Phân tích kích hoạt là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa Phân tích kích hoạt

Phân tích kích hoạt (Activation Analysis) là kỹ thuật xác định thành phần nguyên tố trong mẫu vật bằng cách đo bức xạ gamma phát ra khi mẫu được kích hoạt hạt nhân. Quá trình kích hoạt biến một số nguyên tử nguyên tố bình thường thành đồng vị phóng xạ đặc trưng, cho phép định lượng độ nhạy cao với ngưỡng phát hiện ở mức ppb (phần tỷ tỷ).

Kỹ thuật này không phá hủy mẫu gốc, phù hợp với mẫu rắn, lỏng hoặc khí được đóng gói trong ống chịu nhiệt. Phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong một lần đo, với sai số thường <5%, khiến NAA trở thành tiêu chuẩn vàng trong khảo sát địa chất, môi trường và y sinh.

Mẫu khảo sát có thể là đá khoáng, đất, trầm tích, nước ngầm, mô sinh học, hay vật liệu công nghiệp. Yêu cầu vệ sinh và kiểm soát nhiễm chéo rất nghiêm ngặt; thường tiến hành trong buồng sạch và sử dụng mẫu trắng (blank) cùng chuẩn hiệu chuẩn nội bộ.

Nguyên lý cơ bản

Nguyên lý hoạt động dựa trên phản ứng hạt nhân khi neutron hoặc photon năng lượng cao tương tác với hạt nhân ổn định, tạo đồng vị phóng xạ. Đồng vị này trong quá trình phân rã phát xạ gamma ở năng lượng đặc trưng cho mỗi nguyên tố, cho phép nhận diện bằng gamma spectrometry.

• Kích hoạt neutron: neutron thermal hoặc epithermal từ lò phản ứng hoặc nguồn neutron 252Cf.
• Kích hoạt photon: gamma năng lượng cao từ synchrotron hoặc máy gia tốc tuyến tính (linac).
• Đo phổ gamma: detector HPGe (High-Purity Germanium) phân giải năng lượng cao, xác định đỉnh đặc trưng.

Kỹ thuật phân tích dựa trên định luật phóng xạ: số hạt nhân phóng xạ tạo ra $N^*$ tỷ lệ với thông lượng neutron $\phi$, tiết diện phản ứng $\sigma$, và thời gian kích hoạt $t_i$. Sau giai đoạn nguội $t_d$, phổ gamma được thu và tính ngược hàm lượng nguyên tố.

Phân loại kỹ thuật

Tuỳ nguồn kích hoạt và thời gian đo, phân tích kích hoạt chia thành ba nhóm chính:

• Neutron Activation Analysis (NAA): dùng neutron thermal từ lò phản ứng; ưu điểm độ nhạy cao cho nhiều nguyên tố nặng và nhẹ.
• Prompt Gamma NAA (PGNAA): đo gamma ngay trong lúc mẫu hấp thụ neutron, không cần chờ giai đoạn phân rã; thích hợp khảo sát nguyên tố như B, H, Cl trong vật liệu hữu cơ.
• Photon Activation Analysis (PAA): sử dụng photon năng lượng cao (γ) kích hoạt hạt nhân; ưu điểm không phụ thuộc lò phản ứng, nhưng yêu cầu thiết bị synchrotron hoặc linac.

Kỹ thuật	Nguồn kích hoạt	Ưu điểm	Giới hạn
NAA	Lò phản ứng neutron	Độ nhạy ppb, đa nguyên tố	Phải có lò, thời gian chờ lâu
PGNAA	Neutron real-time	Không chờ phân rã, đo nhanh	Độ phân giải thấp hơn NAA
PAA	Synchrotron, linac	Tiếp cận thuận tiện, chọn lọc	Thiết bị đắt, nguồn photon ít phổ biến

Cơ chế hạt nhân và phản ứng kích hoạt

Phản ứng kích hoạt hóa hạt nhân cơ bản nhất là hấp thụ neutron:

${}^{A}_{Z}\mathrm{X} + n \rightarrow {}^{A+1}_{Z}\mathrm{X}^* \rightarrow {}^{A+1}_{Z}\mathrm{X} + \gamma$

Trong đó, ${}^{A+1}_{Z}\mathrm{X}^*$ là đồng vị phóng xạ kích thích, phát xạ photon gamma khi trở về trạng thái bền vững. Mỗi đồng vị có chu kỳ bán rã $\lambda$ và đỉnh gamma đặc trưng $E_\gamma$, cho phép định tính và định lượng.

Phản ứng phụ như (n,α) hoặc (n,p) cũng xảy ra với một số nguyên tố, tạo đồng vị phóng xạ khác, cần chú ý trong bước phân tích phổ để tránh nhầm lẫn. Thông thường, phổ gamma được giải phổ để tách các đỉnh chồng lấp và hiệu chỉnh bằng chuẩn năng lượng.

Thiết bị và nguồn kích hoạt

Thiết bị kích hoạt neutron thường bao gồm lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu (research reactor) với dòng neutron thermal đạt 10¹³–10¹⁵ n/cm²·s. Các neutron thermal cho hiệu suất kích hoạt cao đối với hầu hết nguyên tố, trong khi neutron epithermal (từ 0,5 eV đến vài keV) có thể tăng độ nhạy với một số đồng vị đặc thù.

Nguồn neutron phi hạt nhân như neutron generator (phản ứng D–T) hoặc nguồn ²⁵²Cf cũng được sử dụng, ưu điểm linh hoạt, không cần cơ sở lò phản ứng nhưng dòng neutron thấp hơn, thường ~10⁶–10⁸ n/cm²·s. Đối với phân tích photon activation (PAA), nguồn kích hoạt bao gồm synchrotron và máy gia tốc tuyến tính (linac) cung cấp photon có năng lượng từ vài MeV đến vài chục MeV.

Detector gamma high–purity germanium (HPGe) là chuẩn mực để thu phổ gamma do độ phân giải năng lượng cao (<0,2% tại 1,33 MeV). Hệ thống đo gồm đầu dò HPGe, pre-amplifier độ ồn thấp, bộ thu phổ (multi–channel analyzer) và phần mềm giải phổ (như Genie 2000 hoặc FitzPeaks) để xác định đỉnh năng lượng và tính cường độ.

Mẫu chuẩn và chuẩn hóa

Mẫu chuẩn (Standard Reference Material – SRM) do NIST cung cấp gồm đất, đá, hợp kim với hàm lượng nguyên tố định trước, dùng để hiệu chuẩn hiệu suất detector và kiểm tra quy trình. Chuẩn nội mẫu (internal standard) có thể thêm vào mẫu khảo sát để hiệu chỉnh biến động do sai số khối lượng, hiệu suất kích hoạt và hệ số đếm.

Quy trình chuẩn hóa năng lượng yêu cầu dùng nguồn gamma chuẩn như ¹⁵²Eu, ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs để hiệu chuẩn trục năng lượng (gain) và đánh giá độ tuyến tính. Hiệu chuẩn hiệu suất đếm phụ thuộc hình dạng mẫu, khối lượng, độ dày và vị trí trong khoang detector; thường mô phỏng bằng mã Monte Carlo (MCNP, GEANT4) hoặc đo thực nghiệm với chuẩn SRM tương tự.

Hiệu chỉnh nền (background) và đếm đếm ngẫu nhiên (random coincidence) là bước quan trọng, đặc biệt với giả tín hiệu từ nguồn kích hoạt hoặc nhiễu phốt pho tự nhiên. Nhiệt độ và độ ẩm môi trường đo cũng cần kiểm soát để ổn định hiệu suất HPGe.

Tiến trình phân tích và xử lý dữ liệu

1. Chuẩn bị mẫu: Cân đúng khối lượng (thường 0,1–1 g cho mẫu rắn), đóng gói trong ống quartz hoặc polyethylene, đảm bảo không nhiễm tạp và có bề dày phù hợp.
2. Kích hoạt: Đặt mẫu vào vị trí neutron flux hoặc photon beam, chọn thời gian kích hoạt (t_i) từ vài phút đến vài giờ tùy nguyên tố đích và chu kỳ bán rã mong muốn.
3. Giai đoạn nguội (cooling): Giữ mẫu trong tủ chì hoặc kho chứa ít nhất bằng 1–10 lần chu kỳ bán rã đặc trưng ($t_d$) để giảm nền và tăng độ phân biệt đỉnh gamma.
4. Đo phổ gamma: Thu phổ trong thời gian đo (t_c), thường 1–24 giờ, ghi nhận năng lượng và số đếm tại các đỉnh.\
5. Xử lý dữ liệu: Giải phổ xác định đỉnh \$E_\gamma\$, tính số đếm thực ở mỗi đỉnh (N_γ), sau đó áp dụng phương trình định lượng:

$C = \frac{N_\gamma \,\lambda}{\phi\,\sigma\,\varepsilon\,m\,\bigl(1 - e^{-\lambda t_i}\bigr) \,e^{-\lambda t_d}\,\bigl(1 - e^{-\lambda t_c}\bigr)}$

Chỉ số	Ý nghĩa
φ	Dòng neutron hoặc photon flux (n/cm²·s hoặc γ/cm²·s)
σ	Tiết diện phản ứng kích hoạt (barns)
ε	Hiệu suất đếm của detector tại \$E_\gamma\$
m	Khối lượng mẫu (g)
λ	Hằng số phân rã (s⁻¹)
t_i, t_d, t_c	Thời gian kích hoạt, nguội và đo (s)

Ứng dụng thực tiễn

Trong địa chất, NAA được dùng để phân tích vi nguyên tố (rare earth elements) trong đá núi lửa và trầm tích, cung cấp chỉ dấu địa chất phục vụ thăm dò khoáng sản và nghiên cứu lịch sử hình thành mỏ. Độ nhạy cao cho phép phát hiện Ce, La, Th, U ở ppm–ppb.

Trong môi trường, NAA xác định sự phân bố kim loại nặng (As, Cr, Ni, Cd) trong mẫu đất và trầm tích sông ngòi, hỗ trợ đánh giá ô nhiễm và lên kế hoạch phục hồi. PGNAA đo nhanh các nguyên tố như Cl và B trong nước thải và khí thải, phục vụ theo dõi xử lý nước.

Trong y sinh và dược học, NAA định lượng vi lượng kim loại (Cu, Zn, Se) trong mẫu sinh học (máu, tóc, móng), nghiên cứu chuyển hóa dưỡng chất và độc tính. Công nghiệp điện tử sử dụng PAA để kiểm tra tính nguyên tố trong wafer bán dẫn, đảm bảo chất lượng vật liệu cấp cao.

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm	Hạn chế
Độ nhạy cao, ngưỡng ppb–ppt	Cần lò phản ứng hoặc nguồn photon mạnh
Phân tích đa nguyên tố đồng thời	Thời gian chờ phân rã dài
Không phá hủy mẫu gốc	Thiết bị gamma spectrometry chi phí cao
Độ chính xác và lặp lại tốt (RSD <5%)	Độ phân giải năng lượng phụ thuộc HPGe

Xu hướng nghiên cứu tương lai

Phát triển detector cryogenic (TES, MMC) với độ phân giải năng lượng <0,1% tại 100 keV và dòng đếm cao hơn, giúp phân biệt đỉnh chồng lấp và tăng độ nhạy. Kết hợp PGNAA với gamma-ray imaging (tomography) để tái tạo không gian phân bố nguyên tố trong mẫu.

Nghiên cứu neutron guide và moderator mới (graphite, beryllium) để tối ưu hóa phổ neutron thermal/epithermal, giảm nhiễu nền. Mô phỏng đa quy mô (multiscale modeling) tích hợp MCNP với FEM để dự đoán độ nhạy và thiết kế buồng kích hoạt tối ưu.

Kết hợp phân tích kích hoạt với trí tuệ nhân tạo (machine learning) để tự động phân loại phổ gamma, phát hiện đỉnh và tính toán nồng độ nguyên tố nhanh chóng, giảm sai số do can thiệp thủ công và tăng hiệu suất phân tích.

Tài Liệu Tham Khảo

• De Corte, F., Simonits, A., Hoste, J. (2003). Neutron Activation Analysis. Springer. Springer
• IAEA. (2004). Practical Aspects of Operating a Neutron Activation Analysis Laboratory. International Atomic Energy Agency. iaea.org
• Van der Rest, A. (2015). Practical Gamma-ray Spectrometry. CRC Press. CRC Press
• Menlove, H. O. (Ed.). (1999). Applied Neutron Spectroscopy. World Scientific. WorldSci
• NIST. (2021). Standard Reference Materials. National Institute of Standards and Technology. nist.gov/SRM