BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2009 - 2011 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THIẾT BỊ PHÂN TÍCH SỬ DỤNG KỸ THUẬT PGNAA VỚI NGUỒN PHÁT NƠTRON (Mã số: ĐT.03/09.NLNT) CƠ QUAN CHỦ TRÌ: VIỆN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HẠT NHÂN CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS., NCVC. NGUYỄN THANH TUỲ Hà nội – 9/2011 - 1 - BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2009 - 2011 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THIẾT BỊ PHÂN TÍCH SỬ DỤNG KỸ THUẬT PGNAA VỚI NGUỒN PHÁT NƠTRON (Mã số: ĐT.03/09.NLNT) CƠ QUAN CHỦ TRÌ: VIỆN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HẠT NHÂN CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS., NCVC. NGUYỄN THANH TUỲ Hà nội – 9/2011 - 2 - DANH SÁCH THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI TT HỌ VÀ TÊN HỌC HÀM, HỌC VỊ ĐƠN VỊ CÔNG TÁC 1 Bùi Đắc Dũng TS., NCVC Viện KH&KT Hạt nhân 2 Khuông Thanh Tuấn CN., NCV TT Kỹ thuật hạt nhân Viện KH&KT Hạt nhân 3 Võ Thị Anh ThS., NCV TT Kỹ thuật hạt nhân Viện KH&KT Hạt nhân 4 Đặng Quang Thiệu TS., NCVC TT Gia tốc và Điện tử Viện KH&KT Hạt nhân 5 Nguyễn Văn Sỹ KS., NCV TT Gia tốc và Điện tử Viện KH&KT Hạt nhân 6 Trịnh An Tuấn CN., NCV TT Gia tốc và Điện tử Viện KH&KT Hạt nhân DANH SÁCH CÁC CỘNG TÁC VIÊN 7 Trịnh Văn Giáp TS., NCVC Viện KH&KT Hạt nhân 8 Nguyễn Tuấn Khải TS., NCVC TT NCCB và TÍNH TOÁN 9 Nguyễn Mạnh Hùng KS., KTV TT Gia tốc và Điện tử Viện KH&KT Hạt nhân 10 Vũ Trung Tân CN TT Kỹ thuật hạt nhân Viện KH&KT Hạt nhân 11 Nguyễn Quang Long CN, NCV TT ATBX&MT - 3 - CÁC NỘI DUNG TRONG BÁO CÁO TT NỘI DUNG TRANG PHẦN I - MỞ ĐẦU 1 PHẦN II - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN THIẾT BỊ PHÂN TÍCH THEO PHƯƠNG PHÁP PGNAA 5 I HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG KỸ THUẬT KÍCH HOẠT NƠTRON 5 1 Các kỹ thuật sử dụng nguồn nơtron 5 2 Nguồn phát Nơtron 7 II CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH THAN 10 1 Kỹ thuật huỳnh quang tia X 10 2 Kỹ thuật đo gamma tự nhiên 11 3 Kỹ thuật đo gamma truyền qua 11 4 Kỹ thuật đo gamma truyền qua 2 năng lượng 11 5 Kỹ thuật đo gamma tán xạ ngược 12 6 Kỹ thuật tán xạ Nơtron 12 7 Kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời 13 III ỨNG DỤNG KỸ THUẬT PGNAA TRONG NGÀNH THAN 14 1 Các loại thiết bị sử dụng kỹ thuật PGNAA 14 2 So sánh kỹ thuật PGNAA với một số kỹ thuật khác 14 3 Tình hình nghiên cứu chế tạo thiết bị PGNAA ở Việt Nam 15 4 Thiết bị phân tích đống PGNAA theo cấu hình của IAEA 16 PHẦN III - NGHIÊN CỨU, THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO THIẾT BỊ PGNAA PHÂN TÍCH ĐỘ TRO THAN 19 I THIẾT KẾ HỆ PHÂN TÍCH ĐỘ TRO THAN PGNAA 19 1.1 Cấu hình chung của các thiết bị/máy đo hạt nhân 19 1.2 Nguồn phát nơtron trong hệ đo chế tạo 21 II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP CHỨA NGUỒN VÀ THÙNG ĐO 23 2.1 Thiết kế hệ chứa nguồn và thùng đo 23 2.2 Chế tạo hộp chứa nguồn và thùng đo 28 - 4 - 2.3 Nạp nguồn phóng xạ vào hộp chứa nguồn 32 III CHẾ TẠO CÁC KHỐI ĐIỆN TỬ CỦA HỆ PHÂN TÍCH 33 3.1 Detector BGO. 33 3.2 Tiền khuếch đại 34 3.3 Khuếch đại phổ – AMP 34 3.4 Thiết kế và lắp ráp bộ phân tích biên độ đa kênh – MCA 38 3.5 Phần mềm xử lý tín hiệu biến đổi đa kênh (MCA) 42 IV CHẾ TẠO MẪU THAN CHUẨN CHO HỆ ĐO 42 V ĐÁNH GIÁ AN TOÀN BỨC XẠ HỆ ĐO 45 PHẦN IV – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 I LỚP CHẮN BỨC XẠ GIỮA NGUỒN VÀ ĐẦU THU 48 1.1 Chọn vật liệu che chắn 48 1.2 Lựa chọn cấu hình 49 1.3 So sánh phổ CẤU HÌNH I và CẤU HÌNH V 53 1.4 Lựa chọn lớp chắn tối ưu cho CẤU HÌNH ĐO 54 1.5 Xác định khối lượng than thích hợp theo cấu hình đo 55 II CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ PGNAA 57 2.1 Xây dựng thư viện vạch năng lượng phổ PGNAA của than 57 2.2 Chuẩn năng lượng 59 2.3 Lưu đồ phần mềm 63 2.4 Mô tả các chức năng chính trong chương trình 64 III XÂY DỰNG QUY TRÌNH LÀM ĐƯỜNG CHUẨN ĐỘ TRO 66 3.1 Phương pháp luận 67 3.2 Xây dựng đường chuẩn độ tro 68 3.3 Số liệu thực nghiệm 69 3.4 Kết quả đo xác định độ tro than 74 3.5 Tính sai số kết quả đo 76 3.6 Quy trình làm đường chuẩn 79 IV MỘT SỐ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH CỦA HỆ ĐO 79 - 5 - PHẦN V – KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 PHẦN PHỤ LỤC 1 Phụ lục 1.1 Phần mềm xử lý tín hiệu biến đổi đa kênh – MCA. 87 2 Phụ lục 1.2 DÙNG PHẦN MỀM MOCA ĐỂ MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀY BÃO HÒA MẪU THAN CHO HỆ ĐO PGNAA. 94 3 Phụ lục 1.3 Hướng dẫn sử dụng. 103 4 Phụ lục 1.4 Quy trình làm đường chuẩn. 111 PHỤ LỤC 2 – VĂN BẢN LIÊN QUAN 1 Quyết định số 1473/QĐ-BHKCN, V/v phê duyệt giao thực hiện các nhiệm vụ KH&CN cấp Bộ năm 2009-2010. 2 Số 03/09/HĐ/ĐT, ngày 03 tháng 8 năm 2009, Hợp đồng thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ cấp Bộ. 3 Quyết định số 3058/QĐ-BKHVN V/v chỉnh sửa tên và gia hạn thời gian thực hiện đề tài. 4 Biên bản xác nhận tài chính. 5 Quyết định số 49/ QĐ-BKHCN, ngày 17/11/2012, V/v thành lập Hội đồng KHCN đánh giá, nghiệm thu đề tài cấp Bộ. 6 Biên bản đánh giá kết quả đề tài KHCN cấp Bộ, ngày 22/3/2012 của Hội đồng khoa học đánh giá, nghiệm thu cấp Bộ. - 6 - BẢNG CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ VIẾT TẮT TRONG BÁO CÁO NAA Neutron Activation Analysis – Kỹ thuật phân tích bằng kích hoạt neutron PGNAA Prompt Gamma Neutron Activation Analysis – Kỹ thuật phân tích bằng kích hoạt neutron-gamma tức thời DGNAA Delayed Gamma Neutron Activation Analysis – Kỹ thuật phân tích bằng kích hoạt neutron-gamma trễ INAA the Instrumental Neutron Activation Analysis – Kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron công cụ RNAA the Radiochemical Neutron activation analysis – Kỹ thuật phân tích nơtron hóa phóng xạ ENAA Epithermal Neutron Activation Analysis – Kỹ thuật phân tích kính hoạt nơtron trên nhiệt CNAA the Cyclic Neutron Activation Analysis – Kỹ thuật phân tích kich hoạt nơtron tuần hoàn BGO bismuth germanate detetor, Đầu thu BGO DUET Dual energy gamma-ray transmission, Tia gamma truyền qua hai năng lượng XRF X Ray Fluorescence, Kỹ thuật huỳnh quang tia X IAEA International Atomic Energy Agency – Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế NCS Nucleonic Control Systems – NCS, các hệ điều khiển hạt nhân CSIRO Công ty cung cấp thiết bị hạt nhân của Úc NDT None Destroy Testing, kiểm tra không phá hủy mẫu TRACER Đánh dấu đồng vị phóng xạ RDC – Hà Nội Regional training and Demonstration Centre, Trung tâm Đào tạo và trình diễn Vùng tại Hà Nội ATBX An toàn bức xạ CNBX Công nghệ bức xạ KHCN Khoa học Công nghệ KTHN Kỹ thuật hạt nhân PTN Phòng thí nghiệm PE Polyethylene PA Paraffin Wax NLNT Năng lượng nguyên tử TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam - 7 - TĐ Tuyệt đối TMĐT Thuyết minh đề tài TKV Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam - 8 - DANH MỤC BẢNG, BIỂU SỐ LIỆU TRONG BÁO CÁO TT TÊN BẢNG, BIỂU TRANG 1 Bảng 3.1 Kết quả tính toán liều bức xạ tổng cộng gây bởi nơtron và gamma ở bên ngoài bộ phận chứa nguồn tại các vị trí cách tâm 1m, 2m và 3m 25 2 Bảng 3.2 Kết quả tính toán liều bức xạ gây bởi nơtron ở bên ngoài thùng tại các khoảng cách 1m, 2m và 3m cách thùng 27 3 Bảng 3.3 Tổng hợp nguyên vật liệu chế tạo thùng đo & hộp chứa nguồn 32 4 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của ADC 41 5 Bảng 3.5 Kết quả phân tích độ tro và các ôxít trong mẫu than 44 6 Bảng 3.6 Đánh giá ATBX - Giá trị đo liều nơtron và gamma 45 7 Bảng 4.1 Độ truyền qua và phản xạ nơtron của mỗi vật liệu đối với nguồn nơtron 48 8 Bảng 4.2 Thành phần nguyên tố của vật liệu được đánh giá 49 9 Bảng 4.3 Đặc tính của polyethylene và paraffin Wax 49 10 Bảng 4.4 Thư viện vạch năng lượng cơ bản của các nguyên tố chính trong than 57 11 Bảng 4.5 Chuẩn năng lượng bằng Co-60 và Ba-133 cho hệ PGNAA 59 12 Bảng 4.6 Tương quan vị trí kênh và năng lượng các đồng vị Co-60, Ba-133 và H 60 13 Bảng 4.7 Tương quan kênh và năng lượng của Co-60, Ba-133, H và Si 62 14 Bảng 4.8 Tỷ lệ % các ô xít trong tro than 68 15 Bảng 4.9 Hàm lượng nguyên tố trong tro than 68 16 Bảng 4.10 Thông tin chi tiết của 3 đường chuẩn được lập trong thực nghiệm 69 17 Bảng 4.11 Kết quả tính độ tro than từ các phổ thu được 69 18 Bảng 4.12 Nhóm số liệu xác định độ tro trong 3 ngày 72 19 Bảng 4.13 Kết quả xác định độ tro than theo đường chuẩn II 74 20 Bảng 4.14 Kết quả đo và tính sai số 77 - 9 - DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG BÁO CÁO TT TÊN HÌNH TRANG 1 Hình 2.1 Phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời (PGNAA) và phân tích kích hoạt nơtron gamma trễ (DGNAA) 5 2 Hình 2.2 a) Phân tích nguyên tố trong mẫu than bằng kỹ thuật XRF, b) Phân tích trên băng tải bằng kỹ thuật XRF 10 3 Hình 2.3 Nguyên lý của kỹ thuật đo gamma truyền qua 11 4 Hình 2.4 Nguyên lý đo gamma truyền qua hai năng lượng 12 5 Hình 2.5 Nguyên lý đo gamma tán xạ ngược 12 6 Hình 2.6 Nguyên lý đo tán xạ nơtron 13 7 Hình 2.7 Vùng xảy ra tương tác Prompt gamma xung quanh đầu thu hạt nhân 14 8 Hình 2.8 Lựa chọn kỹ thuật hạt nhân cho mục đích xác định độ tro than 15 9 Hình 2.9 Kích thước cấu hình theo thiết kế của IAEA 17 10 Hình 2.10 Thùng đo do Trung Quốc theo thiết kế của IAEA 17 11 Hình 3.1 Cấu hình hệ phân tích độ tro than bằng phương pháp PGNAA 20 12 Hình 3.2 a) Hình vẽ cấu trúc ống phát, b): Hộp điều khiển 22 13 Hình 3.3 Thùng đo thí nghiệm xác định thông lượng ống phát nơtron 23 14 Hình 3.4 Phổ năng lượng của nguồn Cf-252 24 15 Hình 3.5 Cấu trúc của bộ phận chứa nguồn nơtron đồng vị, cường độ 10 7 n/s 25 16 Hình 3.6 Phổ năng lượng của n tán xạ ra khỏi hộp chứa sau quá trình làm chậm trong paraffin 25 17 Hình 3.7 Phổ năng lượng bức xạ gamma thứ cấp tạo ra 26 18 Hình 3.8 Mô hình hệ phân tích độ tro than sử dụng phương pháp PGNAA 27 19 Hình 3.9 Sự ghi nhận tia gamma tức thời do tương tác của n trong than 27 20 Hình 3.10 Phổ năng lượng của n nhanh (≥ 0.5 MeV) tán xạ thoát ra khỏi thùng 27 21 Hình 3.11 Chế tạo hộp chứa nguồn nơtron đồng vị có suất phát 10 7 n/s 28 - 10 - [...]... cứu xây dựng hệ thiết bị phân tích độ tro sử dụng kỹ thuật PGNAA với nguồn phát nơtron , thời gian thực hiện kéo dài đến 9/2011 II MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI • Xây dựng được một hệ thiết bị phân tích độ tro của than phục vụ công tác khai thác và sản xuất than sử dụng kỹ thuật PGNAA với nguồn phát (ống phát/ nguồn đồng vị) nơtron • Thực hiện nội dung của dự án RAS/8/107 (IAEA cung cấp ống phát nơtron Phần còn... trường, thiết bị sử dụng có hiệu quả của các cơ sở ứng dụng (End-user) như kỳ vọng của các Nhà làm chính sách về khoa học công nghệ của Việt Nam và của Dự án RAS về NCS mà IAEA đã và đang quan tâm phát triển 4 PHẦN II LÝ THUYẾT TỔNG QUAN HỆ THIẾT BỊ PHÂN TÍCH THEO PHƯƠNG PHÁP PGNAA I HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG KỸ THUẬT KÍCH HOẠT NƠTRON 1 Các kỹ thuật sử dụng nguồn nơtron [2,6, 30] Các kỹ thuật sử dụng nguồn nơtron. .. eV 7 Thiết bị phân tích hạt nhân dùng kỹ thuật PGNAA trên cơ sở có ba loại nguồn phát nơtron mà nó sử dụng [13]: nguồn nơtron đồng vị, máy phát/ ống phát nơtron và lò phản ứng hạt nhân Do thiết bị phân tích của đề tài không liên quan đến sử dụng nguồn nơtron của lò phản ứng hạt nhân cho nên chỉ có hai loại nguồn nơtron được tìm hiểu và tổng quan trong báo cáo là nguồn đồng vị và nguồn từ ống phát nơtron. .. là phân tích nhanh, kết quả khá chính xác, không phải gia công mẫu, quá trình phân tích không bị ảnh hưởng của điều kiện môi trường, Tuy nhiên việc xây dựng hệ đo sử dụng kỹ thuật này đòi hỏi phải có trình độ kỹ thuật – công nghệ cao và nguồn kinh phí khá lớn Do ưu điểm nổi bật của PGNAA nói chung và của PGNAA sử dụng ống phát nơtron nói riêng nên nhất định các thiết bị sử dụng kỹ thuật PGNAA sẽ phát. .. MeV Sử dụng các máy phát hoặc ống phát nơtron, có nhiều kích thước khác nhau tùy theo điều kiện hoạt động Máy phát nơtron, do đạt được thông lượng nơtron cao, nên có khả năng phân tích rộng và độ chính xác cao hơn so với dùng ống phát nơtron Thiết bị COALSCAN của Australia dùng máy phát nơtron, hiện đang được sử dụng rất rộng rãi, nhưng kích thước của các hệ thiết bị này khá lớn Thiết bị sử dụng ống phát. .. một số cơ sở sử dụng thiết bị PGNAA với nguồn phóng xạ, nhưng chưa có cơ sở sử dụng thiết bị PGNAA với nguồn phát bức xạ là máy phát hoặc ống phát nơtron Dự án hợp tác vùng Châu Á – Thái Bình Dương, liên tục trong các năm tài khóa từ năm 2001 đến năm 2005 (RAS/8/089, RAS/8/094, RAS/8/099) về “Lợi ích của việc ứng dụng các phương pháp phân tích kỹ thuật hạt nhân trong kỹ nghệ khai khoáng đối với việc thăm... nitơ, kali và titan của than, Ứng dụng tính chất trên của kỹ thuật PGNAA, chế tạo thiết bị phân tích độ tro than Xác định độ tro than có 3 loại thiết bị: • Thiết bị phân tích lỗ khoan (PGNAA logging Analyser); • Thiết bị phân tích đống (Bulk Analyser); • Thiết bị phân tích trên băng tải (Online Analyser on conveyer) Ngay khi mẫu than bị chiếu xạ nơtron, trong mẫu phát ra các tia gamma đặc trưng, các... một trong những kỹ thuật phân tích tiên tiến Ưu điểm của phương pháp đo này là phân tích nhanh, kết quả khá chính xác, không phải gia công mẫu, quá trình phân tích không bị ảnh hưởng của điều kiện môi trường, và phân tích được hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Đề tài Nghiên cứu xây dựng hệ thiết bị phân tích độ tro than sử dụng kỹ thuật PGNAA với nguồn phát nơtron , triển khai từ tháng 4/2009,... nhiều thiết bị để xây dựng Trung tâm trình diễn Vùng, trong đó có thiết bị đo độ tro theo phương pháp tán xạ ngược gamma và thiết bị đo lỗ khoan thăm dò bằng PGNAA Năm 2008, Dự án RAS/8/107, IAEA viện trợ nguồn phát nơtron, Việt Nam có trách nhiệm chế tạo hệ đo độ tro đống than bằng kỹ thuật PGNAA Kỹ thuật phân tích bằng phương pháp kích hoạt nơtron- gamma tức thời (PGNAA) là một trong những kỹ thuật phân. .. tán xạ ngược (dùng một nguồn hoặc hai nguồn gamma) và PGNAA Hình 2.8 cho thấy khi nào thì sử dụng kỹ thuật gamma-gamma, khi nào thì sử dụng kỹ thuật PGNAA[ 14] Điều đó, cũng khẳng định tính ưu việt, nối trội của kỹ thuật PGNAA 14 Hình 2.8 Lựa chọn kỹ thuật hạt nhân cho mục đích xác định độ tro than 3 Tình hình nghiên cứu chế tạo thiết bị PGNAA ở Việt Nam Ở nước ta, việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân đang . QUAN THIẾT BỊ PHÂN TÍCH THEO PHƯƠNG PHÁP PGNAA 5 I HỆ THIẾT BỊ SỬ DỤNG KỸ THUẬT KÍCH HOẠT NƠTRON 5 1 Các kỹ thuật sử dụng nguồn nơtron 5 2 Nguồn phát Nơtron 7 II CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH. đến nguồn phát nơtron. Đề tài đã xây dựng thành công hệ thiết bị phân tích độ tro than sử dụng kỹ thuật PGNAA với nguồn nơtron Cf-252. Hệ thiết bị này đã đáp ứng được mục tiêu đặt ra với các. xạ Nơtron 12 7 Kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời 13 III ỨNG DỤNG KỸ THUẬT PGNAA TRONG NGÀNH THAN 14 1 Các loại thiết bị sử dụng kỹ thuật PGNAA 14 2 So sánh kỹ thuật PGNAA với