ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP CHUẨN NỘI TRONG PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG NGUYÊN TỐ CHO CÁC MẪU GẠCH KHẢO CỔ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.26 MB, 50 trang )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

HÀ ANH TÚ - 1510414

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP CHUẨN NỘI TRONG PHÂN TÍCH
HÀM LƯỢNG NGUN TỐ CHO CÁC MẪU GẠCH KHẢO CỔ
KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. TRẦN TUẤN ANH

KHOÁ 2015 – 2020

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và người hướng dẫn
khoa học TS. Trần Tuấn Anh đang công tác tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt.
Các số liệu và kết quả trong khóa luận này là hoàn toàn trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Các thông tin trích dẫn trong
khóa luận đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bớ.
Tôi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về các nội dung trình bày trong khóa luận
này.

Sinh viên thực hiện đề tài
Hà Anh Tú

ii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................. vi
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP INAA .......................................3
1.1.

Tổng quan về kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron INAA ..........................3

1.2.

Các phương pháp tính hàm lượng ................................................................4

1.2.1. Phương pháp chuẩn đơn trong INAA .......................................................5
1.2.2. Phương pháp chuẩn hóa k0 – INAA.........................................................6
1.2.3. Phương pháp chuẩn nội trong phân tích kích hoạt neutron IM-NAA ......9
1.2.4. Chuẩn hóa k0 trong IM-NAA .................................................................13
1.3.

Hệ thiết bị NAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt......................................16

CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM ...............................................................................19
2.1

Mẫu và cách chuẩn bị mẫu .........................................................................19

2.2

Chiếu mẫu, đo mẫu và phân tích phổ gamma ............................................23

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................31
3.1

Hàm lượng nguyên tố trong mẫu chuẩn .....................................................31

3.2

Hàm lượng nguyên tố trong mẫu gốm với các dạng khác nhau .................33

KẾT LUẬN ...............................................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................40

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Neutron Activation Analysis

Phân tích kích hoạt neutron

Prompt Gamma Neutron

Phân tích kích hoạt neutron đo

Activation Analysis

gamma tức thời

INAA

Instrumental Neutron Activation
Analysis

Phương pháp phân tích kích hoạt
neutron dụng cụ

REEs

Rare Earth Elements

Các nguyên tố đất hiếm

Internal Monostandard Neutron

Phương pháp chuẩn nội trong

Activation Analysis

phân tích kích hoạt neutron

Large Sample Neutron
Activation Analysis

Phân tích kích hoạt neutron đối
với mẫu kích thước lớn

Internal Monostandard
Instrumental Neutron Activation
Analysis

Phương pháp chuẩn nội trong
phân tích kích hoạt neutron dụng
cụ

Internal Monostandard Prompt
Gamma Neutron Activation

Analysis

Phương pháp chuẩn nội trong
phân tích kích hoạt neutron đo
gamma tức thời

NAA
PGNAA

IM-NAA

LSNAA

IM-INAA

IM-PGNAA

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Ký hiệu box (kèm theo độ ẩm đối với mẫu bột) và khối lượng các mẫu .....20
Bảng 2 Thông tin về chu kỳ bán rã, các đỉnh năng lượng và giá trị k0 của các
nguyên tố quan tâm ...................................................................................................29
Bảng 3 Hàm lượng nguyên tố trong mẫu chuẩn Brick Clay NIST 679 BC56g .......31
Bảng 4 Hàm lượng nguyên tố trong mẫu GO1.........................................................33
Bảng 5 Hàm lượng nguyên tố trong mẫu GO2.........................................................34
Bảng 6 Hàm lượng nguyên tố trong mẫu GO3.........................................................35
Bảng 7 Hàm lượng nguyên tố trong mẫu GO4.........................................................36

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Mơ hình kích hoạt nhân bia tạo ra nhân phóng xạ .....................................3
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma GMX30190 ...............................................17
Hình 1.3. Một số mẫu có kích thước lớn, đã được nhóm tác giả Ấn Độ phân tích
bằng phương pháp chuẩn nội k0-IM-INAA..............................................................18
Hình 2.1. Mẫu gớm được chọn phân tích .................................................................19
Hình 2.2. Mẫu sau khi đóng gói ...............................................................................21
Hình 2.3. Cân sấy ẩm điện tử Ohaus MB45, 45g/0.001...........................................21
Hình 2.4. Các mẫu phân tích được sắp xếp và đóng gói ..........................................22
Hình 2.5. Xếp mẫu vào container nhôm ...................................................................22
Hình 2.6. Hệ phổ kế GMX30190 .............................................................................23
Hình 2.7. Giao diện phần mềm FitzPeaks ................................................................24
Hình 2.8. Giao diện khởi động phần mềm IM-Dalat ...............................................25
Hình 2.9. Giao diện phần mềm IM-Dalat .................................................................25
Hình 2.10. Nhập thông tin của mẫu..........................................................................26
Hình 2.11. Lựa chọn các đỉnh có thớng kê tớt và tin cậy .........................................26
Hình 2.12. Đường cong biểu diễn các nguyên tố làm chuẩn ...................................27
Hình 2.13. Chuẩn hoá đường cong hiệu suất ...........................................................27
Hình 2.14. Kết quả phân tích hàm lượng nguyên tố ................................................28
Hình 3.1. So sánh dữ liệu k0-INAA và k0-IM-INAA với giá trị chứng nhận của nhà
sản xuất mẫu Brick Clay NIST 679 ..........................................................................32
Hình 3.2. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu GO1 ..............................................33
Hình 3.3. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu GO2 ..............................................34
Hình 3.4. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu GO3 ..............................................35
Hình 3.5. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu GO4 ..............................................36

vi

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, trên thế giới có nhiều phương pháp phân tích nguyên tố được sử
dụng dựa trên bản chất hóa học và vật lý của đối tượng quan tâm. Mỗi phương pháp
sẽ được thực hiện cho một nhiệm vụ cụ thể, tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu. Phân
tích hoạt neutron NAA là một trong những kỹ thuật của vật lý hạt nhân đã được phát
triển ở nhiều phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trên thế giới dùng để phân tích định
tính và định lượng đa nguyên tố. Với hai phương pháp là phân tích kích hoạt neutron
đo gamma tức thời PGNAA và phân tích kích hoạt neutron dụng cụ INAA, kỹ thuật
này cho phép phân tích hầu hết các nguyên tố kim loại và phi kim trong bảng hệ thớng
bảng tuần hồn, được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học như địa chất,
khảo cổ học, y học, môi trường, hay thậm chí là khoa học pháp y. Ưu điểm của NAA
là có độ nhạy cao đối với một số nguyên tố vi lượng, cho kết quả phân tích hàm lượng
chính xác hơn các kỹ thuật phân tích khác với điều kiện là việc thu thập mẫu và quy
trình chuẩn bị mẫu cần phải hết sức cẩn thận. Các mẫu được thu thập phải mang tính
đại diện, cũng như quá trình làm mẫu phải đảm bảo về độ đồng đều.
Kỹ thuật phân tích kích hoạt sử dụng phương pháp chuẩn hoá k0-INAA đã
được phát triển và ứng dụng thành công trong phân tích định lượng thành phần
nguyên tố đối với các đối tượng mẫu khác nhau. Phương pháp này sử dụng một chuẩn
đơn (thường là 197Au) đưa vào chiếu đồng thời với mẫu phân tích để kiểm sốt thơng
lượng neutron trong q trình chiếu xạ và hằng số hạt nhân k0. Bên cạnh đó, hệ số
lệch phổ 𝛼 cùng với tỉ số thông lượng neutron nhiệt và trên nhiệt 𝑓 cần phải được xác
định chính xác tại vị trí chiếu. Ngồi ra, một tham số quan trọng trong phương pháp
này là hiệu suất ghi của đầu dị. Với các loại mẫu hình học chuẩn như dạng lá mỏng
hoặc hình trụ thì hiệu suất ghi có thể được xác định chính xác thơng qua các bộ ng̀n
chuẩn gamma. Tuy nhiên, đới với các mẫu hình học khơng chuẩn và tương đới dày

thì việc xác định hiệu suất ghi và hiệu chính suy giảm thông lượng neutron bên trong
mẫu gặp nhiều khó khăn.
Trước bài toán đặt ra cho hình học mẫu lớn và không phá hủy mẫu, phương
pháp chuẩn nội IM-NAA đã được đề xuất. Phương pháp này dựa trên cơ sở xác định
các đường cong hiệu suất nội tương đối của các nguyên tố hiện diện trong mẫu, từ đó
lập tỉ số đường cong hiệu suất tương đối và quy về một đường cong hiệu suất ghi
tương đối duy nhất, đường cong này đã bao gồm các hiệu ứng suy giảm cường độ
gamma trong mẫu (hiệu ứng hấp thụ gamma trong mẫu). Đây là ưu điểm của phương
1

pháp IM-NAA. Một ưu điểm khác của phương pháp này là sử dụng một nguyên tố
hiện diện trong mẫu làm nguyên tố chuẩn (chuẩn nội) và xác định tỉ số hàm lượng
tương đối của các nguyên tố khác trong mẫu đối với chuẩn nội. Chính vì sử dụng
nguyên tố hiện diện trong mẫu, nên nguyên tố được chọn làm chuẩn có cùng điều
kiện chiếu với các nguyên tớ khác, do đó sự ảnh hưởng của hiệu ứng tự che chắn
neutron đến kết quả phân tích có thể được loại bỏ. Phương pháp này rất có ý nghĩa
khoa học trong việc định tính và định lượng các nguyên tố trong các mẫu khảo cổ
học, có giá trị về lịch sử, bảo tồn giá trị lịch sử của mẫu, hoặc đối với các mẫu có
hình học lớn.
Nội dung khoá luận trình bày một số kết quả nghiên cứu áp dụng phương pháp
chuẩn hoá k0-IM-NAA trong việc xác định hàm lượng nguyên tố trong một số mẫu
gốm khảo cổ tại khu di tích Cát Tiên.
Bố cục khoá luận được sắp xếp như sau:
Chương 1 – Tổng quan về phương pháp INAA: Trình bày cơ sở lý thuyết, tổng
quan phương pháp INAA, các phương pháp tính hàm lượng và giới thiệu về hệ thiết
bị INAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
Chương 2 – Thực nghiệm: Trình bày cách chuẩn bị mẫu; thực nghiệm chiếu
mẫu và đo mẫu kích hoạt; xác định hiệu suất ghi tương đối với mẫu có hình học không
xác định; phân tích phổ gamma của các mẫu chuẩn và mẫu gốm khảo cổ.

Chương 3 – Kết quả và thảo luận: Trình bày các kết quả tính hàm lượng
nguyên tớ trong các mẫu chuẩn và mẫu gốm khảo cổ và thảo luận.

2

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP INAA

1.1.

Tổng quan về kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron INAA

Phân tích kích hoạt neutron NAA là một trong những phương pháp phân tích
đa nguyên tố. Nguyên lý của phương pháp NAA dựa trên phản ứng bắt neutron của
các hạt nhân, các hạt nhân trong bia mẫu được chiếu trong trường neutron sẽ bị biến
tính và trở thành các hạt nhân có tính phóng xạ. Các nhân phóng xạ này ở trạng thái
kích thích và có xu hướng giải kích thích về các trạng thái bền hoặc giả bền bằng
cách phát ra các bức xạ hạt nhân (neutron, alpha, beta, gamma, proton), riêng đối với
NAA quan tâm đến kênh phản ứng (n, ). Một hạt nhân bia X hấp thụ một neutron sẽ
tạo ra một nhân phóng xạ có cùng số Z nhưng khối lượng nguyên tử tăng lên một đơn
vị và phát ra bức xạ gamma tức thời:
A
ZX

+ 10n ⟶

A+1
ZX

+ γ

(1.1)

Hình 1.1. Mơ hình kích hoạt nhân bia tạo ra nhân phóng xạ
Phản ứng hạt nhân của neutron tới và bia mẫu được mô tả trong hình 1.1. Dựa
vào năng lượng và cường độ bức xạ đặc trưng của hạt nhân A+1X ta sẽ định tính và
định lượng được hạt nhân bia AX. Các nhân hợp phần giải kích thích bằng cách phát
ra các tia gamma tức thời, các tia gamma tức thời có thể được ghi đo bằng hệ phổ kế
sử dụng đầu dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết và phổ gamma được ghi nhận
theo dạng số đếm theo năng lượng tia gamma. Sau đó, phổ tia gamma tức thời của
phản ứng bắt neutron (n,) được xử lý để tính toán hàm lượng các nguyên tố có trong
3

mẫu, phương pháp này được gọi là phương pháp phân tích kích hoạt neutron đo
gamma tức thời PGNAA. Sau khi phát tia gamma tức thời, các nhân phóng xạ chuyển
về trạng thái đồng phân hoặc giả bền, các nhân này có xu hướng phát 𝛽 − để trở về
trạng thái cơ bản bền, và đi kèm là phát các tia gamma đặc trưng (gamma trễ). Các
nhân phóng xạ thường có thời gian bán hủy khoảng một vài phút đến nhiều năm,
phương pháp phân tích hàm lượng các nguyên tố thông qua ghi đo và phân tích các
tia gamma trễ được gọi là phương pháp phân tích kích hoạt neutron dụng cụ INAA.
Cả hai phương pháp PGNAA và INAA bổ trợ cho nhau đã hoàn thiện công cụ phân
tích đa nguyên tố của phương pháp NAA.
Phương pháp phân tích kích hoạt neutron dụng cụ INAA chia các nhóm hạt
nhân theo thời gian bán rã bao gồm: các hạt nhân sống ngắn như Al, V, Ti, Ca, Si,
Cu, Mg, Mn, Dy, Cl, U (thời gian bán rã từ một vài phút đến vài giờ). Các hạt nhân
sống trung bình như Na, K, Ga, As, Au (từ vài giờ đến vài ngày) và các hạt nhân sống
dài (nhiều ngày đến vài tháng, vài năm) như Ba, La, Nd, Sm, Lu, Sc, Cr, Fe, Co, Rb,
Zr, Sb, Cs, Ce , Eu, Tb, Yb, Ta, Pa(Th), Ag, Hf, Ni, Sn, Zn. Đối với INAA, quá trình
chiếu, quá trình rã và quá trình đo sẽ được định trước tùy thuộc vào yêu cầu phân tích

các hạt nhân sống ngắn, sống trung bình hay hạt nhân sống dài, ngồi ra cịn tùy thuộc
vào tiết diện phản ứng bắt neutron của nguyên tố cần phân tích.
1.2.

Các phương pháp tính hàm lượng

Phương trình kích hoạt trong phương pháp NAA được biểu diễn như sau [1]:
∞

𝑅 = ∫0 𝜎(𝜈)𝜙(𝜈)𝑑𝜈

(1.2)

− ν là vận tốc của neutron [m.s-1];
− σ(ν) là tiết diện bắt neutron [m2] tại vận tốc ν;
− ϕ(ν) là cường độ neutron [m-3] với vận tốc giữa ν và ν + dν.
Phương trình số đếm 𝑁𝑝 đối với phương pháp INAA là [1]:
𝑁𝑝 = 𝑅. 𝑁0 . 𝑆. 𝐷. 𝐶. 𝐼𝛾 . 𝜀𝑝 . 𝑡𝑐
− 𝑁0 : số hạt nhân;
− 𝐼𝛾 : xác suất phát của tia gamma;
− 𝜀𝑝 : hiệu suất ghi của detector;
− 𝑆 = (1 − 𝑒 −𝜆𝑡𝑖𝑟 ): Hệ sớ bão hồ trong khi chiếu;
− 𝐷 = (𝑒 −𝜆𝑡𝑑 ): Hệ sớ hiệu chính thời gian rã;

4

(1.3)

− 𝐶=

(1−𝑒 −𝜆𝑡𝑐 )
𝜆.𝑡𝑐

: Hệ sớ hiệu chính sự phân rã trong khi đo.

Tốc độ phản ứng R ở phương trình (1.2) được viết lại theo quy ước Hogdahl:
𝑅 = 𝐺𝑡ℎ 𝜙𝑡ℎ 𝜎0 + 𝐺𝑒 𝜙𝑒 𝐼0 (𝛼)

(1.4)

− 𝐺𝑡ℎ là hệ sớ hiệu chính tự che chắn neutron nhiệt;
− 𝜙𝑡ℎ là thông lượng neutron nhiệt;
− 𝜎0 là tiết diện neutron tại vận tốc 2200 m.s-1;
− 𝐺𝑒 là hệ số hiệu chính tự che chắn neutron trên nhiệt;
− 𝜙𝑒 là thông lượng neutron trên nhiệt;
− 𝐼0 (𝛼 ) là tiết diện tích phân cộng hưởng của phân bớ thông lượng neutron
trên nhiệt không tuân theo quy luật 1/E.
Phương trình tính hàm lượng nguyên tố trong phương pháp phân tích kích hoạt
neutron dụng cụ INAA:
Thế R từ (1.4) vào (1.3) ta có:
𝑁𝑝 =
Với 𝑁0 =

𝑤𝜃𝑁𝐴
𝑀

𝑆𝐷𝐶. 𝐼𝛾 . 𝜀𝑝 . 𝑡𝑐 [𝐺𝑡ℎ 𝜙𝑡ℎ 𝜎0 + 𝐺𝑒 𝜙𝑒 𝐼0 (𝛼)]

(1.5)

𝑤𝜃𝑁𝐴
𝑀

− 𝜃: độ phổ biến đồng vị trong tự nhiên;
− 𝑤: khối lượng nguyên tố x trong mẫu;
− 𝑁𝐴 : số Avogadro;
− 𝑀: số khối.
Từ (1.4) và 𝑤 = 𝜌. 𝑊, với 𝜌 là hàm lượng và 𝑊 là khới lượng mẫu, ta có
phương trình tính hàm lượng của một nguyên tố trong phương pháp phân tích kích
hoạt INAA như sau [1]:
𝜌=

𝑁𝑝 /𝑡𝑐

𝑀

1

.

1

𝑆.𝐷.𝐶.𝑊 𝑁𝐴 .𝜃.𝐼𝛾 [𝐺𝑡ℎ 𝜙𝑡ℎ 𝜎0 +𝐺𝑒 𝜙𝑒 𝐼0 (𝛼)] 𝜀𝑝

(1.6)

1.2.1. Phương pháp chuẩn đơn trong INAA
Phương pháp này được đưa ra bởi Giraadi dựa trên việc gộp các thông số hạt
nhân, điều kiện chiếu và đo vào một hệ số k như sau [1]:

𝑘=

∗
∗
𝑀.𝜃∗ 𝜎0∗ .𝐼∗ 𝐺𝑡ℎ
𝑓+𝐺𝑒∗ 𝑄0∗ (𝛼) 𝜀𝑝

𝑀∗ .𝜃.𝜎0 .𝐼𝛾 𝐺𝑡ℎ 𝑓+𝐺𝑒 𝑄0 (𝛼) 𝜀𝑝

5

(1.7)

Trong đó:
𝑄0 −0.429
𝐸̅𝑟𝛼

𝑄0 (𝛼) =
với 𝑄0 =

𝐼0
𝜎0

; 𝑄0 (𝛼) =

+

0.429
𝛼 (2𝛼+1)

𝐸𝐶𝑑

(1𝑒𝑉)𝛼

𝐼0 (𝛼)
𝜎0

− 𝐸𝐶𝑑 = 0,55 eV là năng lượng cắt ngưỡng cadmium;
− 𝐸̅𝑟 là năng lượng cộng hưởng hiệu dụng (eV);
− 𝛼 là hệ số biểu diễn độ lệch phân bố phổ neutron trên nhiệt khỏi quy luật
1/𝐸, gần đúng ở dạng 1/𝐸1+𝛼 .
Người ta xác định bằng thực nghiệm các hệ số k của nguyên tố chuẩn đối với
từng nguyên tố quan tâm, sau đó lập thành bảng. Khi phân tích, người ta chỉ cần chiếu
kèm mẫu với một nguyên tố chuẩn đã chọn (do đó gọi là phương pháp chuẩn đơn) và
dùng các hệ số k để tính hàm lượng nguyên tố quan tâm theo công thức sau [1]:
ρ(μg/g)=

(N p /t m )/(w.S.D.C)  1  6
.   .10
(N p /t m )* /(W.S.D.C)*  k 

(1.8)

Với phương pháp chuẩn đơn việc phân tích đa nguyên tố trở nên dễ dàng hơn.
Tuy nhiên, hệ số k phụ thuộc vào các thông số của thiết bị chiếu và hệ đo. Do đó,
phương pháp này không có tính linh hoạt cho việc chiếu và đo bức xạ.
1.2.2. Phương pháp chuẩn hóa k0 – INAA
Áp dụng phương trình cơ bản cho một lá dò (monitor, kí hiệu: m) được kích
hoạt trong lò phản ứng, ta có [1]:
𝜌𝑚 = (

𝑁𝑝
𝑡𝑐

𝑆.𝐷.𝐶.𝑊

) (
𝑚

𝑀
𝑁𝐴 𝜃𝐼𝛾

) .
𝑚

1

1

[𝐺𝑡ℎ,𝑚 𝜙𝑡ℎ 𝜎0,𝑚 +𝐺𝑒,𝑚 𝜙𝑒 𝐼0,𝑚 (𝛼)] 𝜀𝑝,𝑚

𝑅

(1.9)

Lập tỉ số, với 𝑤𝑚 = 𝜌𝑚 . 𝑊𝑚 ta được:

𝜌
=
𝑤𝑚

𝑁𝑝
𝑡𝑐
𝑀
1
1
.
𝑆. 𝐷. 𝐶. 𝑊 𝑁𝐴 𝜃𝐼𝛾 [𝐺𝑡ℎ 𝜙𝑡ℎ 𝜎0 + 𝐺𝑒 𝜙𝑒 𝐼0 (𝛼)] 𝜀𝑝
𝑁𝑝
𝑡𝑐
𝑀
1
1
(
) (
) .
𝑆. 𝐷. 𝐶. 𝑊
𝑁𝐴 𝜃𝐼𝛾 𝑚 [𝐺𝑡ℎ,𝑚 𝜙𝑡ℎ 𝜎0,𝑚 + 𝐺𝑒,𝑚 𝜙𝑒 𝐼0,𝑚 (𝛼)] 𝜀𝑝,𝑚
𝑚

(1.10)

6

Sắp xếp lại (1.10), ta được:
𝜌=

𝑁𝑝
𝑡𝑐

𝑆.𝐷.𝐶.𝑊

𝐴𝑠𝑝,𝑚

.

𝑀𝜃𝑚 𝐼𝛾,𝑚
𝑀𝑚 𝜃𝐼𝛾

∙

[𝐺𝑡ℎ,𝑚 𝜙𝑡ℎ 𝜎0,𝑚 +𝐺𝑒,𝑚 𝜙𝑒 𝐼0,𝑚 (𝛼)] 𝜀𝑝,𝑚
[𝐺𝑡ℎ 𝜙𝑡ℎ 𝜎0 +𝐺𝑒 𝜙𝑒 𝐼0 (𝛼)]

𝜀𝑝

(1.11)

Thay 𝐼0 (𝛼) = 𝑄0 (𝛼) ∙ 𝜎0 , ta được:
𝑁𝑝
𝑡𝑐
𝑆.
𝐷.
𝐶. 𝑊 . 𝑀𝜃𝑚 𝐼𝛾,𝑚 ∙ [𝐺𝑡ℎ,𝑚 𝜙𝑡ℎ 𝜎0,𝑚 + 𝐺𝑒,𝑚 𝜙𝑒 𝑄0,𝑚 (𝛼)𝜎0,𝑚 ] 𝜀𝑝,𝑚
𝜌=
[𝐺𝑡ℎ 𝜙𝑡ℎ 𝜎0 + 𝐺𝑒 𝜙𝑒 𝑄0 (𝛼)𝜎0 ]
𝐴𝑠𝑝,𝑚
𝑀𝑚 𝜃𝐼𝛾
𝜀𝑝
𝑁𝑝

𝑡𝑐
𝑀𝜃𝑚 𝐼𝛾,𝑚 𝜎0,𝑚 [𝐺𝑡ℎ,𝑚 𝜙𝑡ℎ + 𝐺𝑒,𝑚 𝜙𝑒 𝑄0,𝑚 (𝛼)] 𝜀𝑝,𝑚
𝜌 = 𝑆. 𝐷. 𝐶. 𝑊 .
∙
[𝐺𝑡ℎ 𝜙𝑡ℎ + 𝐺𝑒 𝜙𝑒 𝑄0 (𝛼)]
𝐴𝑠𝑝,𝑚
𝑀𝑚 𝜃𝐼𝛾 𝜎0
𝜀𝑝
Nhân cả tử và mẫu với

1
𝜙𝑒

(với 𝑓 =

𝜙𝑡ℎ
𝜙𝑒

) ta được

𝑁𝑝
1
𝑡𝑐
[𝐺𝑡ℎ,𝑚 𝜙𝑡ℎ + 𝐺𝑒,𝑚 𝜙𝑒 𝑄0,𝑚 (𝛼)] 𝜀
𝑀𝜃
𝐼
𝜎
𝜙
𝑚 𝛾,𝑚 0,𝑚
𝑝,𝑚

𝜌 = 𝑆. 𝐷. 𝐶. 𝑊 ∙
∙ 𝑒
1
𝐴𝑠𝑝,𝑚
𝑀𝑚 𝜃𝐼𝛾 𝜎0
𝜀𝑝
[𝐺 𝜙 + 𝐺𝑒 𝜙𝑒 𝑄0 (𝛼)]
𝜙𝑒 𝑡ℎ 𝑡ℎ
𝑁𝑝
𝑡𝑐
𝑆.
𝐷.
𝐶. 𝑊 ∙ 𝑀𝜃𝑚 𝐼𝛾,𝑚 𝜎0,𝑚 ∙ [𝐺𝑡ℎ,𝑚 𝑓 + 𝐺𝑒,𝑚 𝑄0,𝑚 (𝛼)] 𝜀𝑝,𝑚
𝜌=
[𝐺𝑡ℎ 𝑓 + 𝐺𝑒 𝑄0 (𝛼)]
𝐴𝑠𝑝,𝑚
𝑀𝑚 𝜃𝐼𝛾 𝜎0
𝜀𝑝
(1.12)
Để phương pháp chuẩn đơn có thể được áp dụng linh hoạt hơn khi thay đổi
điều kiện chiếu và hệ đo, và để phương pháp tuyệt đối chính xác hơn, Simonits và
các tác giả khác đã đề nghị sử dụng hệ số k0. Hệ số k0 được xác định bằng thực nghiệm
giống như hệ số k trong phương pháp chuẩn đơn, nhưng khác ở chỗ là các hệ số k0
chỉ bao gồm các thông số chiếu và điều kiện đo. Như vậy, hệ số k0 là tổ hợp của các
thông số hạt nhân và độc lập với thiết bị chiếu và hệ đo.
Trong phương pháp k0, các số liệu hạt nhân từ các tài liệu tra cứu được thay
bằng một tổ hợp các hằng số hạt nhân. Các hằng số này được xác định một cách chính
xác bằng thực nghiệm, được gọi là hệ số k0.
𝑘0,𝑚 (𝑎) =

7

𝑀𝑚 𝜃𝑎 𝐼𝛾,𝑎 𝜎0,𝑎
𝑀𝑎 𝜃𝑚 𝐼𝛾 𝜎0,𝑚

(1.13)

(hệ số 𝑘0,𝑚 (𝑎) của nguyên tố phân tích “a” so với lá dị “m”)
Thay hệ sớ k0 ở vào phương trình (1.12) ở trên, ta thu được phương trình cơ
bản của phương pháp k0, tức là công thức để tính hàm lượng của một nguyên tố trong
mẫu:
𝑁𝑝 ⁄𝑡𝑐
)
𝑆. 𝐷. 𝐶. 𝑊 𝑎
1
[𝐺𝑡ℎ,𝑚 𝑓 + 𝐺𝑒,𝑚 𝑄0,𝑚 (𝛼)] 𝜀𝑝,𝑚
𝜌=
∙
∙
𝐴𝑠𝑝,𝑚
𝑘0,𝑚 (𝑎) [𝐺𝑡ℎ,𝑎 𝑓 + 𝐺𝑒,𝑎 𝑄0,𝑎 (𝛼)] 𝜀𝑝,𝑎
(

(1.14)
Phương pháp k0-INAA thường sử dụng lá dò vàng (Au) làm chuẩn (gọi là
monitor). Hằng số k0,Au(a) trở thành thông số hạt nhân đối với phổ neutron nhiệt. Các
số liệu hạt nhân được cho như sau:
0 = 98.56  0.90 (barn);
Q0 = 15.71  0.28;

I0 = 1550  28 (barn).
Trong thực tế, để áp dụng phương pháp k0 trong NAA, hai vấn đề quan trọng
cần phải thực hiện là thực nghiệm xác định các thông số phổ neutron tại vị trí kích
hoạt mẫu và xác định hiệu śt ghi tuyệt đới của đầu dị.
Phương pháp k0 đã chuẩn hóa quy trình phân tích trong NAA, nâng cao độ
chính xác của kết quả phép tích, giúp cho các phép tính toán trở nên đơn giản hơn.
Tuy nhiên kỹ thuật NAA nói chung và k0-NAA vẫn cịn hạn chế ở một sớ điểm như
sau: Đới với quy trình phân tích trong INAA thì khối lượng mẫu khoảng 50mg đến
200 mg, vì vậy các mẫu phân tích phải được phá hủy mẫu, nghiền mịn để đảm bảo
tính dại diện trong phép phân tích. Nếu khối lượng mẫu quá lớn, tại vị trí chiếu mẫu
nằm trong vùng hoạt lò phản ứng hạt nhân có thể đưa một độ phản ứng âm lớn, ảnh
hưởng đến quá trình vận hành bình thường của lị. Ngồi ra, thông lượng trong
phương pháp INAA khoảng 1011 đến 1012 n/cm2s, do đó nếu chiếu mẫu khối lượng
lớn, thì sau khi chiếu hoạt độ sẽ rất lớn, gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ phổ kế
gamma (thời gian chết tăng, hoạt độ quá lớn có thể gây lão hóa tinh thể đầu dò), làm
sai lệch hiệu suất ghi của hệ đo so với hiệu suất đúng trong điều kiện hoạt động bình
thường. Kích thước mẫu trong INAA cũng bị giới hạn trong các hộp đựng mẫu dạng
đĩa hoặc dạng trụ kích thước nhỏ để gần nhất với hình học nguồn điểm, và để giảm

8

thiểu các hiệu ứng tự che chắn gamma trong mẫu cũng như đảm bảo ít ảnh hưởng
đến sự thay đổi trường neutron đi qua mẫu.
Phương pháp NAA truyền thống bị những hạn chế trong việc chuẩn bị mẫu,
bao gồm giới hạn về kích thước, hình học, khối lượng mẫu và quá trình chuẩn bị mẫu
phải rất tỉ mỉ để đảm bảo tính dại diện của mẫu được phân tích mang đầy đủ đặc trưng
của đối tượng cần phân tích. Trong những năm gần đây, ngành khảo cổ học đã bắt
đầu quan tâm đến thành phần cấu tạo của các cổ vật, nếu biết được hàm lượng của
các nguyên tố kết hợp với phương pháp xử lý thống kê đa biến có thể truy xuất hoặc

dự đoán về nguồn gốc của cổ vật. Trong ngành công nghiệp chế tạo cơ khí, việc xác
định tỉ số hàm lượng các nguyên tố đa lượng trong các cấu kiện cũng rất quan trọng.
Các tỉ số hàm lượng phải đúng tỷ lệ mà yêu cầu công nghệ đặt ra để đảm bảo về độ
bền cơ học trong quá trình hoạt động, các cấu kiện cơ khí thường có kích thước lớn
và hình thù đa dạng. Trước yêu cầu phân tích hàm lượng các nguyên tố trong các mẫu
có khối lượng lớn, kích thước lớn và hình học không chuẩn nhưng không được phép
phá hủy mẫu, các phương pháp phân tích thuần túy như tương đối, tuyệt đối hoặc k0
chưa thể giải quyết được. Phương pháp chuẩn nội IM-NAA đã được đề xuất để khắc
phục những hạn chế của các phương pháp NAA truyền thống trước đây.
1.2.3. Phương pháp chuẩn nội trong phân tích kích hoạt neutron IM-NAA
Trong khảo cổ học, các mẫu khảo cổ vô cùng quý giá về khía cạnh lịch sử.
Những hiểu biết về thành phần các nguyên tố trong mẫu có thể gián tiếp giúp truy
xuất nguồn gốc của cổ vật và tìm hiểu xem chúng có cùng nguồn gốc về lãnh thổ địa
lý với những cổ vật khác đã được phát hiện trước đây hay không, qua đó có thể giải
đáp về nền văn minh nhân loại, về sự di cư của con người trong những thế kỷ trước.
Bên cạnh đó, một số tác phẩm nghệ thuật có giá trị rất lớn trong ngành mỹ nghệ, việc
xác định tính thật giả của tác phẩm nghệ thuật là vô cùng quan trọng. Các nhà khảo
cổ, các nhà mỹ nghệ yêu cầu về kỹ thuật phân tích có thể đảm bảo tính toàn vẹn của
mẫu, không được phép phá hủy mẫu. Các mẫu cổ vật, tác phẩm nghệ thuật thường có
khối lượng từ một vài gam đến vài kilogam, với hình dáng được chế tác vô cùng đa
dạng. Trước yêu cầu đó phương pháp phân tích kích hoạt neutron mẫu kích thước lớn
LSNAA ra đời đã phần nào đó giải quyết được các yêu cầu đặt ra đới với phân tích
hạt nhân không phá hủy mẫu và các mẫu có kích thước lớn và hình học không chuẩn.
Phương pháp lần đầu tiên áp dụng thành công trên lò phản ứng từ năm 1990, đã minh
chứng tính khả thi của kỹ thuật NAA trong việc phân tích các mẫu có kích thước lớn
LSNAA và hình học không chuẩn. Trong phân tích kích hoạt các mẫu lớn LSNAA,
9

các phương pháp được đề xuất tương tự với các mẫu kích thước nhỏ trong NAA bao

gồm [2]:
− Phương pháp tuyệt đối;
− Phương pháp so sánh;
− Phương pháp k0;
− Phương pháp chuẩn nội sử dụng chuẩn hóa k0.
Phương pháp chuẩn hóa tuyệt đối trong NAA dựa trên các giá trị đã biết của
thông lượng nhiệt, thông lượng trên nhiệt và tiết diện kích hoạt liên quan được tính
từ đo đạc thực nghiệm, từ các ước lượng vật lý lò phản ứng (thông lượng neutron)
hoặc từ số liệu lý thuyết (tiết diện). Đối với nhiều phản ứng (𝑛, 𝛾) và các nhân phóng
xạ, các tham sớ như tiết diện, cường độ phát tuyệt đới gamma và thời gian bán rã có
sai số không thể ước lượng được. Hơn thế, độ giàu đồng vị tự nhiên của một số
nguyên tố cũng chưa hẳn đã chính xác. Đó là lý do vì sao sự thay đổi của các tham
số thường được đánh giá bằng các phương pháp độc lập khác, độ bất định của từng
tham số sẽ đóng góp làm tăng sai số của giá trị hàm lượng nguyên tớ. Điều này cịn
có thể dẫn đến sai số lớn trong đo đạc, do đó phương pháp tuyệt đối cho LSNAA có
thể áp dụng tốt nhất nếu các thành phần nền matrix của mẫu được chuẩn bị tốt, phù
hợp với vật liệu tinh khiết hoặc yêu cầu phân tích với độ chính xác không quá cao.
Các nước như Mỹ, Hi lạp, Romani đã ứng dụng phương pháp tuyệt đối trong LSNAA.
Phương pháp tương đối trong LSNAA tương tự như trong NAA, các mẫu
chuẩn được chuẩn bị cùng dạng hình học và tương đồng nền matrix với mẫu cần phân
tích, sau đó được chiếu cùng lúc, quá trình đo đạc cùng điều kiện. Nếu thỏa mãn các
điều kiện nêu ra ở trên thì phương pháp tương đối là phương pháp đơn giản nhất và
đã được chứng minh là sẽ cho kết quả có độ chính xác cao nhất trong các phương
pháp của LSNAA. Phương pháp tương đối trong LSNAA [2] đã được áp dụng thành
công ở Peru. Tuy nhiên, hầu như không thể chế tạo được mẫu chuẩn mà nền matrix
cùng cấp hàm lượng với các nguyên tố trong mẫu cần phân tích thỏa mãn các nguyên
tố đa lượng và vi lượng. Một điều đáng quan tâm là phương pháp tương đối sẽ bất
khả thi khi xét về mặt kinh tế, vì mẫu chuẩn với khới lượng lớn có giá rất đắt nên
phương pháp này rất ít được sử dụng.
Phương pháp chuẩn đơn k0 trong LSNAA dựa trên một hệ số tích hợp tất cả

các tham số hạt nhân độc lập với quá trình chiếu, quá trình đo (hệ số k0) và tham số
hóa điều kiện chiếu và đo [3]. Với điều kiện chiếu, tỉ số f giữa neutron nhiệt và trên
nhiệt, và hệ số 𝛼, hệ số Q giữa tích phân cộng hưởng và tiết diện được xác định trong
10

thực nghiệm. Bước này thường làm một lần duy nhất trừ khi có những thay đổi đáng
kể trong cấu hình vùng hoạt của lò phản ứng hạt nhân. Thêm vào đó, trong mỗi phép
chiếu thì một hoặc nhiều lá dò thông lượng được chiếu kèm theo để ước lượng sự
biến đổi của thông lượng. Áp dụng phương pháp dựa trên hệ số k0 thì đơn giản hóa
đáng kể khi quá trình chiếu được thực hiện trong trường neutron thuần nhiệt và ổn
định như vị trí chiếu cột nhiệt trong lò phản ứng. Khó khăn gặp phải của chuẩn đơn
k0 trong LSNAA là phải xây dựng được đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối cho mẫu
có kích thước lớn, điều này đòi hỏi phải lấy tích phân hiệu suất theo thể tích, hoặc
phải tính toán hiệu suất bằng phương pháp mô phỏng. Phương pháp này cực kỳ hữu
ích đối với phân tích các mẫu lớn ví dụ như chất lỏng (mẫu nước, mẫu dầu). Các nước
Hà Lan, Braxin, Thái Lan, Malaysia và Ai cập đã sử dụng phương pháp này [2].
Phương pháp chuẩn nội IM-NAA yêu cầu biết trước hàm lượng của một
nguyên tố hóa học trong mẫu, và nguyên tố này được sử dụng như một chuẩn nội. Lý
do sử dụng phương pháp này là do hiệu ứng nhiễu loạn trường neutron là giống nhau
đối với các nguyên tố hóa học có trong mẫu. Giả định khác rằng phương pháp chuẩn
đơn và các nguyên tố khác có thể được đo với tỉ số không đổi thông qua nền matrix
đồng nhất tại mọi vị trí trong mẫu. Phương pháp sử dụng hiệu suất nội tương đối
(insitu relative detection efficiency), được xây dựng từ các tia gamma phát ra từ các
sản phẩm kích hoạt của các nguyên tố hiện diện trong mẫu, đường cong hiệu suất nội
tương đối khắc phục vấn đề hiệu ứng tự che chắn gamma trong mẫu. IM-NAA đưa
ra hàm lượng tương đối ứng với khối lượng của chuẩn nội, tỉ số khối lượng tương đối
được chuyển đổi sang hàm lượng tuyệt đối khi biết được hàm lượng của chuẩn nội
[4]. Đặc biệt trong nhiều trường hợp, các mẫu kim loại hoặc phi kim là đa lượng và
vi lượng tương tự như NAA, tỉ số khối hàm lượng tuyệt đối có thể được suy ra từ

phương trình cân bằng khối lượng và phương pháp này được gọi là phương pháp “phi
chuẩn” (standardless) của NAA. Tại Ấn Độ đã pháp triển phương pháp này thành
công và thường sử dụng nó để phân tích các mẫu lớn kích thước lớn và đa dạng.
Phương pháp IM-NAA thuận lợi cho phân tích mẫu lớn và mẫu có kích thước không
chuẩn, trong các điều kiện tỉ số f là 103 – 104, như tại vị trí chiếu cột nhiệt của các lò
phản ứng.
Ưu điểm của phương pháp LSNAA sử dụng lò phản ứng là vị trí chiếu mẫu
thường được đặt tại các cột nhiệt nằm bên ngồi vùng hoạt của lị. Các mẫu có kích
thước và khối lượng lớn khi được chiếu tại các cột nhiệt sẽ ít ảnh hưởng đến độ phản
ứng của vùng hoạt lò phản ứng, thông lượng tại các cột nhiệt tương đối lớn, do đó
11

phương pháp có độ nhạy cao đối với các nguyên tố vi lượng so với sử dụng các nguồn
neutron đồng vị hay máy phát neutron. Bên cạnh đó, có thể phân tích hàm lượng các
mẫu kích thước lớn mà không phải phá hủy mẫu.
Phương pháp phân tích kích hoạt neutron đối với mẫu lớn có một vài điểm bất
lợi như sau:
− Sự suy giảm thông lượng neutron trong quá trình chiếu mẫu vì kích thước
mẫu rất lớn, khối lượng lớn và bề dày lớn;
− Hiệu ứng suy giảm cường độ gamma trong mẫu;
− Quá trình chuẩn bị các chuẩn đa nguyên tớ với hình học mẫu tương đờng
với hình học của mẫu thực;
− Q trình chiếu mẫu kích thước lớn gây ra liều phóng xạ cao;
− Đánh giá giá trị hiệu suất ghi gamma cho các mẫu hình học phức tạp khi áp
dụng phương pháp chuẩn đơn k0 trong LSNAA. Các phịng thí nghiệm thực
nghiệm LS-INAA sử dụng quy trình cẩn trọng để tránh các vấn đề về nhiễu
loạn trường neutron và hiệu ứng tự che chắn gamma trong mẫu [5].
Khắc phục các khó khăn nêu ra trong phương pháp chuẩn đơn k0 của LSNAA
ở trên và các phương pháp tuyệt đới và tương đới trong LSNAA, địi hỏi phải có sự

cải tiến về phương pháp. Phương pháp chuẩn nội k0 trong LSNAA đã được đề xuất
cho mục tiêu phân tích hàm lượng các nguyên tố trong mẫu có khối lượng lớn và hình
học không chuẩn [6]. Theo phương pháp này, thay vì dùng một chuẩn đơn thì một
nguyên tố hiện diện trong mẫu được sử dụng như một nguyên tố chuẩn và hàm lượng
tương đối của các thành phần khác có thể tính toán từ nó. Các hiệu ứng suy giảm của
gamma và neutron trong mẫu được hiệu chính bằng đề xuất đưa ra hiệu chuẩn hiệu
suất nội của mẫu, phương pháp này sử dụng các tia gamma từ chuẩn đơn cho hiệu
chuẩn hiệu suất ghi tương đối. Quan hệ tuyến tính giữa Logarit của hiệu suất và logarit
của năng lượng được giả định rằng, tỉ số tiết diện thực nghiệm được biết trước và
được sử dụng trong tính toán. Từ đó các tia gamma phát ra từ các nhân phóng xạ đơn
được sử đụng trong hiệu chuẩn hiệu suất, nó chỉ có thể áp dụng trong dải năng lượng
giới hạn và sự lựa chọn nguyên tố chuẩn đơn cũng sẽ được giới hạn.
Phương pháp chuẩn nội trong INAA được đề xuất bởi nhóm tác giả Ấn Độ
Sudarshan [7] để xác định hàm lượng tương đối cho các mẫu hình học không chuẩn.
Phương pháp này có thể áp dụng trong khoảng khối lượng từ 50 mg đến 5g [8], linh
hoạt khi sử dụng các tia gamma phát ra từ nhiều nhân phóng xạ và mỗi nhân phóng
xạ phát từ 2 đỉnh gamma trở lên có thể xây dựng được một đường hiệu suất tương
12

đối. Do đó, đối với nhiều nhân phóng xạ khác nhau có thể thu được các đường cong
hiệu suất tương đối tương ứng. Theo lý thuyết thì các đường cong này song song với
nhau, và từ đây có thể quy về một đường cong hiệu suất ghi tương đối duy nhất, sẽ
được trình bày tiếp theo trong phần chuẩn hiệu suất nội tương đối trong INAA. Tính
nổi bật của phương pháp chuẩn nội dựa trên hệ số k0 trong INAA bao gờm:
− Tính khả dụng của thủ thuật hiệu chuẩn hiệu śt nội tương đới của mẫu để
hiệu chính sự suy giảm cường độ gamma và các hình học khác nhau;
− Trong nghiên cứu của nhóm tác giả Sudarshan nêu ra rằng: có thể áp dụng
phương pháp chuẩn nội k0-INAA đới với các mẫu rắn hoặc mẫu lỏng kích
thước lớn. Phương pháp đã được áp dụng đối với các mẫu kim loại và phi

kim kích thước lớn và hình học không chuẩn [7]. Phương pháp này đã được
sử dụng lần đầu để xác định hàm lượng của các thành phần trong các mẫu
hình học lớn và khơng chuẩn nêu ra trong bài báo được cơng bớ bởi nhóm
tác giả Ấn Độ [7].
1.2.4. Chuẩn hóa k0 trong IM-NAA
Phương pháp chuẩn hóa k0 trong IM-NAA sử dụng một nguyên tố hiện diện
trong mẫu, nên giá trị thông lượng được tối giản trong công thức tính hàm lượng.
Thêm vào đó, có nguyên tớ chuẩn hiện diện trong mẫu, cùng điều kiện kiện chiếu
(theo vị trí, theo độ dày của mẫu) nên sai số trong quá trình chiếu có thể được triệt
tiêu trong phương pháp k0-IM-NAA. Đường cong hiệu suất tương đối được xây dựng
trên cùng một nền matrix mẫu, nên toàn bộ các ảnh hưởng của sự suy giảm cường độ
gamma đối với các hạt nhân đã được tự hiệu chính trong giá trị hiệu suất ghi tương
đối. Vì vậy khi tính toán sử dụng giá trị hiệu suất tương đối thì kết quả phân tích sẽ
chính xác hơn. Hơn nữa, đường cong hiệu suất ghi tương đối cũng chính là đường
cong hiệu suất tương đối ứng với dạng hình học của mẫu, đây là một điểm mạnh mà
phương pháp phân tích LSNAA trước đây phải sử dụng nhiều phương pháp phức tạp
để hiệu chính (chế tạo mẫu chuẩn cùng hình học trong phương pháp so sánh của
LSNAA, hoặc mô phỏng Monte Carlo trong chuẩn đơn k0 của LSNAA, hoặc tính
hiệu suất bằng tích phân hiệu suất theo thể tích của mẫu thường cho giá trị hiệu suất
với sai số lớn). Chính vì vậy phương pháp chuẩn nội k0 trong phân tích kích hoạt
neutron đối với các mẫu có khối lượng lớn, hình học mẫu lớn và không chuẩn đã giải
quyết một cách trọn vẹn và đơn giản nhất, các vấn đề nảy sinh trong LSNAA.

13

1.2.4.1.

Phương pháp chuẩn nội k0-IM-INAA

Khi một mẫu đồng nhất được chiếu trong trường neutron, tỉ số giữa khối lượng
m của nguyên tố x đối với nguyên tố y được biểu diễn theo biểu thức [7]:
mx
my

=

((SDC)(f+Q0 (α)))

(ε )
y Np x p y

1

((SDC)(f+Q0 (α))) Np y (εp )x k0,y(x)
x

(1.15)

Đối với mẫu hình học không chuẩn, hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần
(εp ) của detector được tính bằng tích phân trên toàn bộ thể tích (V) của mẫu và được
định nghĩa εp = ∭𝑉 𝜀(𝐸𝛾 , ⃗⃗⃗
𝑟)𝑑𝑉 . Hệ số 𝑘0,𝑦(𝑥) là hệ số độ nhạy tương đối của nguyên
tố x đối với nguyên tố y, hệ số này có thể tính toán từ hệ số k0 lý thuyết sử dụng biểu
thức sau:
𝑘0,𝑦(𝑥) = 𝑘0,𝐴𝑢(𝑥) /𝑘0,𝐴𝑢(𝑦)

(1.16)

Chi tiết của các phương pháp k0 và tầm quan trọng của các tham số cũng như

năng lượng 𝐸𝛾 và các hệ số f, 𝛼 được trình bày trong tài liệu [9], [10]. Trong trường
hợp các kênh chiếu mẫu được sử dụng có tỉ số f lớn, cụ thể là tại vị trí cột nhiệt, hệ
số [𝑓 + 𝑄(𝑅)]𝑦 /[𝑓 + 𝑄(𝑅)]𝑥 trong phương trình 1.15 có thể đồng nhất. Theo đó,
tỉ số hàm lượng các nguyên tố (phương trình 1.15) có thể rút gọn như sau:
𝑚𝑥
𝑚𝑦

=

(𝑆𝐷𝐶)𝑦 𝑁𝑝 𝑥 𝜀𝑦
1
(𝑆𝐷𝐶)𝑥 𝑁𝑝 𝜀𝑥 𝑘0,𝑦(𝑥)

(1.17)

𝑦

Phương trình (1.15) và (1.17) cho thấy, nếu biết trước hàm lượng của nguyên
tố làm chuẩn nội hoặc bất kì các thành phần nào khác của nền matrix mẫu hoặc hàm
lượng một nguyên tố được xác định độc lập từ phương pháp khác, thì từ giá trị hàm
lượng tương đối có thể suy ra giá trị hàm lượng tuyệt đối. Trong trường hợp khi tất
cả các nguyên tố đa lượng và vi lượng trong nền matrix mẫu có thể phân tích theo
NAA, giá trị hàm lượng tuyệt đối có thể xác định bằng phương pháp này, mà không
cần nhờ đến bất kì giá trị hàm lượng của bất kỳ chuẩn nội nào, sử dụng biểu thức cân
bằng khối lượng được mô tả như phương trình (1.18) dưới đây. Tỉ số hàm lượng
tương đối theo chuẩn nội (y) tuân theo phương trình (1.18) [7]:
∑𝑛𝑖=1
Trong đó:

𝑚𝑥𝑖

𝑚𝑦

=

𝑊
𝑚𝑦

∑𝑛𝑖=1 𝑚𝑥𝑖 = 𝑊

14

(1.18)

𝑚𝑥𝑖 (%) = 100

𝑚𝑥
𝑖
𝑚𝑦
𝑊
𝑚𝑦

(1.19)

W là khối lượng của mẫu, 𝑚𝑥𝑖 là khối lượng của nguyên tố 𝑥𝑖 trong mẫu.
Trong vế phải công thức (1.19), tử số
tố 𝑥𝑖 đối với chuẩn nội y, mẫu số

𝑊
𝑚𝑦

𝑚𝑥𝑖
𝑚𝑦

là tỉ số hàm lượng tương đối của nguyên

là tỉ số của khối lượng mẫu W chia cho khối

lượng chuẩn nội y.
1.2.4.2.

Hiệu suất nội tương đối trong INAA (insitu relative detection
efficiency)

Giá trị hiệu suất ghi đỉnh năng lượng tồn phần đóng vai trị như một tỉ sớ
trong tính toán hàm lượng tương đối các nguyên tố. Hiệu chuẩn hiệu suất nội của mẫu
là bước quan trọng nhất trong phát triển phương pháp. Khi hình học mẫu lớn và không
chuẩn, việc xác định chính xác hiệu suất ghi gặp nhiều khó khăn. Thông thường,
trong trường hợp trên, hiệu chuẩn hiệu suất được tính toán dựa trên định nghĩa về góc
khới hiệu dụng [11], đo sự trùn qua của các tia gamma sử dụng các nguồn chuẩn
gamma hoặc sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Khi mẫu là đồng nhất,
gamma phát ra từ các nhân phóng xạ trong mẫu có thể được sử dụng để tính giá trị
hiệu suất ghi tương đối của năng lượng gamma.
Từ công thức (1.15), hàm lượng tương đối của nguyên tố x so với chuẩn nội y
có thể được xác định bởi tỉ sớ hiệu śt ghi đỉnh năng lượng tồn phần (εp ). Do đó,
cần sử dụng giá trị hiệu suất nội tương đối, được biểu diễn như sau:
εpy,j =
𝑐𝑥,𝑖 =

𝑚𝑥 𝑐𝑥,𝑖

ε
𝑚𝑦 𝑐𝑦,𝑗 px,i
Np

x,i

((SDC)(f+Q0 (α))) 𝑘0𝑥,𝑖
x

(1.20)
(1.21)

Với c là hệ số được tính bằng cách sử dụng bộ dữ liệu k0 và dữ liệu thực
nghiệm, có thể viết đơn giản là:
Np

𝑐𝑥,𝑖 = (SDC) x,i

(1.22)

x 𝑘0𝑥,𝑖

Từ công thức (1.20),
ln (εpy,j ) = ln (

𝑚𝑥
𝑚𝑦

) + ln (

𝑐𝑥,𝑖

𝑐𝑦,𝑗

15

) + ln (εpx,i )

(1.23)

Hiệu suất tại những đỉnh năng lượng gamma khác nhau của từng nguyên tố
được biểu diễn như sau:
ln (εpx,i ) = ln (
ln (εpy,j ) = ln (

𝑐𝑥,1
𝑐𝑥,𝑖

𝑐𝑦,1
𝑐𝑦,𝑖

) + ln(εpx,1 ) , 𝑖 = 2, 3, …

(1.24)

) + ln (εpy,i ) , 𝑗 = 2, 3, …

(1.25)

Đường cong hiệu suất tương đối được xây dựng riêng lẻ từ mỗi nhân phóng
xạ trong mẫu được dự đoán sẽ song song hoặc khác nhau một hệ số t không đổi. Do
sử dụng hiệu suất nội tương đối, một giá trị dương tùy ý có thể được gán cho hiệu
suất ghi của mỗi phần tử, ví dụ như Arb εpk,1 = 10% cho bất kỳ nguyên tố thứ k nào
mà "Arb" chọn làm hiệu suất ghi đầu tiên. Hiệu suất ghi tương đối sau đó được hiệu
chỉnh bằng hệ số t:
ln (Relεpk,i ) = ln (Arbεpk,i ) + 𝑡𝑘

(1.26)

Một cách tổng quát, đường cong hiệu suất tương đối được biểu diễn như sau:
ln (Rel εp (𝐸 )) = ∑𝑛𝑖=0 𝑎𝑖 (𝑙𝑛𝐸 )𝑖

(1.27)

Với 𝑎𝑖 là hệ số và n là thứ tự của đa thức có thể được chọn tùy thuộc vào dải
năng lượng quan tâm.
1.3.

Hệ thiết bị NAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Quá trình chiếu ngắn được thực hiện tại kênh 7-1 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
với thông lượng neutron nhiệt tại vị trí chiếu này khoảng 4.22 × 1012 𝑛 ∙ 𝑐𝑚−2 ∙ 𝑠 −1 ,
𝑓 = 9.7 và 𝛼 = −0.031. Thời gian chiếu 5 phút, thời gian rã 5 phút, thời gian đo
đầu tiên 300 giây để xác định các nguyên tố Al, Ca và Mg. Mẫu sau đó được để rã
trong vòng 30 phút và đo 1800 giây để xác định các nguyên tố Cl, K, Mn và Na [13].
Quá trình chiếu dài được thực hiện trên mâm quay của lò phản ứng với thơng
lượng neutron nhiệt tại vị trí chiếu khoảng 3.76 × 1012 𝑛 ∙ 𝑐𝑚−2 ∙ 𝑠 −1 , 𝑓 = 30.1 và
𝛼 = 0.102. Thời gian chiếu 10 giờ, thời gian rã từ 2 đến 3 ngày, thời gian đo đầu
tiên 3600 giây để xác định các nguyên tố As, Au, Br và La. Mẫu sau đó được để rã

từ 2 đến 3 tuần và đo 10 800 giây để xác định các nguyên tố Co, Eu, Fe, Rb và Zn.
Đầu dò được sử dụng trong thực nghiệm là đầu dị bán dẫn siêu tinh khiết
HPGe GMX30190 (loại đờng trục), các thông sớ về đầu dị được nêu cụ thể như sau:

16

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP CHUẨN NỘI TRONG PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG NGUYÊN TỐ CHO CÁC MẪU GẠCH KHẢO CỔ

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về