TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN LÊ ĐỨC THỊNH – 1210244 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHẦN MỀM k0-IAEA CHO KỸ THUẬT PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VỊNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƢ CBHD: TS Hồ Mạnh Dũng ThS Hồ Văn Doanh Đà Lạt, 12/2016 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc, dành tình cảm quý mến, kính trọng đến người thầy TS Hồ Mạnh Dũng ThS Hồ Văn Doanh hướng dẫn thực nội dung công việc đề tài cám ơn anh Trần Quang Thiện phòng phân tích kích hoạt neutron INAA hướng dẫn công việc liên quan đến thiết bị phòng thí nghiệm Nguyễn Thị Sỹ hướng dẫn chuẩn bị mẫu Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban Giám hiệu, quý Thầy Cô khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân, Trường Đại học Đà Lạt truyền đạt cho kiến thức, say mê học tập nghiên cứu trường Tơi khơng qn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cán phòng thí nghiệm INAA, Ban Giám đốc Trung tâm phân tích, nhà khoa học làm việc Viện Nghiên cứu hạt nhân bạn bè tạo điều kiện, tận tình giúp đỡ tơi suốt thời gian thực nghiên cứu Và lời cuối cùng, Sinh viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình người thân yêu động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập suốt thời gian đại học Sinh viên thực đề tài Lê Đức Thịnh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi người hướng dẫn khoa học TS.Hồ Mạnh Dũng ý kiến đóng góp ThS.Hồ Văn Doanh công tác Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Ngồi ra, khóa luận khơng có chép đề tài, khóa luận nhờ người khác làm thay Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung trình bày khóa luận Đà Lạt, ngày 12 tháng 12 năm 2016 Người cam đoan Lê Đức Thịnh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .2 LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU .1 Phần I T ng quan I.1 Giới thiệu kỹ thuật phân tích kích hoạt neutrong lặp vòng (CNAA) I.2 Lý thuyết kỹ thuật CNAA .4 I.3 Phần mềm k0-IAEAcho CNAA 10 I.3.1 Lịch sử phát triển phần mềm k0-IAEA 10 I.3.2 Các chức phần mềm k0-IAEAcho CNAA 10 I.3.3 Tạo file phổ tích lũy từ phổ lặp 15 I.4 Thời gian chết Zero deadtime phương pháp CNAA 18 I.4.1 Giới thiệu phương pháp hiệu chỉnh thời gian chết đo phổ gamma 18 I.4.2 Phương pháp hiệu chỉnh số đếm kỹ thuật Zero Dead time 19 Phần II Th c nghi m 23 II.1 Hệ kích hoạt lặp vòng LPUDL 23 II.2 Chuẩn bị dò mẫu chuẩn 25 II.3 Chiếu đo mẫu lặp vòng 27 II.3.1 Khởi động nguồn cấp điện, cấp khí nén, hệ PTS chương trình máy tính .30 II.3.2 Thiết lập thông số thực nghiệm LPUDL 33 II.4 Xử lí phổ tích lũy tiêu chuẩn đánh giá kết phân tích .34 II.5 Qui trình áp dụng phần mềm k0-IAEAcho CNAA 35 Phần III K t nghi n c u thảo luận 43 III.1 Kết xử lí phổ k0-IAEA .43 III.1.1 Kết chuẩn lượng độ phân giải 43 III.1.2 Kết xử lí phổ diện tích đỉnh 45 III.2 Kết giới hạn phát phân tích hàm lượng nguyên tố phần mềm k0-IAEA cho CNAA 47 III.2.1 Kết giới hạn phát .47 III.2.2 Kết hàm lượng phân tích 49 KẾT LUẬN .55 Tài liệu tham khảo 56 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ vi t tắt Ti ng Anh Ti ng Vi t CAA Cycle Activation Analysis Phân tích kích hoạt lặp vòng Cycle Neutron Activation Phân tích kích hoạt neutron lặp Analysis vòng CNAA k0-CNAA NAA INAA HPGe IAEA PTS k-zero Cycle Neutron Activation Analysis vòng phương pháp chuẩn hóa k-zero Neutron Activation Analysis Phân tích kích hoạt neutron Instrumental Neutron Phân tích kích hoạt neutron dụng Activation Analysis cụ High Purity Germanium Gecmani siêu tinh khiết International Atomic Cơ quan Năng lượng nguyên tử Energy Agency quốc tế Pneumatic Transfer System Hệ chuyển mẫu khí nén Digital Signal ProcessingDSPEC Pro Phân tích kích hoạt neutron lặp based gamma-ray spectrometer Hệ phổ kế gamma xử lý tín hiệu kỹ thuật số Programmable Logic Thiết bị điều khiển Controller lập trình Dalat Nuclear Research Lò phản ứng hạt nhân Reactor Đà Lạt LTC Live time clock Phương pháp đo thời gian sống LOD Limit of detection Giới hạn đo National Institute of Viện tiêu chuẩn công nghệ Standards and Technology quốc gia PLC LPUDL NIST MỞ ĐẦU Phân tích kích hoạt neutron (NAA) kỹ thuật hạt nhân sử dụng để xác định hàm lượng đa nguyên tố nhiều loại mẫu Hầu hết nguyên tố bảng hệ thống tuần hồn xác định mức hàm lượng thấp (thường mức hàm lượng mg/kg với khối lượng mẫu đem phân tích khoảng 100 mg) Mẫu kích hoạt neutron, thông thường neutron tạo từ lò phản ứng nghiên cứu Sau bắt neutron, hạt nhân mẫu trở thành trạng thái không bền, gọi hạt nhân phóng xạ Sự phân rã đồng vị phóng xạ thường kèm theo phát nhiều tia gamma đặc trưng Các tia gamma xác định đầu dò bán dẫn với độ phân giải lượng tốt Trong phổ gamma, lượng đỉnh nguyên tố diện mẫu diện tích đỉnh cho phép định lượng nguyên tố diện mẫu Phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (CNAA) kỹ thuật bổ sung phương pháp NAA để xác định nguyên tố thông qua hạt nhân phóng xạ có thời gian bán hủy ngắn (T1/2 < 10 phút) Kỹ thuật CNAA cho thấy nhiều ưu điểm: (1) Cải thiện đáng kể giới hạn phát (LOD) (2) Độ lặp lại phép phân tích cải thiện; (3) Thời gian phân tích nhanh, tăng suất phân tích, tiết kiệm chi phí; (4) Dễ quản lí an tồn phóng xạ mẫu sau đo hoạt độ đồng vị sống ngắn nhanh chóng rã hết Hiện nay, kỹ thuật CNAA theo phương pháp chuẩn hóa k0 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (LPUDL) nghiên cứu áp dụng thông qua đề tài cấp “Nghiên cứu phát triển số kỹ thuật nâng cao khả tự động hóa phân tích kích hoạt neutron lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt” tiến sĩ Hồ Mạnh Dũng làm chủ nhiệm Bên cạnh đó, phần mềm k0-IAEAcũng nâng cấp để áp dụng cho CNAA Đề tài đặt nhằm nghiên cứu áp dụng phần mềm k0-IAEAcho CNAA LPUDL, với hai lý chính: (1) CNAA nghiên cứu áp dụng LPƯ Đà Lạt thông qua hệ chuyển mẫu khí nén kênh 13-2/TC (2) Phần mềm k0-IAEAvừa nâng cấp chức xử lý phổ lặp vòng Vì vậy, việc nghiên cứu áp dụng phần mềm k0-IAEA cho CNAA cần thiết qui trình CNAA LPUDL Phần I T ng quan I.1 Giới thi u kỹ thuật phân tích kích hoạt neutrong lặp vòng (CNAA) Phân tích kích hoạt lặp vòng (CAA) phương pháp phân tích kích hoạt ngun tố có mẫu qua trình chiếu, rã, đo mẫu sau lặp lại q trình cách tuần hồn để cuối thu phổ tích lũy từ chương trình tích lũy phổ tác giá M.Blaauw Phổ tích lũy thu có tỷ số hoạt độ nguyên tố quan tâm matrix cải thiện Trong CNAA thời gian thực ngắn tăng khả phân tích số lượng mẫu thời gian định, tiết kiệm chi phí Điển hình phân tích ngun tố có đồng vị sống dài nguyên tố 75 Se (120 ngày), 46 Sc ( 84 ngày), 110m Ag ( 250 ngày) 181 Hf ( 45ngày), để đạt độ nhạy mong muốn yêu cầu điều kiện chiếu thời gian chiếu, rã, đo dài từ vài tới vài ngày làm giảm khả cạnh tranh với phương pháp khác Tại LPUDL trang bị nâng cấp hệ chuyển mẫu khí nén nhanh kênh 13-2/TC phục vụ cho kỹ thuật CNAA cho việc phân tích ngun tố thơng qua đồng vị có thời gian bán rã ngắn Hệ cho phép thực phép chiếu ngắn từ vài giây đến vài chục giây, thời gian vận chuyển mẫu từ vị trí chiếu tới vị trí đo ba giây tự động hóa chiếu, đo mẫu tự động (k0-CNAA) áp dụng phương pháp chuẩn hóa k-zero để xác định hàm lượng nguyên tố mẫu So với phương pháp tương đối phương pháp chuẩn đơn phương pháp k0 có số ưu điểm linh hoạt thay đổi điều kiện chiếu đo hệ số k0 độc lập với hai điều kiện phụ thuộc vào chất hạt nhân ngun tố cần phân tích, khơng cần sử dụng mẫu chuẩn chiếu kèm, đồng thời phân tích đa nguyên tố phù hợp để máy tính hóa Nhìn chung, để áp dụng phương pháp k0-CNAA có hai cơng việc xác định thông số phổ neutron kênh chiếu mẫu đo hiệu suất ghi tuyệt đối đầu dò Trong CNAA cần phải lựa chọn điều kiện thực nghiệm tối ưu cho nhóm nguyên tố bao gồm thời gian chiếu, rã, đo số lần lặp thực nghiệm Trong lúc chiếu với thời gian ngắn, đồng vị sống ngắn tối ưu chịu ảnh hưởng matrix phức tạp đồng vị sống dài có hàm lượng cao nhiều loại mẫu khác hoạt độ ban đầu lớn gây nên thời gian chết cao (>20%) ảnh hưởng tới ghi nhận số đếm sai số Trong phần mềm k0-IAEA đề cập đến việc hiệu chỉnh thời gian chết phương pháp Zero Deadtime hãng ORTEC [9] giúp cải thiện vấn đề Trên số nước phát triển, lĩnh vực áp dụng cho NAA nói chung với CNAA nói riêng vơ rộng rãi [4] khoa hoc môi trường quan trắc, kiểm sốt nhiễm mơi trường, đặc biệt quan trắc ô nhiễm không khí để xác định tỉ lệ thành phần nguyên tố P, F, Sc, Ag, As,V aerosol Trong y học, sinh học, nhân chủng học tội phạm, phương pháp cung cấp cơng cụ mạnh để phân tích ngun tố có hàm lượng vết siêu vết từ 0.01ppm-vài ppm như: Se, F, O, As Các loại mẫu thường chọn để đem phân tích bao gồm: máu, nước tiểu, móng tay, tóc, xương, răng… Trong lĩnh vực địa chất, khoa học vật liệu, khảo sát địa chất đánh giá hàm lượng nguyên tố quan tâm lẫn nguyên tố có vỏ trái đất giới cho hạn đo thấp cho nguyên tố như: O, Si, Sc, Al, Ag, Au, Rh, Hf, Pb, U; hay lĩnh vực vật liệu bán dẫn áp dụng để xác định độ tinh khiết vật liệu Ngoài ra, phương pháp phân tích kích hoạt áp dụng nhiều lĩnh vực khoa học dinh dưỡng Hầu hết nguyên tố vết, vi lượng đa lượng vào quan tế bào người thông qua thức ăn, phương pháp thường sử dụng thường xuyên cho mục đích phân tích hàm lượng nguyên tố độc nguyên tố dinh dưỡng thức ăn, đồ uống giới hạn tối đa cho phép nguyên tố độc hại mức cung cấp đầy đủ nhóm nguyên tố dinh dưỡng người Điển xác định hàm lượng Se [3] mẫu sinh học thông qua đồng vị 77mSe ( T1/2= 17s) Bảng 1.1: Số liệu hạt nhân nguyên tố đo CNAA neutron nhiệt nhiệt cho đồng vị có T1/2