Luận án Đánh giá khả năng phân tích định lượng nguyên tố Boron

ụ, và một lớp tiếp xúc thứ hai được chế tạo ở bề mặt 18 bên trong của tinh thể. Trong số hai cấu hình, cấu hình đồng trục có hiệu suất ghi lớn hơn, đó là vùng tinh thể có thể đo tín hiệu từ năng lượng của tia gamma. Vì lý do này, nó được sử dụng trong phép đo PGNAA. Ảnh hưởng của neutron lên detector HPGe Sự suy giảm hiệu suất ghi của detector Germanium, cả Ge(Li) và HPGe, chủ yếu liên quan đến thông lượng neutron nhanh. Các sai hỏng thiệt hại do sự tương tác của các neutron nhanh với tinh thể Germanium đã được biết đến và được mô tả chi tiết trong [3]. Các nghiên cứu đầu tiên được thực hiện trên detector Germanium phẳng dày cho thấy rằng thông lượng neutron nhanh khoảng 109 n / cm2 có thể làm giảm độ phân giải năng lượng có thể phát hiện được trong khi với mức thông lượng khoảng 1010 n / cm2, thì detector không thể hoạt động được. 1.2.4.5. Hàm đáp ứng năng lượng của detector HPGe Ngay cả khi độ phân giải của detector HPGe cao, hiệu suất ghi đỉnh phổ hấp thụ quang điện về cơ bản là thấp hơn so với detector nhấp nháy NaI(Tl). Điều này có liên quan đến kích thước nhỏ của các tinh thể và số lượng nguyên tử thấp của Ge làm giảm sự hấp thụ toàn phần của năng lượng tia gamma. Nhược điểm này vẫn được bù đắp bởi độ phân giải năng lượng cao của detector HPGe. Hàm đáp ứng năng lượng của detector là hình dạng của phổ năng lượng thu được từ nguồn gamma đơn sắc. 1.2.4.6. Hiệu suất của detector đo gamma Để thực hiện phép đo PGNAA, điều quan trọng là phải biết hiệu suất ghi của hệ phổ kế là một hàm của năng lượng. Hàm hiệu suất ghi đo đại diện cho số lượng xung được ghi tại đỉnh phổ năng lượng hấp thụ quang điện tòan phần chia cho số lượng tia gamma phát ra từ nguồn. Hiệu suất ghi phụ thuộc vào năng lượng tia gamma nhưng nó cũng phụ thuộc vào hình học detector HPGe, hình học mẫu và khoảng cách từ detector đến mẫu. Hiệu suất ghi có thể được đánh giá bằng thực nghiệm bằng cách sử dụng nguồn gamma với hoạt độ và tỷ lệ phân rã đã biết, áp dụng công thức sau: 19 ϵ(Eγ) = Rγ APγK (1.17) Trong đó Rγ là tốc độ đếm, A: hoạt độ nguồn. Pγ là xác suất phát xạ gamma. K là hệ số hiệu chính như thời gian chết và trùng phùng tổng cộng ngẫu nhiên của các tia gamma khác nhau từ mẫu hoặc nguồn bức xạ. Trong quá trình đo trùng hợp của hai hoặc nhiều đỉnh tia gamma có thể diễn ra, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Sự trùng hợp tương đối phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau liên quan đến nguồn mà còn cả trạng thái hình học của Ge. Hai sự khác nhau của các loại trùng hợp có thể được phân biệt: * Sự trùng phùng thực, đó là sự ghi đo đồng thời của hai tia gamma phát ra trong sự trùng hợp. Hiệu ứng này xảy ra khi nguồn gamma được sử dụng có nhiều tia gamma năng lượng khác nhau. Nếu ε là xác suất để phát hiện tia gamma của một năng lượng cho trước thì ε2 là xác suất để phát hiện hai trong số các tia gamma này tại cùng một lúc. * Sự trùng phùng ngẫu nhiên, xảy ra khi một tia gamma được phát hiện trong trùng hợp với nền Compton của một tia gamma khác. Xác suất của nó liên quan đến hiệu suất ghi toàn phần, nghĩa là xác suất để phát hiện một sự kiện ở bất kỳ giá trị năng lượng nào và nó có thể được định lượng bằng thực nghiệm hoặc tính toán mô phỏng. Bởi vì số lượng lớn các đỉnh trong phổ gamma tức thời, nên đặt detector ở khoảng cách vừa đủ lớn để giảm hiệu ứng này. Hiệu suất nội tại và hình học: Người ta thường phân biệt giữa hiệu suất nội tại và hình học như sau: * Hiệu suất nội tại là tỷ lệ giữa số lượng dữ liệu được ghi lại và số lượng tia gamma đến detector, nó phụ thuộc vào sự tương tác giữa các photon gamma và vật liệu của detector. * Hiệu suất hình học là tỷ lệ giữa số lượng tia gamma tới detector với số lượng tia gamma phát ra từ nguồn. Nó có thể được tính bằng: ϵgeom = r2 4d2 (1.18) 20 Trong đó r là bán kính của bề mặt detector đối diện với mẫu và d là khoảng cách từ mẫu đến detector. Tổng hiệu suất ghi được xác định tích của hai thành phần: ϵ = ϵintrϵgeom (1.19) Trong trường hợp detector có chuẩn trực, có sự phụ thuộc mạnh của hiệu suất ghi vào vị trí của mẫu. Hình 1.2: Hình học đo mẫu và che chắn chuẩn trực detector 1.2.4.7. Hệ phổ kế giảm phông Compton Trong thiết kế kỹ thuật thiết bị PGNAA, hệ đo giảm phông Compton thường được sử dụng bổ sung cho detector chính HPGe. Kỹ thuật này bao gồm một detector chính Germanium (HPGe) được bao quanh bởi một hoặc nhiều detector nhấp nháy, được sử dụng nhiều nhất là loại NaI(Tl) hoặc bismuth Germanate (Bi4Ge3O12). Ưu điểm của thiết lập này là ngoài việc giảm phông Compton còn có thể cho phép giảm cường độ của các đỉnh thoát đơn và thoát đôi. Khi một tia gamma, chỉ truyền một phần năng lượng của nó trong detector chính (HPGe) và một photon Compton tương tác với các detector nhấp nháy lắp đặt bên ngoài xung quanh detector chính (HPGe). Có hai cách sắp xếp phổ kế có thể thay thế: đồng trục và vuông góc. Phổ gamma PGNAA đo theo chế độ bình thường và chế độ giảm phông compton được mô tả trong Hình 1.3. 21 Hình 1.3: Phổ gamma tức thời đo theo chế độ bình thường và giảm phông Compton của nitơ chứa trong hợp chất Urea 1.2.5. Phương pháp tương đối cho phân tích kích hoạt nơtron - gamma tức thời Trong điều kiện các mẫu chuẩn và mẫu thử sử dụng trong thí nghiệm có cùng chất nền (matrix) tương đương. Hàm lượng nguyên tố được xác định theo phương pháp tương đối trong phân tích phân tích kích hoạt neutron – gamma tức thời được tính bằng công thức sau: Cx = CPSx mx CPSC mC . CC (1.20) Trong đó 𝐶𝑃𝑆𝑥, 𝐶𝑃𝑆𝐶 là tốc độ đếm tại đỉnh phổ gamma trong mẫu cần phân tích và chuẩn, 𝑚𝑥, 𝑚𝐶 là khối lượng của mẫu cần phân tích và chuẩn, 𝐶𝑥, 𝐶𝐶 là hàm lượng nguyên tố quan tâm của mẫu cần phân tích và chuẩn. Sai số của phương pháp tương đối được tính theo công thức sau: δCx(%) = √δCPSx 2 + δCPSC 2 + δCC 2 (1.21) Trong đó 𝛿 kí hiệu tương ứng với sai số tương ứng (%) của các thành phần đóng góp sai số trong công thức (1.20). 22 1.2.6. Phương pháp k0 - phân tích kích hoạt neutron - gamma tức thời Lý thuyết của phương pháp k0 trong phân tích kích hoạt neutron – gamma tức thời được mô tả bởi Molnar và cộng sự [4]. Trong phương pháp này, bia mẫu được chiếu trong chùm tia neutron cùng với nguyên tố chuẩn Các tia gamma đặc trưng được ghi đo bằng hệ phổ kế gamma độ phân giải cao. Diện tích đỉnh phổ Np đối với tia gamma được biểu diễn như sau: Np = Nσϕtγεp = NAθw M σϕtγεp (1.22) Trong đó: N là số hạt nhân bia. NA là số Avogadro. θ là độ giàu đồng vị. w là khối lượng của hạt nhân nguyên tố bia. σ là tiết diện bắt neutron hiệu dụng ϕ là thông lượng neutron t là thời gian chiếu γ là xác suất phát gamma trên mỗi phản ứng bắt neutron εp là hiệu suất ghi tuyệt đối đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần. Từ phương trình (1.21), độ nhạy nguyên tố Asp (cps.g-1) được xác định như sau: Np twεp = NAθσϕγ M Asp εp = NAθσϕγ M (1.23) Hệ số k0 tức thời của nguyên tố ‘x’ ứng với nguyên tố chuẩn ‘c’ được tính toán theo công thức sau: 23 k0,c(x) = ( Asp εp ) x ( Asp εp ) c (1.24) Trong trường hợp này nguyên tố ‘x’ tương ứng với nguyên tố Boron và nguyên tố chuẩn ‘c’ tương ứng với nguyên tố Clo. Trong phương trình (1.23), việc xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần tuyệt đối/tương đối (𝜀𝑝) và 𝐴𝑠𝑝 là yêu cầu cần thiết để thu được hệ số k0 tức thời thực nghiệm. Hệ số k0 thực nghiệm được sử dụng để tính toán hàm lượng nguyên tố sử dụng theo công thức sau: Cx ( g g ) = Ap,x Asp,c 1 k0,c(x) εp,c εp,x (1.25) Trong đó 𝐴𝑝,𝑥, 𝐴𝑠𝑝,𝑐 là tốc độ đếm trên gam của mẫu và chuẩn. Sai số tương đối hàm lượng được tính bởi công thức sau: δCx = √δAp,x 2 + δAsp,c 2 + δk0,c(x) 2 (1.26) Trong đó 𝛿 kí hiệu tương ứng với sai số tương đối (%) của các thành phần đóng góp sai số trong công thức (1.26). 1.2.7. Chuẩn năng lượng Để xây dựng đường chuẩn năng lượng ta thường dùng bộ các nguồn chuẩn với các giá trị năng lượng đã biết của các bức xạ gamma phát ra từ nguồn và có số điểm chuẩn phân bố đều trên toàn dải sử dụng hàm chuẩn phù hợp với đặc trưng của hệ thống khuếch đại của phổ kế. Mục đích của chuẩn năng lượng là tìm mối quan hệ giữa vị trí đỉnh (số kênh) trong phổ và năng lượng gamma tương ứng để biết chính xác giá trị năng lượng tại đỉnh hấp thụ toàn phần trên phổ gamma tức thời, từ đó xác định được các nguyên tố nào đang có trong mẫu phân tích. Việc chuẩn năng lượng phải chính xác thì mới nhận diện được năng lượng nào là thuộc về đồng vị nào. 24 1.2.8. Xác định đường cong hiệu suất ghi thực nghiệm Hiệu suất ghi của một hệ thống phổ kế là một đại lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: hình học đo, góc khối đo, kích thước và hình học mẫu, thời gian chết của hệ đo, v.v... Những yếu tố này có thể thay đổi trên một hệ đo cố định, nhưng khi có sự thay đổi về hình học đo thì phải xác định lại hiệu suất ghi. Ngoài ra, hiệu suất ghi còn phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma, trong một điều kiện như nhau hai tia gamma có năng lượng khác nhau thì hiệu suất ghi cũng khác nhau. Vì vậy ta phải xây dựng hàm tương quan giữa năng lượng và hiệu suất (εγ = εγ(E)), để từ hàm này ta có thể biết được hiệu suất ghi của hệ đo tại những giá trị năng lượng tương ứng của bức xạ gamma quan tâm. Cũng như trong chuẩn năng lượng ở chuẩn hiệu suất ta cần biết hiệu suất ghi trên toàn dải năng lượng từ 100 keV đến 10 MeV. Tại vùng năng lượng thấp từ 121.8 – 1408 keV, nguồn chuẩn 152Eu đã được sử dụng để xác định hiệu suất ghi tuyệt đối của hệ PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Hiệu suất ghi tuyệt đối năng lượng được tính theo công thức [5, 6]: εγ = NP A0e −λ(T1−T2)IγT (1.27) Trong đó: NP: diện tích đỉnh (đã trừ phông) của bức xạ gamma tại năng lượng E nguồn chuẩn 152Eu (counts). A0: hoạt độ nguồn lúc mới chế tạo (Bq) λ: hằng số phân rã (s-1) T1 − T2: thời gian trôi qua từ lúc chế tạo nguồn tới lúc đo (s) Iγ: xác suất phát tia gamma tại năng lượng E (%) T: thời gian đo (s) Số liệu về năng lượng và cường độ các dịch chuyển gamma của nguồn chuẩn 152Eu dùng để xác định đường cong hiệu suất tuyệt đối được đưa ra ở Bảng 1.2. 25 Bảng 1.2. Các giá trị năng lượng và cường độ tia gamma của 152Eu Năng lượng E (keV) Xác suất phát 𝐼𝛾 (%) Năng lượng E (keV) Xác suất phát 𝐼𝛾 (%) 121.8 28.21 778.9 13.00 244.7 7.42 867.4 4.16 344.3 26.41 964.0 14.48 367.8 0.84 1086.4 11.84 411.3 2.30 1112.0 13.55 444.0 3.08 1212.9 1.39 564.5 0.61 1298.7 1.74 688.6 0.85 1408.0 20.71 Trong miền năng lượng cao, để xây dựng hàm tương quan giữa hiệu suất ghi và năng lượng, các tia gamma năng lượng cao từ phản ứng hạt nhân 35Cl(n,𝛾)36Cl đã được sử dụng (Bảng 1.2). Hiệu suất ghi được xác định bằng phương pháp tương đối theo biểu thức sau [5, 6]: εγ,c = NP IγT (1.28) Trong đó: NP: diện tích đỉnh (đã trừ phông) của bức xạ gamma tại năng lượng quan tâm (counts) Iγ: xác suất phát tia gamma tại năng lượng tương ứng (%) T: thời gian đo (s) 26 Bảng 1.3. Các giá trị năng lượng và cường độ tia gamma từ phản ứng 35Cl(n,𝛾)36Cl, sử dụng trong phép chuẩn hiệu suất ghi tương đối. Năng lượng E (keV) Xác suất phát 𝐼𝛾 (%) Năng lượng E (keV) Xác suất phát 𝐼𝛾 (%) 436.223±0.004 1.05±0.16 517.077±0.002 23.4±3.5 786.303±0.004 11.2±1.7 788.433±0.005 16.9±2.5 1164.870±0.006 27.7±4.2 1601.078±0.006 3.48±0.35 1951.146±0.007 20.2±2.0 1959.355±0.007 12.1±0.4 2676.324±0.023 1.80±0.06 2863.835±0.012 3.7±0.2 3821.462±0.079 1.13±0.04 4440.410±0.050 1.14±0.04 4979.757±0.054 3.62±0.05 5517.242±0.064 1.64±0.02 5715.236±0.061 5.35±0.05 6110.84±0.061 19.9±0.5 6619.615±0.066 7.90±0.15 6627.823±0.068 4.52±0.13 6977.838±0.070 2.33±0.03 7413.970±0.075 10.2±0.2 7790.334±0.078 8.43±0.08 8578.583±0.086 2.79±0.03 Hiệu suất ghi tương đối ở miền năng lượng cao được chuẩn hóa về giá trị tuyệt đối nhờ số liệu hiệu suất ghi tuyệt đối xác định từ nguồn chuẩn. Kết hợp những giá trị mới của hiệu suất ở miền năng lượng cao được xác định với những giá trị hiệu suất tuyệt đối ở vùng năng lượng thấp thu được hiệu suất trên toàn dải năng lượng từ 100keV đến 8MeV. Việc làm khớp đường cong hiệu suất và tính toán sai số hiệu suất được thực hiện bằng chương trình Excel. Sai số hiệu suất ghi: σeff = √σε2 + σA 2 + σNP 2 (1.29) 27 1.2.9. Chuẩn độ phân giải (FWHM) Chuẩn độ phân giải cũng cần phải thực hiện một cách chính xác, nhằm mục đích sử dụng các thông tin này để phân tích các đỉnh chập. Hàm định chuẩn độ phân giải theo năng lượng được xác định như sau: FWHM = b1 + b2E +b3E 2 (1.30) Với b1, b2, b3 là các hệ số 1.2.10. Độ nhạy của phương pháp PGNAA Theo Duffey và các cộng sự [7] độ nhạy tương đối là số đo tương đối của số các bức xạ gamma phát ra từ nguyên tố tương ứng trong mẫu và được cho bởi công thức sau: Sn = σ0. Iγ A (1.31) Bảng 1.4. Khoảng độ nhạy và giới hạn xác định của các nguyên tố. Khoảng độ nhạy Sn (counts/s/g) Giới hạn xác định (mg/g) Nguyên tố 3333 – 10000 1000 – 3333 333 -1000 100 – 333 33 – 100 10 – 33 3,3 – 10 1,0 – 3,3 0,3 – 1,0 0,10 – 0,22 0,03 – 0,10 0,01 – 0,03 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 Gd B, Cd, Sm Eu Dy, Hg Cl, Hf, Yb Co, Rh, Ag, In, Nd, Er, Ir Sc, Ti V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Y, Au H, Na, Si, S, K, Ga, As, La, Er, Tm, W N, Mg, Al, P, Ca, Zn, Nb, Te, Cs, Ba, Pr,Tb, Ho, Lu, Ta, Re, Pt, Th, U Be, Ge, Br, Sr, Mo, Pb, Sb, I, Ce, Os, Tl, Pd 28 < 0,01 C, Rb, Zr, Ru, He, Li, F, O, Sn, Bi Từ Bảng 1.4 ta thấy đối với các nguyên tố nhẹ và có tiết diện bắt neutron đủ lớn hoặc rất lớn thì có thể phân tích tốt bằng PGNAA, nhưng lại rất khó hoặc không thể phân tích bằng phương pháp INAA. 1.2.11. Xác định hàm lượng bằng phương pháp tương đối Mẫu phân tích và mẫu chuẩn đều được chiếu và đo trên cùng một điều kiện thiết bị và hình học như nhau. Từ phương trình (1.7) và với cách đặt N = (C-C0)tc (1.32) là giá trị của diện tích đỉnh quan tâm (với tc : thời gian chiếu = thời gian đo (giây)). Khi đó: m = N G. NA. tC. (Sn. εγ. θ. fn. fa. ϕth) (1.33) Công thức (1.33) xác định hàm lượng của nguyên tố quan tâm trong mẫu Từ (1.33) ta có hàm lượng của nguyên tố quan tâm trong mẫu phân tích (m) và mẫu chuẩn (mc) được cho bởi : m = N G.NA.tC.(Sn.εγ.θ.fn.fa.ϕth) (1.34) mC = N GC.NA.tC.(Snc.εγc.θc.fn.fa.ϕth) (1.35) Lập tỷ số (1.34)/(1.35) ta có: m = SnC. N. GC. εγC. θC Sn. N. G. εγ. θ mC (1.36) Công thức (1.36) là tính hàm lượng bằng phương pháp tương đối trong trường hợp tổng quát. Với phép phân tích của mẫu và mẫu chuẩn cho cùng 1 nguyên tố, cùng 1 đồng vị và cùng đỉnh năng lượng (cùng độ nhạy) khi đó (1.36) trở thành: 29 m = N. GC SC. G mC (1.37) 1.2.12. Sai số hàm lượng Sai số của kết quả phân tích là một tổ hợp sai số được đóng góp từ nhiều nguồn khác nhau như: • Sự khác nhau về hình học và dạng Matrix của mẫu và chuẩn. • Sự không đồng đều của thông lượng neutron. • Sự nhiễm bẩn lên mẫu và mẫu chuẩn. • Sự hiện diện của các phản ứng phụ (n, p), (n, α), (n, n'), v.v Sai số của kết quả phân tích được tính theo công thức sau: Δm = k√∑ σ(xi)2 (xi)2 (1.38) Trong đó: ∆m : Sai số tương đối của kết quả phân tích. Xi, σ(xi) : các thành phần trong công thức và sai số của chúng. k : hệ số tin cậy ( k = 1, mức tin cậy 68,2%; k= 2, mức tin cậy 95,4%; k= 3, mức tin cậy 99,97%). Trong nghiên cứu này chúng tôi tính hàm lượng bằng phương pháp tương đối (công thức (1.37)). Do vậy sai số đóng góp vào kết quả phân tích chủ yếu từ sai số của diện tích đỉnh và sai số hàm lượng chuẩn (do nhà sản xuất cung cấp). Trong đó sai số diện tích đỉnh là sai số thống kê và tuân theo quy luật Poisson: ΔS = √S Ta có: S = I – B (I: Diện tích thực; B: Diện tích phông). Sai số của S: ΔS = √I + B Sai số tương đối % sẽ được tính như sau: 30 σs(%) = ΔS S = k √I + B S ∗ 100% (1.39) Từ công thức (1.39) ta thấy, sai số của phép đo lớn khi ta chọn đỉnh phân tích của số đếm phông lớn. 1.3. TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH BORON TRONG MẪU 1.3.1. Các đặc tính của Boron trong môi trường khác nhau Boron là một nguyên tố có trong tự nhiên. Trong tự nhiên, nó kết hợp với oxy và các nguyên tố tự nhiên khác hình thành một số hợp chất khác nhau được gọi là borat. Borat phân bố rộng rãi trong tự nhiên, hiện diện trong các đại dương, đá trầm tích, than đá, đá phiến và một số loại đất. Nồng độ trung bình của boron trong đá thay đổi từ 5 mg / kg trong bazan đến 100 mg / kg trong đá phiến. Trong đại dương, nồng độ boron xấp xỉ 4,5 mg / lít. Các sản phẩm và khoáng chất borat quan trọng nhất trên thị trường là borax pentahydrate, borax, natri perborate, axit boric, colemanite và ulexite. Axit boric và nhiều borat hòa tan, ở mức độ thấp, trong nước và trong chất lỏng sinh học. 1.3.2. Tình hình nghiên cứu hàm lượng Boron trong nước và trên thế giới Trong đất, boron có hàm lượng từ 10 mg / kg đất lên đến 300 mg / kg đất. Hàm lượng boron trung bình là khoảng 30 mg / kg đất, hàm lượng boron phụ thuộc vào loại đất, lượng chất hữu cơ, có chứa boron và lượng mưa, có thể loại bỏ boron khỏi đất [8]. Trong nước mặt, nồng độ của boron phụ thuộc vào lượng boron có trong đất và đá của khu vực thoát nước. Đại dương cung cấp boron do sự lắng đọng axit boric bốc hơi trên khu vực thoát nước, và bằng cách xâm nhập vào nước biển có chứa boron ở các vùng thủy triều và cửa sông. Nước mặt cũng có boron từ xả thải, cả từ các quy trình công nghiệp và từ xử lý nước thải thành phố. Nồng độ của boron trong phạm vi nước mặt rộng rãi, từ 0,001 mg / lít đến 360 mg / lít. Tuy nhiên, boron trung bình nồng độ thường dưới 0,6 mg / lít [8]. 31 Bảng 1.5. Boron trung bình trong nước mặt ở các khu vực khác nhau Khu vực trên thế giới Nồng độ boron đại diện trong nước mặt Europe, Pakistan, Russia, and Turkey Nồng độ trung bình dưới 0,6 mg / lít Japan, South Africa, and South America Dưới 0,3 mg / lít Bảng 1.6. Ước tính trung bình hàng ngày con người tiếp xúc boron từ các nguồn khác nhau Nguồn tiếp xúc của con người với boron Lượng boron trung bình hàng ngày Chế độ ăn 1,2 mg/ngày Uống nước 0,2 - 0,6 mg/ngày Sản phẩm tiêu dùng 0,1 mg/ngày Đất 0,0005 mg/ngày Không khí 0,00044 mg/ngày Tất cả các nguồn kết hợp 1,5 - 1,9 mg/ngày 1.4. HỆ THIẾT BỊ PGNAA Ở MỘT SỐ NƯỚC Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tích hạt nhân gắn liền với những thành tựu của vật lý và kỹ thuật hạt nhân hiện đại. Phương pháp PGNAA có những ưu điểm rất cơ bản như độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nhanh, mẫu phân tích không bị phá hủy và có thể tiến hành phân tích đồng thời nhiều nguyên tố. Có thể tự động hóa được toàn bộ quy trình phân tích. Do đó, hệ phân tích PGNAA luôn được quan tâm nâng cấp nhằm nâng cao độ nhạy và độ chính xác của hệ đo. Dưới đây là đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA trên thế giới và trong nước. 1.4.1. Trên thế giới 32 Một trong những đặc trưng quan trọng nhất của hệ thiết bị PGNAA là độ nhạy phân tích. Đó là kết quả tổng hợp của các đặc trưng khác như thông lượng neutron, tỷ số cadmium, phông gamma của hệ đo, hiệu suất ghi của hệ đo. Bảng 1.7 nêu ra các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA ở một số nước. [9, 10, 11, 12] Bảng 1.7. Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA. Hệ phân tích Đặc điểm SNU – KAERI (Hàn Quốc) - Nguồn neutron nhiệt: graphite. - Thông lượng chùm neutron: 8.2x107n.cm-2 .s-1 - Kích thước chùm: 2x2 cm2 . - Tỉ số cadmium R = 266 (đối với Au). - Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 2020 c/s/g - Hệ phổ kế: hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe JEARI (Nhật Bản) - Nguồn neutron nhiệt dẫn dòng bằng phản xạ gương Ni. - Thông lượng chùm neutron: 2.4x107 n.cm-2 .s-1 - Kích thước chùm: 2x2 cm2 . - Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co. - Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co. NIST (Mỹ) - Nguồn neutron nhiệt: Phin lọc (sapphire). - Thông lượng chùm neutron: 3.0x108 n.cm-2 .s-1 - Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 890 c/s/g. - Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ triệt Compton. - Nguồn neutron lạnh: Phin lọc (Be, Bi) và phản xạ gương. 33 - Thông lượng chùm neutron: 9.5x108 n.cm-2 .s-1 - Kích thước chùm: 2 cm hoặc nhỏ hơn. - Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 7700 c/s/g. - Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ triệt Compton BARC (Ấn Độ) - Nguồn neutron nhiệt: phản xạ gương. - Thông lượng chùm neutron: 1.4x107n.cm-2 .s-1 - Kích thước chùm: 2.5x10 cm2 . - Tỉ số cadmium R = 3.4x104 (đối với In). - Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe. - Kích thước chùm: 2.5x3.5 cm2 . - Tỉ số cadmium R = 3.4x104 (đối với In). Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe. 1.4.2. Trong nước Các đặc trưng chính của hệ PGNAA tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được chỉ ra ở Bảng 1.8. Bảng 1.8. Các đặc điểm chính của hệ phân tích PGNAA Đà Lạt. Hệ phân tích Đặc điểm Kênh neutron số 2 - Nguồn neutron nhiệt: phin lọc 80cm Si + 6cm Bi. - Thông lượng chùm neutron: 1.03x106 n.cm-2.s-1. - Đường kính chùm: 3cm. - Tỉ số cadmium R = 230 (đối với Au). - Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe 70%, độ phân giải (FWHM) 2.0 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co. 34 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM Phân tích định lượng B bằng phương pháp phân tích kích hoạt neutron – gamma tức thời được thực hiện trên dòng neutron nhiệt KS2 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Các mẫu chuẩn và mẫu thử được sử dụng để xác định độ nhạy và giới hạn phát hiện của hệ PGNAA với đối tượng mẫu địa chất. Hàm lượng B của các mẫu thử đã được xác định bằng phương pháp phân tích so sánh với mẫu chuẩn. 2.1. HỆ THIẾT BỊ PGNAA TẠI KS2 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt có 4 kênh neutron phục vụ cho các mục đích nghiên cứu với đường kính kênh là 15.2 cm, trong đó có 3 kênh xuyên tâm và 1 kênh tiếp tuyến. Đến trước tháng 11/2011 KS2 đang được đóng. Cuối năm 2011 KS2 đã được đưa vào sử dụng và khai thác dòng neutron từ lò phản ứng. Đến nay toàn bộ hệ thống thiết bị PGNAA đã được lắp đặt hoàn chỉnh và đưa vào ứng dụng để phát triển phương pháp PGNAA sử dụng hệ phổ kế giảm phông Compton HPGe-BGO. 2.1.1. Chùm tia neutron nhiệt tại KS2 Sơ đồ mặt cắt của vùng hoạt và vị trí các kênh neutron của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được đưa ra trong Hình 2.1. Từ hình vẽ này thấy rằng KS2 được tiếp giáp trực tiếp với vùng hoạt của lò phản ứng. Vì vậy thông lượng neutron trên kênh này đủ lớn và rất thích hợp để tạo ra các chùm neutron đơn năng trong dải năng lượng trung gian bằng cách sử dụng kỹ thuật phin lọc neutron. 35 Hình 2.1. Sơ đồ mặt cắt ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. 1. Vùng hoạt 2. Vành phản xạ Graphite 3. Thùng lò 4,5,6. Kênh ngang hướng tâm 7. Kênh ngang tiếp tuyến 8. Bể chứa nhiên liệu đã cháy 9. Cột nhiệt 10. Cửa cột nhiệt 11. Tường bê tông bảo vệ Phân bố phổ năng lượng neutron trong lò phản ứng hạt nhân được chia theo 3 vùng năng lượng như sau: + Neutron nhiệt: 0 ≤ En ≤ 0,5 eV. + Neutron trung gian: 0.1 eV ≤ En ≤ 100 keV . + Neutron nhanh: 100 keV ≤ En ≤ 20 MeV Để tạo chùm neutron nhiệt, một tổ hợp 2 loại phin lọc neutron bao gồm phin lọc đơn tinh thể Si có chiều dài 80 cm và đơn tinh thể Bismuth có chiều dài 6 cm. Thành phần đơn tinh thể Si có chức năng chính là cho phép thành phần neutron nhiệt truyền qua với tỉ số truyền qua cao và năng lượng neutron nhiệt vẫn bảo toàn theo phân bố Maxell. Bên cạnh đó, phin lọc Si với tổng chiều dài tương đối lớn nên cũng có tác dụng hạn chế đáng kể phông bức xạ gamma từ vùng hoạt của lò phản ứng. Phin lọc Bismuth có chức năng giảm thiểu thành phần bức xạ gamma từ vùng hoạt lò phản ứng và phông gamma do tương tác của neutron với các vật liệu cấu trúc kênh và hệ dẫn dòng. Ngoài 36 ra phin lọc Bismuth còn có tác dụng hạn chế thành phần neutron nhanh. Thông lượng neutron nhiệt tại vị trí chiếu mẫu KS2 là 1.6x106 n.cm-2 s-1 và tỉ số Cadmium RCd (Au) = 420. 2.1.2. Hệ che chắn an toàn bức xạ và chuẩn trực 2.1.2.1. Che chắn chuẩn trực bên ngoài KS2 Dòng neutron và gamma sau khi truyền qua các khối chuẩn trực và kín nước bên trong kênh sẽ truyền qua hệ che chắn bảo đảm an toàn bức xạ bên ngoài kênh và dừng lại tại khối chắn dòng. Hệ có tổng chiều dài 2.4 m và được thiết kế lắp đặt trên một hệ giá đỡ bằng thép có các bánh xe di chuyển được dọc theo chiều của kênh. Hình 2.2. Mặt cắt hệ thống che chắn bảo đảm an toàn bức xạ bên ngoài KS2. Hình 2.3. Hệ thiết bị che chắn bức xạ và dẫn chùm tia nơtron tại KS2. 37 Hệ che chắn dẫn dòng gồm: + Một ống dẫn hình vuô