Phát triển phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng trên lò phản ứng Đà Lạt xác định hạt nhân sống ngắn

MỞ ĐẦU Phân tích kích hoạt neutron đã được công nhận là một kỹ thuật phân tích rất hiệu quả trong việc xác định thành phần nguyên tố trong mẫu. Với độ nhạy cao và độ chính xác tốt, cũng như khả năng xác định đồng thời đa nguyên tố và phân tích không hủy mẫu, những ưu điểm nêu trên đã làm cho kỹ thuật phân tích này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như sinh học, môi trường, địa chất, công nghiệp, khảo cổ, điều tra pháp lý, v. Trong phân tích kích hoạt neutron, có nhiều loại nguồn neutron khác nhau được sử dụng (lò phản ứng, máy gia tốc, máy phát neutron và nguồn đồng vị), trong đó phân tích kích hoạt neutron (NAA) trên lò phản ứng nghiên cứu được sử dụng phổ biến nhất, cho độ nhạy phân tích cao nhất do thông lượng neutron cao và cho phép xác định khoảng 70 nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn [1]. Tuy nhiên, nhiều nguyên tố cần thời gian phân tích khá dài vì chúng được xác định dựa vào các hạt nhân có chu kỳ bán hủy dài (hay còn gọi là hạt nhân sống dài), chẳng hạn như 75Se (T1/2 = 120 ngày), 46Sc (T1/2 = 84 ngày), 181Hf (T1/2 = 42 ngày) và 110mAg (T1/2 = 250 ngày).

Để đạt được độ nhạy yêu cầu thì tổng thời gian chiếu – rã – đo có thể từ vài ngày đến vài tuần. Điều này làm giảm tính cạnh tranh của NAA so với các kỹ thuật phân tích khác. Với các hạt nhân có chu kỳ bán hủy ngắn (hay còn gọi là hạt nhân sống ngắn) như 77mSe (T1/2 = 17,45 giây), 46mSc (T1/2 = 18,75 giây), 179mHf (T1/2 = 18,68 giây) và 110Ag (T1/2 = 24,60 giây) của cùng một nguyên tố với các hạt nhân sống dài, có thể giảm đáng kể thời gian phân tích, do đó có thể tăng số lượng mẫu đo được trong cùng thời gian. Vì vậy, nếu khai thác sử dụng các hạt nhân sống ngắn trong kỹ thuật NAA sẽ mang lại hiệu quả và tăng tính cạnh tranh so với các kỹ thuật phân tích khác.

Hơn nữa, nhiều nguyên tố có thể được xác định bằng kỹ thuật NAA thông qua chỉ một hạt nhân sống ngắn duy nhất như 20F (T1/2 = 11,03 giây), 19O (T1/2 = 26,9 giây), 207mPb (T1/2 = 0,8 giây), 28Al (T1/2 = 2,24 phút), 52V (T1/2 = 3,75 phút), 51Ti (T1/2 = 5,76 phút), v. Điều này mở rộng khả năng phân tích so với việc sử dụng hạt nhân sống dài trong kỹ thuật NAA. Do đó, sử dụng NAA để phân tích các nguyên tố thông qua các hạt nhân sống ngắn ngày càng thu hút được nhiều sự chú ý [2]. Tuy nhiên, một số vấn đề khi sử dụng hạt nhân sống ngắn 1 trong kỹ thuật NAA là thời gian chiếu và thời gian đo bị hạn chế dẫn đến thống kê đếm cũng như độ chính xác của phép đo không đạt yêu cầu đối với hầu hết các đối tượng mẫu quan tâm.

Vấn đề này có thể được cải thiện nhờ áp dụng phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (CNAA). Trong CNAA, mẫu được chiếu và đo lặp lại nhiều lần để tích lũy số đếm thống kê trong phổ gamma, từ đó cải thiện giới hạn phát hiện nguyên tố cần xác định trong mẫu. Phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (hay còn gọi tắt là kích hoạt lặp vòng - CNAA) được xem là một phương pháp bổ sung cho kỹ thuật NAA dùng để xác định nguyên tố thông qua hạt nhân sống ngắn. Khoảng hơn 20 nguyên tố có các hạt nhân sống ngắn được xác định bằng CNAA được liệt kê trong Bảng 1.

Từ năm 1960, phương pháp này đã được đề xuất [4, 5], sau đó phát triển nhanh chóng vào thập niên 80 [6-8]. Từ đó đến nay, phương pháp CNAA được áp dụng rộng rãi bởi có nhiều ưu điểm như sau: (1) Thời gian phân tích nhanh nhờ sử dụng các hạt nhân sống ngắn. Qui trình chuẩn bị mẫu đơn giản, mẫu được chiếu ngắn và đo nhanh (tổng thời gian chiếu, rã và đo chỉ khoảng 1 ÷ 2 chu kỳ của hạt nhân sống ngắn mà ta quan tâm) và chỉ lặp lại một số vòng lặp. Vì thế kết quả phân tích có thể được gửi trả cho khách hàng trong cùng ngày nhận mẫu.

(2) Cải thiện đáng kể giới hạn phát hiện và độ chính xác của phép phân tích nhờ kích hoạt lặp vòng để cải thiện số đếm thống kê của hạt nhân quan tâm và giảm thiểu sự ảnh hưởng từ những hạt nhân sống dài bởi thời gian của mỗi phép chiếu lặp vòng là rất ngắn. (3) Cho phép xác định đa nguyên tố thông qua các hạt nhân sống ngắn và trung bình. Đặc biệt, đối với kích hoạt lặp vòng sử dụng nguồn neutron từ lò phản ứng (LPƯ) nghiên cứu, thời gian chiếu – đo chỉ trong vài giây và chỉ cần vài vòng lặp là có thể xác định được các hạt nhân có chu kỳ bán rã (T1/2) từ 10 giây đến vài phút (20F, 77m Se, 46mSc, 110Ag, 179mHf, 165mDy, 28Al, 51Ti, 52V, 49Ca, 66Cu, v. Hơn nữa, việc chiếu và 2 đo lặp lại nhiều lần sẽ tránh được sai số ngẫu nhiên.

Tuy nhiên, phương pháp CNAA cũng có những nhược điểm như: (1) Qui trình thực nghiệm khá phức tạp bởi chiếu - đo lặp lại nhiều lần cho cả mẫu cần phân tích và mẫu chuẩn để áp dụng phương pháp tương đối nhằm tính toán hàm lượng nguyên tố quan tâm. (2) Trong CNAA để xác định các hạt nhân sống ngắn, việc thực hiện phép đo ngay sau khi chiếu cũng như chiếu và đo lặp lại nhiều lần dẫn đến thời gian chết rất cao, thường lớn hơn 20%. Điều này dẫn đến sai số lớn trong việc xác định số đếm đỉnh của hạt nhân quan tâm. Vì vậy, trong luận án của tác giả, phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng dựa vào chuẩn hóa k0 (k0-CNAA) đã được nghiên cứu phát triển cùng với một số hiệu chính để khắc phục các nhược điểm nêu trên nhằm xác định một số hạt nhân sống ngắn như: 77mSe, 110Ag, 179mHf, 46mSc, 165mDy, v.v… Lần đầu tiên phương pháp k0-CNAA được phát triển và áp dụng thành công tại Việt Nam.

Đó là điểm mới của Luận án. Tất cả các thí nghiệm trong luận án này được thực hiện trên hệ kích hoạt lặp vòng tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (LPƯĐL) khi vận hành tại mức công suất danh định 500 kW. Phần mềm k0-IAEA sau khi nâng cấp bởi Dr. Menno Blaauw cho k0- CNAA đã được nghiên cứu và áp dụng lần đầu tiên tại LPƯĐL để xử lý phổ tích lũy trong phương pháp CNAA.

Đây cũng là điểm mới của Luận án. Ngoài ra, hệ kích hoạt lặp vòng đã được nâng cấp thông qua Đề tài cấp Bộ giai đoạn 2015 – 2016, nên một số hiệu chính liên quan đến phương pháp k0-CNAA cũng được thực hiện trong nghiên cứu này. Qua kết quả nghiên cứu của luận án, phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng dựa trên chuẩn hóa k0 (k0-CNAA) đã được phát triển và ứng dụng tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Phương pháp k0-CNAA cho kết quả nhanh, tin cậy và có độ nhạy cao cho phép xác định các nguyên tố vi lượng có tính chất chỉ thị dùng trong nghiên cứu y – sinh học và môi trường.

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG Chương này trình bày tóm lược về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của phương pháp phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (CNAA) ở trong và ngoài nước để giải quyết những khó khăn trong việc phân tích các hạt nhân có thời gian sống ngắn mà kỹ thuật phân tích kích hoạt (NAA) truyền thống không giải quyết được. Bên cạnh đó, phương pháp CNAA theo chuẩn hóa k0 cùng với phần mềm k0-IAEA cũng được giới thiệu. Ngoài ra, hiệu ứng chồng chập xung và thời gian chết cao cũng được trình bày trong chương này bởi chúng là một trong những nguồn gây ra sai số chính trong phương pháp CNAA. Tình hình nghiên cứu ngoài nước về phương pháp CNAA Nhu cầu về các kỹ thuật phân tích nhanh, tin cậy cùng với yêu cầu độ nhạy cao để xác định các nguyên tố vi lượng và khả năng phân tích đa nguyên tố, đặc biệt liên quan đến các chương trình quan trắc và nghiên cứu môi trường (cần phân tích một số lượng lớn mẫu) đã thúc đẩy sự phát triển của phương pháp kích hoạt lặp vòng.

Ngoài sự cạnh tranh về yếu tố thương mại so với các kỹ thuật phân tích khác, một lý do khác mà phương pháp CNAA ngày càng nhận được nhiều mối quan tâm là do một số hạt nhân sống ngắn là đối tượng nghiên cứu chỉ thị liên quan đến các vấn đề về môi trường và y sinh [6].1: Số liệu hạt nhân của một số nguyên tố được xác định bằng CNAA thông qua các hạt nhân sống ngắn [3,4] TT Ng. Phản ứng Hạt , T1/2,  0, I0 , Eγ, tố hạt nhân nhân % giây barn barn keV 18 1 O O(n,γ)19O 19 O 0,002 26,9 0,00016 0,00081 197,14 19 2 F F(n,γ)20F 20 F 1,00 11,02 0,0095 0,039 1633,60 46 3 Sc Sc(n,γ)46mSc 46m Sc 1,00 18,75 9,6 -- 142,53 74 4 Ge Ge(n,γ)75mGe 75m Ge 0,365 48 0,143 0,35 139,6 76 5 Se Se(n,γ)77mSe 77m Se 0,090 17,45 21 16 161,93 85 6 Rb Rb(n,γ)86mRb 86m Rb 0,722 61,2 0,05 1275 556,17 103 7 Rh Rh(n,γ)104Rh 104 Rh 1,00 42,3 134 112 555,8 106 8 Pd Pd(n,γ)107mPd 107m Pd 0,273 20,9 0,013 1,16 214,9 4 109 9 Ag Ag(n,γ)110Ag 110 Ag 0,482 24,6 89 0,2 657,76 115 10 In In(n,γ) 116mIn 116m In 0,957 14,1 87 -- 1293,6 123 11 Sb Sb(n,γ)124mSb 124m Sb 0,427 93,0 0,035 0,93 645,86 138 12 Ce Ce(n,γ)139mGe 139m Ce 0,0025 56,4 0,15 2 757,0 164 13 Dy Dy(n,γ)165mDy 165m Dy 0,282 75,6 1698 425 515,5 166 14 Er Er(n,γ)167mEr 167m Er 0,336 2,27 15 10 207,8 176 15 Yb Yb(n,γ)177mYb 177m Yb 0,127 6,41 3,8 -- 104 198 16 Pt Pt(n,γ)199mPt 199m Pt 0,072 13,6 0,3 -- 319 178 17 Hf Hf(n,γ)179mHf 179m Hf 0,273 18,68 53 1039 216 191 18 Ir Ir(n,γ)192mIr 192m Ir 0,373 87 300 1060 58 182 19 W W(n,γ)183mW 183m W 0,265 5,65 20 600 107,9 206 20 Pb Pb(n,γ)207mPb 207m Pb 0,241 0,80 0,03 0,1 570 Nguồn gốc của phương pháp kích hoạt lặp vòng không được biết rõ ràng. Tuy nhiên, một vài báo cáo đầu tiên đã đề cập rằng mẫu được luân chuyển giữa nguồn chiếu và đầu dò để tăng tỉ số “tín hiệu trên nhiễu” đối với một số hạt nhân quan tâm, đã được thực hiện bởi Anders [4, 5] vào các năm 1960 và 1961. Mặc dù không đề cập đến thuật ngữ “lặp vòng” nhưng mẫu đã được chiếu lặp lại bởi nguồn neutron từ bia Berylli của máy gia tốc Van-de-Graaff 2 MeV và được đo trên đầu dò NaI(Tl) sử dụng hệ chuyển mẫu nhanh.