong đo trùng phùng ...... 71
Hình 3.4. Quan hệ giữa tốc độ đếm và khối lƣợng mẫu trong đo đơn ........... 72
Hình 3.5. Quan hệ giữa tốc độ đếm và khối lƣợng mẫu đo trùng phùng........ 74
Hình 3.6. Quan hệ giữa tốc độ đếm và khối lƣợng trong đo đơn ................... 75
Hình 3.7. Phổ đo mẫu trắng ............................................................................ 77
Hình 3.8. Phổ trùng phùng As ứng với năng lƣợng gate khác nhau ............... 79
Hình 3.9. Phổ As của mẫu Mo-128 trong hai chế độ đo ................................. 81
Hình 3.10. Phổ trùng phùng mẫu Mo-124h trong vùng 0-1500 keV.............. 82
Hình 3.11. Phổ trùng phùng mẫu Mo-124h trong vùng 50-300 keV.............. 83
Hình 3.12. Phổ gamma của mẫu Mo-124h trong hai chế độ đo ..................... 85
Hình 3.13. Phổ gate đỉnh 136,0 keV và 264,7 keV của mẫu CFb-16g ........... 87
Hình 3.14. Phổ gate đỉnh 264,7 keV và phổ đo đơn của mẫu CFb-16g ......... 88
Hình 3.15. Các phổ gate trong chế độ đo trùng phùng ................................... 91
4


Hình 3.16. Phổ đo đơn sử dụng một đetectơ ................................................... 92

Hình 3.17. Phổ gate đỉnh 192 keV của 59Fe .................................................... 95
Hình 3.18. Phổ khi gate đỉnh 298,6 keV của 160Tb ......................................... 97

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Ƣớc lƣợng giới hạn phát hiện của một số ngyên tố........................ 15
Bảng 1.2. Dữ liệu hạt nhân của 76As trong NAA ........................................... 23
Bảng 1.3. Đồng vị và các tia gamma gây nhiễu lên As trong NAA .............. 24
Bảng 1.4. Dữ liệu hạt nhân của Se trong NAA .............................................. 25
Bảng 1.5. Đồng vị và các tia gamma gây nhiễu lên Se trong NAA .............. 25
Bảng 2.1. Thông số phổ nơtron tại vị trí chiếu mẫu ...................................... 52
Bảng 2.2. Thời gian đo của các mẫu ............................................................... 53
Bảng 3.1.Giá trị thiết lập trên giao diện .......................................................... 69
Bảng 3.2. Tham số các khối điện tử của hệ phổ kế trùng phùng .................... 69
Bảng 3.3. Tốc độ đếm đỉnh ứng với các mẫu chuẩn trong đo trùng phùng .... 71
Bảng 3.4. Tốc độ đếm đỉnh ứng với các mẫu chuẩn trong đo đơn ................. 72
Bảng 3.5. Quan hệ tốc độ đếm và khối lƣợng mẫu trong đo trùng phùng ...... 73
Bảng 3.6. Số liệu đo mẫu chuẩn đơn Se trong đo đơn .................................... 74
Bảng 3.7. Các đỉnh trong phổ đo mẫu trắng ................................................... 76
Bảng 3.8. Số liệu các đỉnh trùng phùng với đỉnh gate 657,1 keV .................. 78
Bảng 3.9. Số liệu các đỉnh trùng phùng với đỉnh gate 559,1 keV .................. 78
Bảng 3.10. Số liệu các đỉnh trong đo đơn sử dụng một đetectơ ..................... 80
Bảng 3.11. Hàm lƣợng As trong mẫu Mo-128 ............................................... 81
Bảng 3.12. Số liệu Se trong mẫu Mo-124h đo trùng phùng ........................... 83
Bảng 3.13. Số liệu Se trong mẫu Mo-124h đo đơn sử dụng một đetectơ ....... 85
Bảng 3.14. Hàm lƣợng Se trong mẫu Mo-124h .............................................. 86
Bảng 3.15. Số liệu Se trong mẫu CFb-16g đo trùng phùng ............................ 87
Bảng 3.16. Số liệu Se trong mẫu CFb-16g đo đơn sử dụng một đetectơ ....... 88

Bảng 3.17. Hàm lƣợng Se trong mẫu CFb-16g .............................................. 89
Bảng 3.18. Số liệu Se trong mẫu Tuna Fish (Fi-33h) đo trùng phùng............ 90
Bảng 3.19. Số liệu Se trong mẫu Tuna Fish (Fi-33h)đo đơn .......................... 92
6


Bảng 3.20. Hàm lƣợng Se trong mẫu Fi-33h .................................................. 93
Bảng 3.21. Số liệu Fe trong các mẫu ở chế độ đo trùng phùng ...................... 94
Bảng 3.22. Số liệu Fe trong các mẫu ở chế độ đo đơn ................................... 94
Bảng 3.23. Kết quả phân tích hàm lƣợng Fe trong hai chế độ đo................... 95
Bảng 3.24. Số liệu Tb trong các mẫu ở chế độ đo trùng phùng...................... 96
Bảng 3.25. Số liệu Tb trong các mẫu ở chế độ đo đơn ................................... 96
Bảng 3.26. Hàm lƣợng Tb trong hai chế độ đo ............................................... 97
Bảng 3.27. Kết quả đánh giá trùng phùng ngẫu nhiên .................................... 98

7


DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
NAA

Neutron Activation
Analysis

Phân tích kích hoạt nơtron

INAA

Instrumental Neutron
Activation Analysis

Phân tích kích hoạt nơtron dụng
cụ

PGNAA

Prompt Gamma-ray
Neutron Activation
Analysis

Phân tích kích hoạt gamma tức
thời

DGNAA

delayed gamma-ray
neutron activation

Phân tích kích hoạt gamma trễ

analysis
CPS

Số đếm trên giây

Counts per second

NCHN

Nghiên cứu hạt nhân

RNAA

Radiochemical
neutron Activation
Analysis

Phân tích kích hoạt nơtron có
xử lý hóa phóng xạ

Amp

Amplifier

Khuếch đại phổ

ADC

Analog – to - Digital
Converter

Khối biến đổi tín hiệu tƣơng tự
sang tín hiệu số

CFD

Constant-Fraction
Discriminator

Khối gạt ngƣỡng hằng

INT

Integrate

Hằng số tích phân

DIFF

difference

Hằng số vi phân

FWHM

Full Width at Half
Maximum

Độ rộng tại một nửa chiều cao
đỉnh phổ

8


HPGe

High-Purity
Germanium

Đetectơ bán dẫn Ge siêu tinh

khiết

HV

High Voltage

Cao thế

MCA

Multi Channel
Analyzer

Khối phân tích đa kênh

NIM

Nuclear Instrument
Module

Chuẩn NIM
Giao diện 7811R của hệ đo

PCI 7811R
Pre. Amp

Pre - Amplifier

Tiền khuếch đại

Pulser

Pulser

Bộ phát xung

SCA

Single Channel
Analyzer

Khối phân tích đơn kênh

SRT

Slow Rise Time Reject

Chế độ loại các xung có thời
gian tăng chậm

TAC

Time-to-Amplitude
Converter

Khối biến đổi thời gian thành
biên độ

TFA

Timing Filter
Amplifier

Khối khuếch đại lọc lựa thời
gian

Delay

Khối làm trễ

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

9


MỞ ĐẦU
Phân tích kích hoạt nơtron là kỹ thuật phân tích hạt nhân tiên tiến có độ
nhạy cao, có khả năng phân tích định tính và định lƣợng nhanh, cho phép
phân tích đa nguyên tố đồng thời trong một mẫu. Vì vậy, kỹ thuật này đã
đƣợc phát triển và ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau
nhƣ địa chất, sinh học, môi trƣờng, công nghiệp khai thác,… đặc biệt đƣợc
ứng dụng trong việc phân tích, kiểm tra, đánh giá các vật liệu siêu sạch, các
vật liệu chế tạo linh kiện bán dẫn chất lƣợng cao, đánh giá các hiện vật quý
hiếm trong các bảo tàng, phân tích ở hiện trƣờng trong điều kiện tự nhiên và
lịch sử vốn có của nó. Thơng thƣờng trong phân tích kích hoạt nơtron dụng
cụ, các hiện vật sau khi phân tích có thể vẫn giữ ngun giá trị ban đầu,
khơng bị phá hủy hoặc bị biến dạng. Đối với các mẫu lớn, mẫu chạy liên tục
trên băng chuyền thì phƣơng pháp phân tích kích hoạt nơtron tức thời vẫn là

lựa chọn số một. Ngày nay, kỹ thuật NAA có khả năng xác định đƣợc khoảng
74 nguyên tố với cấp hàm lƣợng cỡ ng/g tuỳ thuộc vào từng nguyên tố [1, 2,
5].
Có một thực tế xảy ra trong việc phân tích kích hoạt là một số nguyên
tố phát ra những bức xạ gamma đặc trƣng ở vùng năng lƣợng từ 100 keV đến
800 keV và lại bị nhiễu ảnh hƣởng từ nguyên tố khác hoặc do nền phông tán
xạ Compton lớn nên độ chính xác của phép phân tích khơng cao. Trong số các
nguyên tố này thì As và Se là dễ bị gây nhiễu nhất khi đo với các hệ đo
gamma một đetectơ. Vì vậy, đã có những thử nghiệm sử dụng phƣơng pháp
trùng phùng gamma - gamma để phân tích các nguyên tố này. Phƣơng pháp
trùng phùng gamma - gamma với việc lƣu trữ và xử lý số liệu trên máy tính
đƣợc phát triển và sử dụng trong nghiên cứu số liệu và cấu trúc hạt nhân từ
năm 1980. Phƣơng pháp này cho phép làm tốt độ phân giải năng lƣợng và cải
thiện tỉ số diện tích đỉnh/phơng [5]. Do sử dụng kỹ thuật trùng phùng để lọc
10


lựa lấy các chuyển dời nối tầng của đồng vị cần đƣợc đo, các chuyển dời gây
nhiễu của các đồng vị khác sẽ bị loại bỏ và không ảnh hƣởng tới kết quả phân
tích. Các kết quả cơng bố cho thấy có thể nâng cao đƣợc độ chính xác của
INAA đối với một số nguyên tố lên từ 1 đến 2 bậc so với trƣớc đây [5]. Hiện
nay, việc ứng dụng phƣơng pháp này vẫn đang đƣợc tiếp tục nghiên cứu, phát
triển và hoàn thiện ở một số nƣớc nhƣ Hungari, Mỹ, Nhật [22-24, 29-31, 34,
54, 59, 65].
Tại Viện Nghiên cứu hạt nhân, hệ phổ kế trùng phùng gamma - gamma
ghi số liệu dƣới dạng “sự kiện - sự kiện” đã đƣợc lắp đặt và sử dụng nghiên
cứu phân rã gamma nối tầng. Các tham số và đặc trƣng của hệ đã đƣợc công
bố trong một số tài liệu và công bố quốc tế [10, 41].
Để đánh giá khả năng ứng dụng của phƣơng pháp trùng phùng gammagamma trong phân tích kích hoạt, mẫu Montana II Soil, mẫu Coal Fly Ash và
mẫu Tuna Fish đã đƣợc thử nghiệm phân tích trên hệ phổ kế trùng phùng nói

trên. Mục tiêu đặt ra đã đƣợc cụ thể hóa bằng việc khảo sát tham số hệ đo cho
bài tốn phân tích kích hoạt; đánh giá khả năng loại bỏ nhiễu của các đồng vị
ảnh hƣởng lên đối tƣợng cần quan tâm; đánh giá khả năng cải thiện giới hạn
đo (độ nhạy) cũng nhƣ nâng cao tỉ số đỉnh/phơng trong cùng một cấu hình hệ
đo giữa hai chế độ đo là phép đo trùng phùng gamma - gamma và phép đo
đơn sử dụng một đetectơ.
Về đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là hệ phổ kế trùng
phùng gamma - gamma và sử dụng hệ này để phân tích nguyên tố Asen (As)
và Selen (Se) trong mẫu địa chất Montana II Soil, mẫu môi trƣờng Coal Fly
Ash và mẫu sinh học Tuna Fish.

11


Từ các đánh giá trên, đề tài "Nghiên cứu phát triển kỹ thuật trùng
phùng gamma - gamma ghi sự kiện - sự kiện ứng dụng trong phân tích kích
hoạt nơtron" đƣợc lựa chọn với mục tiêu cụ thể nhƣ sau:
-

Xây dựng phƣơng pháp phân tích kích hoạt cho các đối tƣợng As và
Se dựa trên hệ đo trùng phùng gamma - gamma.

Luận án đƣợc chia thành 3 chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1. Phƣơng pháp và đối tƣợng nghiên cứu.
Chƣơng 2. Phƣơng pháp thực nghiệm.
Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận.

12

Chƣơng 1. PHƢƠNG PHÁP VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
1.1. Phƣơng pháp phân tích kích hoạt nơtron
1.1.1. Nguyên lí của phƣơng pháp
Quá trình phản ứng hạt nhân đƣợc sử dụng trong NAA là quá trình bắt
nơtron đƣợc minh họa trong Hình 1.1. Khi một nơtron bị hạt nhân bia bắt,
một hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích đƣợc tạo ra. Năng lƣợng kích
thích của hạt nhân hợp phần bằng tổng năng lƣợng liên kết của nơtron với hạt
nhân và phần năng lƣợng tƣơng đối của nơtron tới.

Hình 1.1. Mơ hình kích hoạt hạt nhân bia tạo ra nhân phóng xạ
Các hạt nhân hợp phần có xu hƣớng trở về trạng thái cân bằng hơn theo
cách phân rã phóng xạ và phát ra các tia gamma tức thời. Tuy nhiên, trong
nhiều trƣờng hợp thì hạt nhân cân bằng mới này lại là một hạt nhân phóng xạ
và phân rã bằng cách phát ra hạt bêta rồi phát ra các tia gamma trễ đặc trƣng.
Tùy vào từng loại đồng vị phóng xạ mà chu kỳ bán rã có thể thay đổi từ cỡ
giây cho đến hàng tỷ năm.
Do đó, khi xem xét đến khía cạnh thời gian đo, phƣơng pháp NAA
đƣợc chia thành hai loại sau:

13


NAA gamma tức thời (PGNAA), ở trong loại phân tích này các phép
đo đƣợc thực hiện đồng thời với quá trình chiếu.
NAA gamma trễ (DGNAA), với loại này các phép đo đƣợc thực hiện
sau khi chiếu mẫu.
Trong số loại nguồn nơtron khác nhau đƣợc sử dụng cho NAA, các lò
phản ứng hạt nhân với dịng nơtron có thơng lƣợng cao và ổn định đƣợc sử
dụng nhiều nhất. Các lò phản ứng khác nhau và những vị trí khác nhau trong
một lị phản ứng có sự khác nhau trong phân bố năng lƣợng và thông lƣợng

nơtron. Sự phân bố năng lƣợng nơtron trong lò phản ứng trải rộng từ khoảng
meV cho đến cỡ MeV và thông thƣờng đƣợc chia làm ba loại là nơtron nhiệt,
nơtron trên nhiệt và nơtron nhanh nhƣ Hình 1.2.

Hình 1.2. Dạng phổ nơtron trong lị phản ứng
Phản ứng hạt nhân đƣợc sử dụng để phân tích kích hoạt với các mẫu
đƣợc quan tâm là phản ứng bắt bức xạ với nơtron nhiệt.
14


1.1.2. Độ nhạy của phƣơng pháp NAA
Trong phân tích bằng phƣơng pháp NNA, độ nhạy quyết định tính
chính xác trong việc xác định hàm lƣợng của các nguyên tố trong mẫu vật. Độ
nhạy của NAA phụ thuộc vào các thông số chiếu nhƣ thông lƣợng nơtron,
thời gian chiếu và thời gian rã; các điều kiện đo nhƣ thời gian, hiệu suất ghi
của hệ; các thông số hạt nhân của nguyên tố đƣợc đo nhƣ độ phổ biến đồng
vị, tiết diện bắt nơtron, chu kỳ bán rã, xác suất phát tia gamma,... Độ chính
xác của một phép đo NAA bằng hệ phổ kế đa kênh luôn thay đổi trong
khoảng 1 đến 10% của giá trị đƣợc báo cáo [70]. Bảng 1.1 cho thấy ƣớc lƣợng
giới hạn phát hiện của một số nguyên tố bằng phƣơng pháp phân tích kích
hoạt nơtron dụng cụ trong điều kiện khơng có sự chồng chập các đỉnh trong
phổ phân tích.
Bảng 1.1. Ƣớc lƣợng giới hạn phát hiện của một số ngyên tố [70]
Độ nhạy
(picogram)
1
1 – 10

Nguyên tố
Dy, Eu

In, Lu, Mn

10 –100

Au, Ho, Ir, Re, Sm, W

102 – 103

Ag, Ar, As, Br, Cl, Co, Cs, Cu, Er, Ga, Hf, I, La, Sb,
Sc, Se, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, Yb

103 – 104

Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Kr, Gd, Ge, Mo, Na, Nd, Ni,
Os, Pd, Rb, Rh, Ru, Sr, Te, Zn, Zr

104 – 105

Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si, Sn, Ti, Tl, Xe, Y

105 – 106

F, Fe, Nb, Ne

107

Pb, S

15

1.1.3. Cơ sở lí thuyết cơ bản của NAA
Cơ sở của NAA là ghi đo các bức xạ sau khi phản ứng của các nơtron
với hạt nhân xảy ra. Trong phƣơng pháp NAA, phổ kế gamma thƣờng đƣợc
sử dụng nhiều nhất. Khi một hạt nhân X hấp thụ một nơtron, sản phẩm tạo ra
là một hạt nhân phóng xạ với cùng số nguyên tử Z nhƣng có khối lƣợng
nguyên tử A tăng lên một đơn vị và phát tia gamma đặc trƣng, quá trình này
tạo ra hạt nhân đồng vị theo phản ứng sau:
A
Z

X  01n   AZ1 X  
*

A1
Z

X 

(1.1)

Mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng R và số đếm ghi đƣợc (Np) của đỉnh
gamma quan tâm mô tả nhƣ sau [18]:
N p / tc
R  SDCw
N A p / M

(1.2)

Trong đó:

Np là số đếm của đỉnh năng lƣợng toàn phần;
tc là thời gian đo;
S là hệ số bão hòa và bằng

–



với ti là thời gian chiếu,  là hằng

số phân rã;
D=

là hệ số hiệu chỉnh số hạt nhân phân rã từ khi kết thúc chiếu

đến khi bắt đầu đo, td là khoảng thời gian từ khi kết thúc chiếu đến khi bắt đầu
đo (thời gian đợi);
C

* –

(





)+

là hệ số hiệu chỉnh số hạt nhân phân rã trong lúc đo, td là

khoảng thời gian đo;

16


w là khối lƣợng của nguyên tố đƣợc chiếu;
NA là hằng số Avogadro;

 là độ phổ biến hay độ giàu đồng vị (%);
γ là xác suất phát của tia gamma;

 p là hiệu suất ghi của hệ đo tại đỉnh năng lƣợng toàn phần (%);
M là khối lƣợng nguyên tử (g/mol).
Ngoài ra, tốc độ phản ứng R theo quy ƣớc Hogdhl [71] đƣợc định nghĩa
nhƣ sau:
R  Gthth 0  Gee I 0  

(1.3)

Trong đó:
Gth là hệ số hiệu chỉnh tự che chắn nơtron nhiệt;

th là thông lƣợng nơtron nhiệt;
 0 là tiết diện bắt nơtron tại vận tốc 2200 m/s;
Ge là hệ số hiệu chỉnh tự che chắn nơtron trên nhiệt;

e là thông lƣợng nơtron trên nhiệt;
I 0   là tiết diện tích phân cộng hƣởng của phân bố thông lƣợng nơtron trên

nhiệt không tuân theo quy luật 1/E.
Kết hợp công thức(1.2) và (1.3), ta đƣợc:
N p / tc
SDCw



M
 Gthth 0  Gee I 0      p
N A 

(1.4)

Phƣơng trình kích hoạt để xác định một lƣợng nguyên tố (gam) có thể đƣợc
viết nhƣ sau:
17


w

N p / tc
SDC



M
1
1



N A Gthth 0  Gee I 0    p

(1.5)

1.1.4. Các phƣơng pháp chuẩn hóa
Trong thực tế, khối lƣợng nguyên tố đƣợc xác định dựa vào các phƣơng
pháp chuẩn hóa nhƣ: phƣơng pháp tuyệt đối, phƣơng pháp tƣơng đối, phƣơng
pháp chuẩn đơn và phƣơng pháp chuẩn hóa k0. Trong nghiên cứu này, chúng
tơi sử dụng phƣơng pháp chuẩn tƣơng đối để tính hàm lƣợng nguyên tố trong
mẫu phân tích. Do đó, phƣơng pháp chuẩn tuyệt đối và tƣơng đối là hai vấn
đề đƣợc tìm hiểu trong luận án.
1.1.4.1. Phƣơng pháp tuyệt đối
Áp dụng phƣơng trình (1.5) cho một lá dị thơng lƣợng (kí hiệu m)
đƣợc kích hoạt trong lị phản ứng, ta có:
 N /t   M 
1
1
wm   p c   

 
 SDC m  N A m Gth,mth 0,m  Ge,me I 0,m     p ,m

Ta có tốc độ đếm riêng: Asp 
và

N p / tc
SDCw

(1.6)

(phân rã/giây/gam)

, với w là khối lƣợng nguyên tố;  là hàm lƣợng (g/g); W là

khối lƣợng mẫu (g).
Lập tỉ số (1.5)/(1.6), ta đƣợc:
 N p / tc
 SDCW

Asp ,m



  M  m m  Gth,mth 0,m  Ge,me I 0,m     p ,m
M m
Gthth 0  Gee I 0  
p

18

(1.7)


Nhân cả tử số và mẫu số của phƣơng trình (1.7) với

1

e

và sắp xếp lại, ta đƣợc

phƣơng trình xác định hàm lƣợng nguyên tố trong mẫu của phƣơng pháp
tuyệt đối nhƣ sau:
 N p / tc
 SDCW

Asp ,m


 M  
G f  Ge,mQ0,m    p ,m
m m 0,m

 th,m

M m 0
Gth f  GeQ0  
p

(1.8)

Trong đó:
f 

th
là tỉ số của thông lƣợng nơtron nhiệt và nơtron trên nhiệt;
e
Q0   

Với Q0 

I 0  

0



Q0  0,429
0,429






 1eV 
 Er
 2  1 0,55 


 

(1.9)

I0

0

E r : năng lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng (eV);

 là độ lệch phân bố phổ nơtron trên nhiệt khỏi quy luật 1/E, gần đúng ở
dạng 1/E1+  .
Khi áp dụng phƣơng trình (1.8) để tính hàm lƣợng các ngun tố trong
một mẫu thì hệ số f và α phải khơng thay đổi trong q trình chiếu xạ.
Phƣơng pháp chuẩn tuyệt đối về mặt thực nghiệm rất đơn giản, chỉ cần
biết chính xác các thơng số A, θ, γ và  0 của ngun tố phân tích và lá dị.
Về nguyên tắc các số liệu hạt nhân này có thể tra cứu trong các tài liệu,
thƣ viện số liệu [13]. Tuy nhiên, chúng có độ chính xác khác nhau và nhƣ vậy
sẽ dẫn đến sai số trong phép phân tích.
19


1.1.4.2. Phƣơng pháp tƣơng đối
Trong phƣơng pháp chuẩn tƣơng đối, mẫu cần phân tích đƣợc chiếu
cùng với mẫu chuẩn chứa một lƣợng nguyên tố đã biết của nguyên tố quan
tâm. Mẫu chuẩn đƣợc đo cùng điều kiện với mẫu phân tích. Tỉ số giữa diện
tích đỉnh của nguyên tố quan tâm trong mẫu phân tích và diện tích đỉnh của
nguyên tố quan tâm trong mẫu chuẩn đƣợc dùng để tính hàm lƣợng. Vì cùng
điều kiện chiếu và đo, nên trong phƣơng pháp này, các tham số về điều kiện
chiếu, đo, cũng nhƣ các tham số hạt nhân nhƣ: tiết diện, độ phổ biến đồng
vị,… đƣợc lƣợc bỏ, do đó đóng góp của những sai số của các đại lƣợng này
khơng cịn ảnh hƣởng đến kết quả phân tích.
Áp dụng cơng thức (1.5) cho cả hai trƣờng hợp mẫu chuẩn và mẫu phân
tích, sau đó thiết lập tỉ số của hai phƣơng trình, ta đƣợc cơng thức tính hàm
lƣợng bằng phƣơng pháp tƣơng đối nhƣ sau:
 N p / tc 
 WDC 
a

 N p / tc 

 wDC 

s

(1.10)

Trong đó:
W là khối lƣợng mẫu phân tích (g);
w là khối lƣợng nguyên tố quan tâm trong mẫu chuẩn = hàm lƣợng  khối
lƣợng mẫu chuẩn (g). Kí hiệu a chỉ mẫu phân tích và s chỉ mẫu chuẩn.
Trong phƣơng pháp này, một số điều kiện cần phải lƣu ý là mẫu phân
tích và mẫu chuẩn phải đƣợc hiệu chính hiệu ứng tự che chắn nơtron trong khi
chiếu và hiệu ứng suy giảm gamma trong mẫu. Đồng thời, việc thiết lập cấu
hình đo của mẫu phân tích và mẫu chuẩn phải đồng nhất.

20


Nhƣợc điểm chính của phƣơng pháp tƣơng đối là khơng phù hợp cho
phân tích đa ngun tố, vì khơng phải dễ dàng để tìm ra các loại mẫu chuẩn
đáp ứng dải rộng, cho các nguyên tố nhƣ các đối tƣợng trong mẫu phân tích,
và càng khó khăn hơn khi phải chuẩn bị một loạt các mẫu chuẩn có dải hàm
lƣợng tƣơng ứng.

1.2. Các hệ đo cơ bản trong NAA
Có thể kể một số hệ đo đƣợc sử dụng nhiều nhất trong phân tích kích
hoạt nhƣ sau:
- Hệ phổ kế gamma sử dụng một đetectơ HPGe.
- Hệ phổ kế triệt Compton (có các đetectơ nhấp nháy bao quanh đetectơ
HPGe, đetectơ HPGe làm đetectơ phân tích).

- Hệ phổ kế trùng phùng (gồm hai đetectơ HPGe có mọi thơng số cỡ
tƣơng đƣơng nhau),
Với phổ kế gamma sử dụng một đetectơ, việc sử dụng đetectơ HPGe có
độ phân giải cao tuy đã cải thiện đƣợc độ phân giải, tách đƣợc các đỉnh
gamma đặc trƣng của các đồng vị khác nhau nhƣng vẫn còn hai điểm chƣa thể
khắc phục đƣợc. Thứ nhất là nền phông Compton cao ở phía năng lƣợng thấp
của phổ gamma (tỷ số diện tích đỉnh/phơng thấp) làm giảm độ chính xác của
phép phân tích phổ; thứ hai là nếu có các đồng vị phát bức xạ gamma có năng
lƣợng sát với năng lƣợng đỉnh gamma đặc trƣng của đồng vị đƣợc quan tâm
thì sẽ khó phân tách đƣợc dẫn đến kết quả đo bị sai.
Việc sử dụng hệ phổ kế triệt Compton cho phép giảm nền phông
Compton và nhƣ vậy đã nâng cao đƣợc tỷ số diện tích đỉnh/phơng và làm kết
quả đo hàm lƣợng có độ chính xác cao hơn. Tuy nhiên, hệ phổ kế triệt
Compton không loại bỏ đƣợc điểm yếu thứ hai của phổ kế gamma sử dụng
một đetectơ – loại bỏ sự chồng chập về năng lƣợng của các bức xạ phát ra từ
mẫu phân tích.
Hệ phổ kế trùng phùng sử dụng đetectơ bán dẫn thì cho phép loại bỏ cả
hai vấn đề gây sai lệch kết quả phân tích nói trên: Việc sử dụng các xung Gate
21